60Si2CrV高應(yīng)力板簧表面脫碳行為研究*

陳一凡, 陳露瑤, 陳詩(shī)怡, 李俊岳

(1.張家港海鍋新能源裝備股份有限公司, 江蘇 張家港 215628; 2.南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3. 江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

引 言

板簧作為卡車(chē)和貨車(chē)懸架系統(tǒng)中重要的傳力及彈性元件一般安裝在汽車(chē)懸架中，通常對(duì)汽車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和平順性有較大的影響。60Si2CrV鋼近年來(lái)逐漸用以生產(chǎn)高應(yīng)力汽車(chē)板簧，高應(yīng)力板簧可以減少板簧疊片的數(shù)量、降低汽車(chē)自重，對(duì)節(jié)能減排、提高商用車(chē)裝載效率具有重要意義。隨著工作應(yīng)力的提高，高應(yīng)力板簧逐漸暴露出疲勞壽命低、散差大的問(wèn)題，成為限制其推廣的重要原因[1]。

大尺寸夾雜物、表面缺陷和表面脫碳是造成板簧疲勞壽命低的主要因素。在板簧原材生產(chǎn)、變截面軋制和淬火回火過(guò)程中都很有可能造成板簧出現(xiàn)明顯的脫碳。較深的脫碳層，尤其是完全脫碳層的出現(xiàn)會(huì)顯著降低板簧表面強(qiáng)度，造成服役時(shí)表面過(guò)早出現(xiàn)疲勞裂紋，最終導(dǎo)致疲勞壽命顯著下降。因此，分析60Si2CrV的表面脫碳行為、研究其脫碳規(guī)律對(duì)優(yōu)化高應(yīng)力板簧熱加工和熱處理工藝具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

本文實(shí)驗(yàn)材料為60Si2CrV高應(yīng)力板簧，其典型化學(xué)成分如表1所示。試樣經(jīng)過(guò)切割后，將表面用150#，240#，400#，800#砂紙分別進(jìn)行打磨后進(jìn)行熱處理。為模擬實(shí)際生產(chǎn)時(shí)鋼板暴露于空氣中的環(huán)境，使用SY-1000-06箱式電阻爐進(jìn)行熱處理；爐中氣氛為空氣。熱處理結(jié)束后將試樣從中間剖開(kāi)，鑲嵌，磨平拋光后使用4%硝酸酒精溶液浸蝕，使用奧林巴斯GX-51型光學(xué)顯微鏡觀察預(yù)磨平面的縱剖邊一側(cè)的金相形貌。

表1 典型60Si2CrV高應(yīng)力板簧的化學(xué)成分/%

通過(guò)J-mat pro軟件計(jì)算可知60Si2CrV的AC1和AC3溫度分別為780 ℃和820 ℃。因此選取未相變區(qū)、兩相區(qū)和奧氏體單相區(qū)加熱30 min后緩冷，研究加熱溫度對(duì)表面脫碳行為的影響；試驗(yàn)加熱溫度分別為750，800，900，1000，1100，1200 ℃。選取900 ℃分別保溫15，30，60，120 min后緩冷，研究保溫時(shí)間對(duì)表面脫碳行為的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度的影響

2.1.1 未相變區(qū)和兩相區(qū)加熱

圖1為未相變區(qū)750 ℃加熱樣品和兩相區(qū)800 ℃加熱樣品的表面形貌。750 ℃加熱樣品由于尚未發(fā)生相變，僅發(fā)生輕微的不完全脫碳，脫碳層深度約20 μm，原本的片狀珠光體發(fā)生了比較明顯的球化。兩相區(qū)800 ℃加熱時(shí)，樣品表面出現(xiàn)了明顯的完全脫碳層，脫碳層深度約為35 μm。完全脫碳層為全鐵素體組織，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)淬火、回火工藝，都不會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體類型組織，因此表面強(qiáng)度較基體顯著下降。通常情況下，鋼鐵材料的疲勞極限約為抗拉強(qiáng)度的0.4-0.5倍[2]。完全脫碳層的出現(xiàn)會(huì)顯著降低板簧表面的疲勞強(qiáng)度。在服役時(shí)，板簧表面通常受力最大，特別容易成為疲勞裂紋萌生的薄弱區(qū)域，造成板簧使用壽命顯著下降。

板簧在兩相區(qū)加熱時(shí)，隨著表面碳含量的降低，靠近表面的位置進(jìn)入鐵素體相區(qū)，形成鐵素體晶粒，此時(shí)脫碳的過(guò)程從奧氏體中碳濃度的梯度降低轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體晶粒與奧氏體晶粒界面上碳濃度的突變；脫碳的過(guò)程伴隨著界面處奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程。因此兩相區(qū)加熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)完全脫碳層[3]。因此板簧在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)避免兩相區(qū)加熱或者兩相區(qū)長(zhǎng)時(shí)間保溫的情況。

圖1 加熱樣品的表面形貌

2.1.2 奧氏體單相區(qū)加熱

圖2為60Si2CrV在奧氏體單相區(qū)(900 ℃和1100 ℃)加熱樣品的表面形貌?？梢钥闯觯訜釡囟冗M(jìn)入奧氏體單相區(qū)后，板簧基本上只發(fā)生不完全脫碳。隨距表面深度的增加，組織中鐵素體的比例升高、珠光體比例下降，碳濃度逐漸降低。

