汽車用細絲徑油淬火55SiCr彈簧鋼絲的感應(yīng)回火工藝研究 *

林傳超 ， 楊振濤 ， 黃瑋頡 ， 儲成林

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2.泰州榮鼎彈簧鋼絲有限公司， 江蘇 泰州 225500； 3.江蘇神王集團鋼纜有限公司， 江蘇 泰州 225500)

引 言

彈簧材料可用于汽車和發(fā)動機制造，以提高汽車安全性和舒適性，據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)彈簧研究所多達10余家，彈簧種類有20余種[1]。其中汽車生產(chǎn)用彈簧鋼高達60%，40%彈簧制造業(yè)的營銷收入來源于汽車用油淬火彈簧鋼絲[2]。油淬火彈簧鋼絲是可用于生產(chǎn)汽車的懸掛簧、離合器簧、發(fā)動機氣門簧等[3-4]彈簧零件用的一種高性能鋼絲，具有平直度好、屈強比高、疲勞性能與抗松弛性好等特點，被市場所關(guān)注[5-6]。油淬火彈簧鋼絲的性能要求較為嚴(yán)格，如鋼中可存在尺寸小、數(shù)量少、變形能力好的塑形夾雜，而大尺寸、不規(guī)則形狀的脆性、點狀不變形夾雜易產(chǎn)生應(yīng)力集中萌生裂紋，惡化疲勞性能[7-8]。國內(nèi)外常用合金化以實現(xiàn)高性能、高設(shè)計應(yīng)力目標(biāo)，如Si元素可細化碳化物片層間距，延緩滲碳體的形成，提高彈性極限，但過量Si元素會增大碳活度，促進碳擴散[9]，Cr元素可降低碳的活度和擴散系數(shù)，有效提高淬透性和回火穩(wěn)定性，但促進回火脆性[10]，加入Cu和Ni等合金元素時，將大幅提高彈簧的耐腐蝕性[11]。

國內(nèi)常用的油淬火彈簧鋼絲有65Mn，60Si2MnA，55SiCrA，50CrVA等幾個鋼種，而55SiCr彈簧鋼絲具有高的疲勞強度、彈性極限、承載能力和優(yōu)良的抗震性能，可服役于惡劣的高應(yīng)力循環(huán)重載和高溫環(huán)境[12]，其傳統(tǒng)熱處理工藝通常是油淬火+鉛浴回火。鉛浴回火容易控制，但鉛蒸汽對人體和環(huán)境有嚴(yán)重危害，違背綠色發(fā)展理念，感應(yīng)加熱是通過磁、電、熱的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生渦流，集膚在工件表層進行非接觸式加熱[13]，故加熱速度快、效率高，對工件無損傷，且感應(yīng)加熱裝置尺寸小、易于控制，可實現(xiàn)全機械式自動化[14]，現(xiàn)已被用于各零件的淬火、正火、回火等加熱工藝[15]。目前利用感應(yīng)加熱對彈簧鋼絲進行淬回火的彈簧企業(yè)日益增多，但關(guān)于油淬火彈簧鋼絲的感應(yīng)回火研究較少，尤其關(guān)于細絲徑(2-6 mm)油淬火彈簧鋼絲更少，是因為細絲徑油淬火彈簧鋼絲更細導(dǎo)致回火時間更短，控制其微觀組織和性能的技術(shù)難度更大，故研究細絲徑油淬火彈簧鋼絲的感應(yīng)回火工藝具有重要意義，可為感應(yīng)回火不同種類油淬火彈簧鋼絲且適配拉拔工藝組合的綠色無鉛化熱處理工藝打下良好基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文以油淬火55SiCr彈簧鋼絲為實驗材料。原料退火組織和表層脫碳如圖1所示?；w由先共析鐵素體和細小的珠光體團及在原奧氏體晶界和晶內(nèi)析出的片層狀珠光體組成，表層幾乎無全脫碳，經(jīng)檢驗原料表面質(zhì)量好，表層脫碳滿足國標(biāo)要求，經(jīng)噴丸、涂油后拉拔為直徑5.4 mm的彈簧鋼絲。其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 實驗測試方法

