加熱溫度對彈簧鋼脫碳層影響實驗研究

劉天強

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

彈簧鋼在周期性彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應力作用下，工作條件惡劣。使用過程中彈簧截面應力是沿徑向從中心向表面逐步增加的，表面所受應力最大，故而強度要求最高。而彈簧鋼表面常常出現(xiàn)脫碳層，造成表面強度明顯降低，容易產(chǎn)生裂紋，過早出現(xiàn)疲勞失效。故而彈簧鋼表面脫碳層的控制具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)彈簧鋼脫碳主要發(fā)生在加熱和軋制兩個過程中，加熱溫度、加熱時間對鋼坯脫碳影響比較明顯，一般來說溫度比時間影響更為顯著，因此本文主要研究加熱過程中溫度對脫碳的影響[1]。

1 實驗設計

（1）試樣來源及表面處理：試驗材料為55SiCrA 彈簧鋼鑄坯，從鑄坯上切取15*15*12（mm）金相試樣若干，并采用不同目砂紙打磨試樣的兩個鄰面，試樣中0#為未打磨樣品，1#為28 目砂紙打磨后樣品，2#為600 目砂紙打磨后樣品，3#為200 目砂紙打磨后樣品。本實驗在750℃時共選擇了0#，1#，2#，3#四種不同表面粗糙度的試樣進行實驗，850℃及之后的試樣選取0#，1#兩種粗糙度試樣進行實驗。分別進行不同工藝的熱處理實驗，從砂紙打磨面中間將試樣切開，測量不同熱處理溫度及保溫時間后試樣截面的脫碳層厚度。以探尋熱處理工藝與脫碳層的關系。所有實驗加熱氣氛均為空氣氣氛。

圖1 熱處理工藝曲線圖

（2）熱處理工藝：實驗使用箱式電阻爐進行加熱，保溫溫度為750℃～1150℃，在低溫段溫度間隔區(qū)間為100℃，950℃之后溫度間隔區(qū)間為50℃，保溫時間分別為10min，30min，60min，90min，120min。實驗時先將電阻爐加熱至實驗溫度，再將試樣放入爐內(nèi)，開始保溫計時，到達保溫時間后，從爐內(nèi)取出相應試樣空冷至室溫，未到時間的試樣繼續(xù)保溫。電阻爐由室溫升至實驗溫度的時間隨實驗溫度升高大約需要0.5h ～1.5h 不等。熱處理工藝曲線如下圖1 所示。

2 實驗結(jié)果

（1）750℃實驗結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為750℃，保溫10min時，幾乎沒有脫碳現(xiàn)象（圖2），隨著保溫時間延長，脫碳層基本為全脫碳（圖3），脫碳層厚度整體上呈逐漸增大的趨勢，脫碳層厚度與試樣表面粗糙度沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的規(guī)律性關系（圖4）。

圖2 在750℃下進行實驗，彈簧鋼未出現(xiàn)脫碳圖

圖3 將保溫時間延長，彈簧鋼出現(xiàn)全脫碳圖

圖4 750℃不同試樣脫碳層厚度

（2）850℃實驗結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為850℃時，隨著保溫時間延長，脫碳層厚度明顯增加，且保溫時間在90min 以內(nèi)時，均出現(xiàn)全脫碳與半脫碳現(xiàn)象（圖5），當保溫時間為120min時，幾乎沒有全脫碳層（圖6），全脫碳與半脫碳層厚度均呈增大趨勢（圖7），全部為半脫碳現(xiàn)象。脫碳層厚度與試樣表面粗糙度沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的規(guī)律性關系。

圖5 保溫時間在90min，彈簧鋼出現(xiàn)全脫碳與半脫碳圖

圖6 保溫時間為120min 時，彈簧鋼沒有出現(xiàn)全脫碳層圖

圖7 850℃不同試樣脫碳層厚度

（3）950 ℃實驗結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為950 ℃時，隨著保溫時間延長，脫碳層厚度明顯增加，且保溫時間從10min ～120min，主要都為半脫碳。經(jīng)處理后的金相照片發(fā)現(xiàn)部分試樣邊緣有極薄的疑似全脫碳層區(qū)域，但經(jīng)照片放大仔細辨認后該疑似全脫碳區(qū)基體組織仍為鐵素體+珠光體組織，且晶粒均為等軸晶，并未出現(xiàn)全脫碳層典型的柱狀晶區(qū)，因此可認定950℃保溫時，試樣均為半脫碳（圖8）。并且脫碳層厚度與試樣表面粗糙度沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的規(guī)律性關系。

圖8 溫度為950℃保溫時，彈簧鋼出現(xiàn)半脫碳圖

（4）1000℃實驗結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為1000℃時，隨保溫時間的延長，脫碳層總體呈增加趨勢。且除保溫時間為10min 之外，其他試樣均為全脫碳和半脫碳同時出現(xiàn)。全脫碳層與半脫碳層厚度之間沒有明顯規(guī)律，脫碳層厚度與表面粗糙度也沒有出現(xiàn)明顯規(guī)律。

（5）1050℃實驗結(jié)果。實驗發(fā)現(xiàn)，加熱溫度為1050℃時，保溫時間從10min ～120min 時，脫碳層厚度隨著保溫時間的延長逐漸增加。

（6）1100℃實驗結(jié)果。保溫溫度在1100℃時，隨保溫時間延長，脫碳層的總厚度呈增加趨勢。

（7）1150℃實驗結(jié)果。保溫溫度在1150℃時，隨保溫時間延長，脫碳層的總厚度呈增加趨勢。

（8）脫碳層厚度與加熱溫度關系趨勢圖見（圖9、圖10）。

圖9 加熱溫度對總脫碳層厚度的影響

3 實驗結(jié)論

（1）55SiCr 彈簧鋼在750℃～850℃保溫時出現(xiàn)全脫碳，且隨著保溫時間延長，脫碳層厚度不斷加深；850℃時，總脫碳層出現(xiàn)局部峰值，這與全脫碳層的快速增厚有關。

（2）950℃以上時，試樣以部分脫碳層為主；脫碳層厚度隨保溫時間延長和溫度的升高而整體上呈增加趨勢。

（3）僅在1150℃時打磨處理的樣品脫碳層厚度小于未打磨樣品，其他溫度下粗糙度與脫碳程度并無明顯關系。