加熱溫度升至900 ℃后，相圖中鐵素體相區(qū)和兩相區(qū)僅局限在碳含量很低的一側(cè)。只有當(dāng)板簧表面不完全脫碳非常嚴(yán)重時(shí)，碳含量才有可能進(jìn)入兩相區(qū)和鐵素體單相區(qū)。同時(shí)在空氣中加熱時(shí)不僅會(huì)發(fā)生板簧的脫碳現(xiàn)象，還會(huì)發(fā)生鐵的氧化；900 ℃加熱時(shí)即便產(chǎn)生了非常少量的完全脫碳層，也會(huì)隨著樣品被氧化而消失。

圖3為不同加熱溫度保溫30 min后總脫碳層深度的變化規(guī)律?？梢钥闯黾訜釡囟仍?00 ℃以下時(shí)，樣品的脫碳層深度不大，900 ℃加熱時(shí)為50 μm；加熱溫度為1000 ℃和1100 ℃時(shí)，脫碳層深度迅速增加，分別為100，180 μm；加熱溫度1200 ℃時(shí)由于氧化速率增大，脫碳層被氧化，深度很小，僅為18 μm。

從加熱溫度的影響看，當(dāng)60Si2CrV高應(yīng)力板簧在1200 ℃熱變形和900 ℃以下熱處理時(shí)，脫碳層深度較小，對(duì)疲勞性能的影響較小。

圖2 加熱樣品的表面形貌

圖3 不同溫度加熱樣品的總脫碳層深度

2.2 保溫時(shí)間的影響

圖4 900℃保溫不同時(shí)間樣品表面形貌

圖5 900 ℃保溫時(shí)，脫碳層深度與保溫時(shí)間的擬合曲線關(guān)系

2.3 生產(chǎn)工藝控制

脫碳現(xiàn)象是鋼鐵材料熱加工和熱處理過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象。對(duì)于汽車(chē)板簧等材料，通常使用高碳鋼生產(chǎn)；高碳鋼本身就很容易發(fā)生脫碳。為提高彈性極限，還經(jīng)常添加硅元素。硅與碳是同族元素，較高的硅含量進(jìn)一步增加了板簧的脫碳傾向。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)，受生產(chǎn)設(shè)備和成本的限制，全流程或局部工序使用真空或氣氛保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)。因此如何在空氣環(huán)境中盡量減小板簧的表面脫碳是一個(gè)重要控制點(diǎn)。

從本文的研究可以看出，板簧在兩相區(qū)加熱或長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)產(chǎn)生對(duì)疲勞性能最為不利的完全脫碳層。因此對(duì)板簧進(jìn)行淬火時(shí)，加熱溫度必須高于AC3一定溫度值，降低表面因進(jìn)入兩相區(qū)而脫碳的風(fēng)險(xiǎn)。在板簧的變截面軋制完成后，也應(yīng)該適當(dāng)加大軋后冷卻速度，避免板簧在兩相區(qū)附近溫降緩慢。

板簧在1200 ℃時(shí)由于氧化速率很快，表面脫碳層深度顯著下降。因此在保證性能的前提下，板簧變截面軋制前的加熱溫度應(yīng)該盡量提高至1200 ℃左右，將原材料中帶來(lái)的表面脫碳層氧化去除，實(shí)現(xiàn)脫碳層的全流程控制。1000 ℃和1100 ℃是60Si2CrV脫碳的敏感溫度區(qū)間，但是這也是軋制變形的主要工藝窗口。因此應(yīng)該盡量加快軋制流程的速度，提高工作效率，盡量減少熱變形帶來(lái)的脫碳層。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，900 ℃保溫時(shí)60Si2CrV脫碳速率較小，但脫碳層深度與保溫時(shí)間的平方根成正比。900 ℃保溫1 h后的脫碳層深度已經(jīng)接近1000 ℃保溫半小時(shí)的深度。因此板簧淬火回火時(shí)，淬火加熱的時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。使用箱式爐或連續(xù)爐生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量縮短加熱時(shí)間；此外建議使用感應(yīng)加熱爐加熱，以避免脫碳。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用金相法分析了60Si2CrV高應(yīng)力板簧在空氣氣氛下加熱時(shí)的表面脫碳行為，得出以下結(jié)論：

(1)在低于AC1溫度的750 ℃保溫時(shí)，僅出現(xiàn)輕微的部分脫碳，深度為20 μm；當(dāng)溫度到達(dá)AC1-AC3兩相區(qū)的800 ℃時(shí)，只發(fā)生完全脫碳，深度為35μm；在AC3以上的900，1000，1100，1200 ℃分別加熱均發(fā)生部分脫碳，深度分別為50，100，180，18 μm。

(2)在900 ℃分別保溫15，30，60，120 min，脫碳層深度分別為10，50，100，140 μm，脫碳層深度(d)和保溫時(shí)間(t)的關(guān)系符合菲克第二定律，經(jīng)擬合后滿足。

(3)為盡量減輕脫碳對(duì)高應(yīng)力板簧疲勞壽命的影響，建議在生產(chǎn)時(shí)在奧氏體單相區(qū)較低溫度加熱并縮短保溫時(shí)間；尤其應(yīng)避免板簧在熱加工和熱處理時(shí)在兩相區(qū)長(zhǎng)時(shí)間保溫。