由實際情況選取直徑5.4 mm油淬火彈簧鋼絲的收線速度為3～7 m/min。淬火工藝為：電阻爐加熱，爐溫設(shè)置為900 ℃，油淬火至60 ℃。感應(yīng)回火工藝為：調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率使鋼絲在380～500 ℃范圍內(nèi)進行不同收線速度、溫度下耦合的中溫回火，得到熱處理后的油淬火55SiCr彈簧鋼絲感應(yīng)回火工藝如表2所示。

進行如下測試：

(1)力學(xué)性能測試。感應(yīng)回火后的彈簧鋼絲在WDW-200 kN微機控制電子萬能試驗機上進行室溫下的單軸拉伸測試，試驗機的上下兩夾頭完全相同并保持中心對齊，拉伸最大試驗力為200 kN，拉伸速度為50 mm/min。樣品為圓柱形，總長度為280 mm， 將拉伸樣品豎放， 鋼絲兩端分別與兩夾頭

表1 油淬火55SiCr彈簧鋼絲的化學(xué)成分

圖1 盤條原料

表2 55SiCr彈簧鋼絲的具體感應(yīng)回火工藝

中心重合使兩夾頭之間的自由長度約為60 mm，上下夾頭依次固定鋼絲兩端后進行測試。采用Φ300 mm數(shù)字式測量投影儀，設(shè)備型號為CPJ-3015, 測得樣品在拉伸斷裂后的頸縮平均直徑；采用MH-5L顯微硬度儀得到彈簧鋼絲表層到心部的維氏硬度。

(3)組織結(jié)構(gòu)分析。采用BX51M正置金相顯微鏡和Sirion場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FEI公司)觀察不同感應(yīng)回火工藝下彈簧鋼絲的微觀組織。

(4)扭轉(zhuǎn)測試。采用PLC控制線材扭轉(zhuǎn)測試試驗機對較優(yōu)感應(yīng)回火工藝下的彈簧鋼絲進行扭轉(zhuǎn)測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 收線速度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲微觀組織和性能的影響

2.1.1 力學(xué)性能測試

圖2是相同感應(yīng)回火溫度下，油淬火55SiCr彈

圖2 感應(yīng)回火收線速度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲力學(xué)性能的影響

簧鋼絲在不同收線速度下的力學(xué)性能變化，可知隨著收線速度的增加，抗拉強度先快速增加后緩慢減小，屈服強度線性增大，屈強比隨著收線速度略有增大但變化不明顯，而面縮率先略微增大，在6 m/min后又快速下降。當(dāng)收線速度為3 m/min時，抗拉強度、屈服強度和面縮率最小，增大至5 m/min抗拉強度大幅度增加且達到峰值1959 MPa;當(dāng)收線速度<5 m/min時，屈強比均小于0.90。面縮率隨收線速度變化在6 m/min時最大約為54 %，7 m/min時快速減小為46 %，且屈服強度和屈強比分別達到最大值1829 MPa和0.95。

圖3和表3是相同回火溫度下、不同收線速度的鋼絲樣品表層到心部的硬度曲線和統(tǒng)計。觀察圖3發(fā)現(xiàn)，各收線速度下的硬度曲線為拱橋型，表層硬度較小，心部硬度較大且變化平緩，線速度為5 m/min時，硬度曲線最為平滑。由表3可知，平均硬度隨收線速度先增大后減小，收線速度繼續(xù)增加時，平均硬度又開始增大。5 m/min時平均硬度最大為593 HV，且極差(最大值與最小值之差)和標(biāo)準(zhǔn)差最小分別為45 HV和±12.4 HV。

