閆志波，陳紅衛(wèi)，賀會敏，王向明

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系,河北 石家莊 050081；2.河鋼集團鋼研總院 工藝研究所，河北 石家莊 050020)

60Si2Cr彈簧鋼是目前國內(nèi)主流彈簧鋼之一.合理的熱處理工藝對彈簧鋼內(nèi)部組織的改善和性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用.CCT曲線(過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線)可以準確地展示不同冷卻速度下鋼的組織形態(tài)和硬度的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合不同冷卻速度下的顯微組織，可以分析得出冷卻速度對彈簧鋼的組織和性能的影響情況[1].鋼的化學成分是影響其CCT曲線形狀和臨界點的主要因素[2]，適當增加Ni元素、Cu元素、Nb元素在60Si2Cr彈簧鋼中的比例，可提高其耐腐蝕性，細化晶粒，能在提高彈簧鋼強度的同時降低其對塑性和韌性的影響[3-4].本文通過實驗，采用膨脹法和金相-硬度法測定Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的臨界點,并繪制出CCT曲線，以得到不同冷卻速度下其組織和性能的變化規(guī)律，為企業(yè)制定合理的生產(chǎn)工藝提供依據(jù).

1 實驗材料及方法

1.1 材料及成分

從軋制狀態(tài)Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr圓鋼(Ф13 mm)上取樣，并測試其化學成分，結(jié)果見表1.

表1 Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的化學成分

1.2 實驗方法

用線切割法制備標準實心試樣(Ф4×10 mm).在真空狀態(tài)下，采用DIL805L相變淬火膨脹儀將試樣以0.05 ℃/s的加熱速度加熱到奧氏體化溫度，獲得臨界點Ac1和Ac3；以0.05 ℃/s的冷卻速度冷卻到室溫，獲得臨界點Ar1和Ar3；以設(shè)備極限冷卻速度200 ℃/s獲得臨界點Ms[5].

同樣，采用熱膨脹法測量試樣冷卻轉(zhuǎn)變過程中的溫度應(yīng)變膨脹曲線.依據(jù)《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定方法(膨脹法)》(YB/T 5128—1993)，選880 ℃作為奧氏體化溫度，以10 ℃/s的速度對試樣升溫，為了使試樣奧氏體化更徹底，設(shè)定保溫時間為10 min，然后將試樣冷卻至室溫，冷卻速度分別為0.05 ℃/s，0.10 ℃/s，0.50 ℃/s，1.00 ℃/s，2.00 ℃/s，3.50 ℃/s，4.50 ℃/s，5.50 ℃/s，6.00 ℃/s，7.50 ℃/s，9.00℃/s，13.00 ℃/s和20.00 ℃/s.同時，自動記錄每一種冷卻速度下試樣膨脹量隨時間(溫度)的變化情況，得到冷卻膨脹曲線.試樣冷卻后，分別用酚醛樹脂熱鑲，并做好標記，經(jīng)研磨和拋光后，再用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，制成金相試樣，用Imager A1m倒置光學顯微鏡觀察每個金相試樣的顯微組織，再用顯微維氏硬度計測出其維氏硬度值并記錄.根據(jù)顯微組織和維氏硬度值，用切線法得出每個試樣的相變起始溫度與終止溫度，繪制出Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線[6-7].

2 結(jié)果分析

2.1 樣鋼的相變點溫度

用切線法測得Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼在加熱和冷卻過程中相變臨界點的溫度分別為:Ac1=767 ℃，Ac3=797 ℃，Ar1=713 ℃，Ar3=736 ℃，Ms=245 ℃.根據(jù)每種冷卻速度的冷卻膨脹曲線，用切線法確定每種冷卻速度下試樣的實際相變溫度.不同冷卻速度下的相變溫度和對應(yīng)的顯微組織情況見表2.

表2 Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼在不同冷卻速度下的相變溫度及顯微組織

注：F為高溫鐵素體；P為珠光體；M為低溫馬氏體；/表示沒有觀察到該組織.

2.2 樣鋼的CCT曲線

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，在溫度-時間對數(shù)坐標系上標出不同冷卻速度下的相變點溫度，然后用Origin8.0軟件分別將各冷卻速度的相變起始點和相變結(jié)束點平滑連接,得到Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的CCT曲線，如圖1.各條曲線下端點所標的數(shù)值分別為該曲線對應(yīng)的冷卻速度(℃/s)和維氏硬度值(HV30).

從圖1可以看出，Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼在不同冷卻速度下，奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程出現(xiàn)了三個相區(qū)：高溫鐵素體(F)區(qū)、珠光體(P)區(qū)和低溫馬氏體(M)區(qū).冷卻速度較小時，在冷卻過程中沿奧氏體晶界首先共析出鐵素體，再析出珠光體，隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠光體的起始轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，冷卻速度達到2.00 ℃/s 時,鐵素體轉(zhuǎn)變溫度范圍開始變窄，珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍明顯變大；當冷卻速度達到和超過3.50 ℃/s時，不再有鐵素體析出，珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍進一步擴大，溫度下降到240 ℃左右時，開始轉(zhuǎn)變成馬氏體；冷卻速度繼續(xù)增加到6.00 ℃/s時，珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍逐漸收窄；當冷卻速度超過13.00 ℃/s時，珠光體逐漸消失，全部轉(zhuǎn)變成馬氏體[8].可以看出，在不同的冷卻速度范圍內(nèi)，馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度并不平穩(wěn)，冷卻速度較慢的階段起伏稍大，當冷卻速度超過6.00 ℃/s以上時，轉(zhuǎn)變溫度趨于穩(wěn)定.這是由于隨著冷卻速度的加快，奧氏體過冷度增加，鐵素體轉(zhuǎn)變受阻，相變孕育時間變長，鐵素體含量下降所致.而隨著過冷度的增加，馬氏體析出動力增大，開始轉(zhuǎn)變溫度升高，馬氏體含量也開始增加[9].

