弹簧钢连铸坯缺陷形成机制及轧制工艺优化

摘要：弹簧钢属于承载和抗疲劳性能要求极高的结构材料，其连铸坯品质直接关乎后续轧制性能及成材性能的稳定。连铸过程中，铸坯内部及表面缺陷屡见不鲜，严重影响弹簧钢的生产效率和产品可靠性。文章针对弹簧钢连铸坯常见缺陷展开细致分析，探究了成分偏析、凝固收缩、热应力裂纹等关键成因。联系典型轧制工艺流程，从温度控制、变形路径优化、动态调整策略等方面给出轧制环节的改善举措。

关键词：弹簧钢；连铸坯；轧制优化

在高端装备制造对弹簧钢性能要求日益严苛的当下，连铸坯缺陷问题成了影响弹簧钢质量的关键瓶颈。当下弹簧钢连铸坯在凝固和轧制时存在成分偏析、裂纹等多重缺陷难题，严重影响成材率和服役可靠性。文章系统分析弹簧钢连铸坯缺陷形成机理，探究轧制工艺改进途径，给提高弹簧钢质量给予理论和实际参照。

一、弹簧钢连铸坯常见缺陷类型与形成机制分析

（一）凝固过程中心偏析与元素富集行为研究

弹簧钢连铸时，中心偏析通常出现在铸坯厚度中心。它实际上就是熔体凝固期间溶质元素传输不均匀，并且偏析带富集所造成的。结晶器末端和二冷区里，冷却速率变小，液相流动性变弱，溶质元素C、Mn、S等随着液体残余富集到中心，就形成了很明显的中心正偏析带，进而影响成品组织的均匀性以及力学性能。钢中夹杂体和非金属夹杂物也比较容易富集在偏析带当中，这样会加重连铸坯的低倍偏析状况。偏析带地方的低熔点物质也许会引发凝固裂纹或者热脆状况，从而致使后续轧制过程中塑性下降，开裂危险加大。

（二）热应力耦合机制下横纵裂纹的形成

横向和纵向裂纹属于弹簧钢连铸坯的典型缺陷之一，其形成原因与铸坯表面和内部的热应力分布情况息息相关。铸坯表面经快速冷却之后便形成一层坚硬的外壳，而内层高温区域一直在收缩，这在横截面上就会造成拉应力集中现象。当这种应力超出钢材的临界强度时，就可能引发横裂纹，尤其在角部以及边缘部位更为容易出现。纵裂纹大多沿着铸坯的长度方向发展，它的产生与铸流的不稳定状况、结晶器润滑条件不佳以及钢液中的夹杂物含量偏高有着密切关联。表面温度急剧波动所带来的热疲劳积累现象，往往是纵裂纹扩展的主要动因所在。要减少裂纹发生的几率，就得从结晶器冷却均匀程度把控、振动参数精确调整、保护渣性能优化等多个方面着手努力，以此维持铸坯的质量始终处于可接受范围内。

（三）表面结晶器振痕与夹杂物聚集的成因分析

结晶器振痕表现为铸坯表面沿拉伸方向出现周期性波纹状缺陷，其形态直接取决于结晶器振动频率、振幅以及负滑距控制的精准度。在弹簧钢连铸过程中，若振动参数设置不当，钢液在结晶器壁面粘附形成波痕，再加上润滑状态失衡，会导致振痕深度加大且产生“剪切”式应力集中现象。而且当结晶器液面波动不定时，非金属夹杂物及氧化皮会向表面聚集，嵌入振痕处造成次生夹杂缺陷，进而影响后续热加工表面品质。振痕与夹杂的耦合作用还会引起表层疲劳强度下降，对弹簧钢后期服役寿命产生不利影响。

二、轧制工艺参数优化对缺陷抑制的协同作用路径

（一）铸坯温度均匀性控制及多段加热策略的应用研究

铸坯温度控制关系到之后的轧制变形行为及组织发展走向。在弹簧钢轧制过程中，若坯料横截面温度分布不均衡，便很容易造成变形不均、内应力堆积以及裂纹诱发的现象发生。通过对加热炉结构执行分区精细管理，可以采用多段温控加热方案，设立升温、恒温、保温缓冷等阶段，让坯料的整体温升过程变得缓慢平稳，规避热冲击和表面过烧的情况出现。当感应加热与火焰炉结合使用时，凭借热电偶布点回馈调节手段，达成加热区温场均匀的目标，进而改善变形协调度，削减因温差引发的结构缺陷风险。为了保证铸坯内部与表层加热的同步性，还应顾及断面大小、初始温度和传热特性相适应，防止出现中心过冷或者表面过热的情形。利用动态温控系统调整各个段落燃烧比例和传热方法，来优化整体加热质量的可控性。