圖3 不同收線速度下感應(yīng)回火后彈簧鋼絲的表層-心部硬度分布

表3 不同收線速度下感應(yīng)回火后彈簧鋼絲的表層-心部硬度統(tǒng)計

2.1.2 收線速度對鋼絲微觀組織的影響

圖4是金相顯微鏡500×下，鋼絲樣品在相同回火溫度、不同收線速度下的金相組織。收線速度為3 m/min時，亮白色碳化物相發(fā)生聚集長大且有較為明顯的偏聚現(xiàn)象，鐵素體呈小塊狀。5 m/min時基體中彌散析出了很多的長、短針狀和顆粒狀碳化物，針狀區(qū)域明顯，但仍具有馬氏體塊狀特征。6 m/min時碳化物呈顆粒狀雖更為彌散，但相對于5 m/min時針狀形態(tài)模糊，呈淬火態(tài)。7 m/min時針狀形態(tài)完全消失，鐵素體和碳化物相為淬火態(tài)形貌。

圖4 不同收線速度下油淬火55SiCr彈簧鋼絲的回火金相組織

圖5是鋼絲樣品在相同回火溫度、不同收線速度下的SEM顯微組織。收線速度為3 m/min時，鐵素體粗化且有塊狀傾向，碳化物長寬比縮小，組織片層較為疏松。5 m/min時針狀鐵素體明顯變小，顆粒狀、細針狀碳化物彌散析出，局部區(qū)域保持淬火態(tài)，但整體組織較為致密。7 m/min時，組織保持原塊狀、板條形貌，一些合金碳化物來不及固溶分布在晶界附近。

圖5 油淬火55SiCr彈簧鋼絲不同收線速度的掃描電子顯微鏡組織

2.1.3 分析與討論

通過探究收線速度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲的組織和性能影響，可得相同回火溫度下，收線速度為5 m/min時具有較好的綜合力學(xué)性能，感應(yīng)回火后的組織細小、針狀特征明顯，碳化物呈顆粒、針狀較為彌散，片層間距相對致密。

收線速度較小時，回火保溫時間過長，固溶強化作用減弱，鐵素體相有足夠的時間發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶導(dǎo)致粗化、塊化，滲碳體逐漸向晶界聚集長大，使性能較差。收線速度增大，回火時間降低，針狀鐵素體變小，碳化物彌散分布，由細晶強化和彌散強化可知其強度、硬度與塑韌性變好。收線速度繼續(xù)增大，碳原子以及合金元素沒有足夠的時間進行固溶和析出，新相來不及形核和長大，回火馬氏體轉(zhuǎn)變不充分，一部分碳化物仍保持粗大片狀形貌，導(dǎo)致力學(xué)性能較差。當(dāng)收線速度過大時，組織為完全淬火態(tài)，粗大的塊狀組織使得硬度突然增大，但面縮率快速下降。

2.2 回火溫度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲微觀組織和性能的影響

2.2.1 力學(xué)性能測試

圖6是較優(yōu)走線速度5 m/min時，不同感應(yīng)回火溫度下鋼絲的力學(xué)性能變化，用感應(yīng)加熱功率代替回火溫度，發(fā)現(xiàn)強度隨感應(yīng)加熱功率增大呈線性減小，面縮率逐漸增大，屈強比變化無明顯規(guī)律。當(dāng)感應(yīng)加熱功率<4.05 kW，回火溫度低于425 ℃時強度較大，但屈強比均小于0.90，且面縮率較差；感應(yīng)加熱功率由4.05 kW增大到4.44 kW，回火溫度由425 ℃升高至460 ℃，抗拉強度快速減小且與屈服強度曲線間距縮小， 屈強比在0.90以上， 面縮率較好高達50 %以上，觀察曲線誤差棒知抗拉強度與屈服強度的最大誤差值分別約為±5和±28 MPa。

圖6 感應(yīng)回火溫度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲力學(xué)性能的影響