圖1 Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的CCT曲線

鋼中的Si元素會使鐵素體產(chǎn)生固溶強化，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，并對貝氏體的轉(zhuǎn)變起到顯著的抑制作用.Cr元素和Mn元素在鋼中形成碳化物的作用較弱，對貝氏體的轉(zhuǎn)變有明顯的抑制作用，因此，在整個試驗過程沒有出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變[10].鋼中的Cu元素不但能夠起到活化陰極的作用，促使鋼陽極發(fā)生鈍化而減緩大氣腐蝕，而且能抵消鋼中硫的有害作用.鋼中的Ni元素可以有效降低珠光體的轉(zhuǎn)變溫度并細化珠光體，使Ms點下降，并對提高鋼的強度有一定的作用.Nb是鋼中有效的細化晶粒的微合金化元素，微量的Nb元素起固溶強化作用；當Nb以碳化物和氧化物的形式存在時，可以細化晶粒，降低鋼的熱敏感性及回火脆性，提高強度，并防止晶間腐蝕[11].

2.3 樣鋼的顯微組織

Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼試樣軋制狀態(tài)的顯微組織如圖2所示，它顯示的是較粗大的馬氏體+珠光體，且兩相組織分布不均勻.

圖2 Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的軋態(tài)顯微組織

樣鋼經(jīng)過奧氏體化再以不同的冷卻速度冷卻后得到的金相組織如圖3所示.從圖3a-3f可以看出，冷卻速度在0.05～2.00 ℃/s時，其金相組織為鐵素體+珠光體；隨著冷卻速度的逐步加快，鐵素體和珠光體組織晶粒逐漸細化；冷卻速度達到3.50 ℃/s 時，出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，組織中鐵素體基本消失，變?yōu)樯倭堪鍡l狀馬氏體+珠光體，如圖3e.隨著冷卻速度的進一步加快，組織中馬氏體含量逐漸增多，其形態(tài)也由單一細板條逐漸變?yōu)榘鍡l+針狀的混合組織.冷卻速度在3.50～13.00 ℃/s時,隨著冷卻速度的加快，組織中的珠光體迅速減少，這是由于過冷度增大，使珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)過冷奧氏體中碳原子的擴散速度減慢，珠光體片層間距變小，使珠光體從粗大的片層結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)椴灰?guī)則的細片狀的緣故[12]，如圖3e-3h.當冷卻速度達到20.00 ℃/s時，組織中幾乎全為馬氏體，此時鋼的強度和硬度最高，而塑性和韌性則有所降低.

a 0.05 ℃/s； b 0.50 ℃/s； c 1.00 ℃/s； d 2 .00 ℃/s ；e 3.50 ℃/s； f 7.50 ℃/s； g 9.00 ℃/s； h 13.00 ℃/s； i 20.00 ℃/s

2.4 樣鋼的硬度

樣鋼的硬度值和冷卻速度的對應(yīng)關(guān)系如表3所示.

表3 不同冷卻速度下Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的顯微硬度

表3表明，樣鋼的硬度隨著冷卻速度的加快而逐步提高，冷卻速度在0.05～2.00 ℃/s時，硬度值增加較緩慢，HV30僅由284上升到357；冷卻速度在2.00～20.00 ℃/s時，硬度值隨著冷卻速度的加快而迅速上升，由411增加到828.原因在于，冷卻速度在較低范圍時，樣鋼的組織為鐵素體和珠光體，且各組織含量變化不大；而冷卻速度在較高范圍內(nèi)時，樣鋼的組織主要為珠光體和馬氏體，而且馬氏體增加較快，這種組織變化使其強度和硬度迅速提高[12]，最后出現(xiàn)部分片狀馬氏體組織，使其硬度達到最高.

3 結(jié)論

(1)Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的相變臨界點為:Ac1=767 ℃，Ac3=797 ℃，Ar1=713 ℃，Ar3=736 ℃，Ms=245 ℃.結(jié)合實驗測定的臨界點溫度為Ac3，建議生產(chǎn)中鋼的終軋溫度不低于820 ℃.

(2) Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的CCT圖上只有鐵素體區(qū)、珠光體區(qū)和馬氏體區(qū)，沒有貝氏體區(qū).冷卻速度在0.05～3.50 ℃/s內(nèi)會產(chǎn)生鐵素體和珠光體；冷卻速度高于3.50 ℃/s時，會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；冷卻速度達到20.00 ℃/s時，全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，HV30硬度值可達828.

(3) Ni-Cu-Nb復(fù)合60Si2Cr彈簧鋼的顯微組織隨著冷卻速度的增加而逐步細化，硬度逐漸提高.鋼在熱處理淬火時，應(yīng)采用較高的冷卻速度，以獲得良好的組織性能.