（二）变形量分配及轧制道次设计对内部疏松消解的影响

内部疏松属于弹簧钢连铸坯里较为常见的一种质量隐患。如果在轧制时没能做到有效的压实处理，在之后的使用当中就会出现力学性能的波动甚至产生疲劳失效的情况。想要解决这个问题，就要从合适的变形量分配以及道次安排上着手。通过针对轧制压下量执行“重-轻-重”或者“递减式”的策略安排，在保证塑性变形的同时还能形成良好的金属流动状况，让中心的微孔以及疏松区域慢慢闭合起来，从而防止因为单道压下的量过大而导致裂纹的延伸，或者因为压下的量过小而使得疏松没有得到愈合。对于不同截面尺寸以及成分体系的弹簧钢品种而言，需通过热模拟系统去预测仿照轧制过程中的应力应变场状况，进而给予道次轧程设定以及压下比调整方面的指引。

（三）控冷制度优化对亚表层残余应力释放的调控机制

轧制后的控冷工艺对组织性能稳定有着决定性影响，特别是对亚表层残余应力的调节直接关系到弹簧钢的疲劳强度和耐腐蚀能力。在实际生产过程中，由于冷却强度分布不合理或者冷却速度变化太快，很容易导致亚表层温差梯度过大，从而产生拉应力集聚并形成微裂纹源点。通过改善控冷水量分布、喷水角度以及冷却段布局来达到热量梯度平滑过渡的效果，以此降低应力集中风险。同时，在不同的温区设置缓冷段，避免奥氏体-珠光体相变剧烈进行导致组织粗大化倾向。在中冷区间采用脉冲喷淋模式，提高热交换效率并保证降温均匀性，这是实现控冷柔性化调节的技术路径之一。

（四）多机架动态调速轧制均匀性的智能调控方法

现代弹簧钢生产线上的多机架精轧单元动态调速与同步协调，对轧制过程连续性和稳定性的要求被提升起来。机架间速度不协调直接导致张力波动、板形畸变以及应变局部集中，进而诱发表面与内部缺陷扩展。要应对这样的状况，在精轧区加入智能调速系统，依靠前后机架张力传感器即时反馈的数据，通过自动调整速度曲线来达到张力波动最小化的目的。结合轧辊间的力学模型预测和模糊控制算法，针对每道次的轧制力展开实时调节，从而动态适应金属流动状态的改变。。

（五）典型弹簧钢轧制工艺改进与缺陷率评估

针对弹簧钢品种的生产过程中，不同的钢号、规格以及用途所对应的具体轧制工艺参数存在较大差别，其最终质量表现状况与这些工艺调节的契合度联系密切。选取如60Si2Mn、55CrSi、65Mn之类的典型钢种加以系统化地实施轧制工艺对比研究，从而可探知各种不同参数组合对缺陷形成率的实际影响情形。利用试验比较方法来考察控制变形温度、压下比以及控冷曲线等工艺调整参数前后所产生的缺陷率数值变化。在实验对比期间，利用控制变量法进行验证，同时借助于低倍检验、UT检验以及金相观察等方式来进行缺陷类型的原因分析探究工作。试验结果表明，对于高合金化钢种，必须在高温区深加工压才能消除中心疏松；而对于中碳系品种，则要强调控冷系统柔性匹配、道次过渡平滑性。建立典型品种工艺参数-缺陷类型-组织性能三者之间的映射关系，为后续生产提供数据支撑和工艺参考，实现工艺调整的靶向性、质量管控的可视化。

三、结束语

弹簧钢连铸坯在生产期间被复杂热力场以及成分传输效应干扰，中心偏析、裂纹和表面质量瑕疵等质量问题很容易产生，这限制了其后续性能和使用寿命。针对缺陷形成原因展开全面分析之后，利用轧制工艺环节中重要部分参数改进与路径重塑来改善铸坯致密性、组织均匀度以及表面状况。

参考文献：

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