圖7和表4是較優(yōu)走線速度5 m/min時，不同感應(yīng)回火溫度下鋼絲表層到心部的硬度曲線和統(tǒng)計。由圖7知表層硬度較小，心部硬度較大且變化平緩，硬度曲線為拱橋型，當(dāng)感應(yīng)加熱功率為4.44 kW時硬度曲線最為平滑。由表4知隨著感應(yīng)加熱功率升高，平均硬度及硬度最大值降低，極差與標(biāo)準(zhǔn)差變化無明顯規(guī)律。當(dāng)感應(yīng)加熱功率為3.55 kW時，平均硬度、最大硬度及極差最大；當(dāng)感應(yīng)加熱功率為4.44 kW時，具有遠小于其他功率的極差91 HV和標(biāo)準(zhǔn)差12.27 HV。

圖7 不同感應(yīng)回火溫度下油淬火55SiCr彈簧鋼絲的表層-心部硬度分布

表4 不同回火溫度下直徑5.4 mm油淬火55SiCr彈簧鋼絲的表層-心部硬度統(tǒng)計

2.2.2 回火溫度對鋼絲微觀組織的影響

由圖8是金相顯微鏡500×下，在較優(yōu)走線速度5 m/min時，不同回火溫度下鋼絲的金相組織。當(dāng)感應(yīng)加熱功率為3.72 kW時，回火組織為馬氏體形貌，碳化物呈片層狀，鐵素體較為粗大。升高感應(yīng)加熱功率至4.05 kW，組織明顯細化，馬氏體板界融合，析出許多細小的顆粒狀碳化物，且殘余奧氏體大量減少；繼續(xù)升高至4.24 kW，針狀組織析出明顯，鐵素體更加細小，針片狀和顆粒狀碳化物數(shù)量增多，形成細小的回火屈氏體。當(dāng)感應(yīng)加熱功率為4.44 kW時，馬氏體形貌完全消失，大量小針片狀和顆粒狀碳化物彌散分布，少量碳化物聚集長大，和細針狀的鐵素體形成均勻細小的回火屈氏體。

圖8 油淬火55SiCr彈簧鋼絲在不同感應(yīng)回火溫度下的金相組織

圖9是較優(yōu)走線速度5 m/min時，鋼絲在不同回火溫度下的SEM顯微組織。當(dāng)感應(yīng)加熱功率P≤3.87 kW時，回火組織保持淬火態(tài)形貌，鐵素體呈粗針片狀，組織分布不均勻。升高至4.05 kW時，明顯發(fā)現(xiàn)針狀鐵素體細化，顆粒狀碳化物數(shù)量增多，組織逐漸致密；繼續(xù)增大至4.24 kW，馬氏體塊狀組織大量減少，針狀鐵素體相對于4.05 kW時變短但數(shù)量增多且分布更加均勻，大量的細針片狀碳化物析出在基體邊界上形成細小的回火屈氏體。

2.2.3 分析與討論

通過探究感應(yīng)回火溫度對油淬火55SiCr彈簧鋼絲組織和力學(xué)性能的影響，并結(jié)合2.1節(jié)的結(jié)果可得一個較優(yōu)感應(yīng)回火工藝，即收線速度、感應(yīng)加熱功率和回火溫度分別為5 m/min、4.44 kW和460 ℃，可使感應(yīng)回火后鋼絲的綜合力學(xué)性能優(yōu)越，組織針狀特征明顯，由細針片狀鐵素體和彌散均勻分布的小針片狀、顆粒狀碳化物組成均勻細小的回火屈氏體。經(jīng)扭轉(zhuǎn)測試發(fā)現(xiàn)，如圖10所示，鋼絲斷口特征為平滑斷裂面，斷口平整光亮，斷裂面垂直于線材軸線且斷裂面無明顯裂紋，扭轉(zhuǎn)次數(shù)達到4次后斷裂，符合國標(biāo)GB/T 239.1-2012扭轉(zhuǎn)要求。

圖10 較優(yōu)感應(yīng)回火工藝下的扭轉(zhuǎn)測試斷口

當(dāng)感應(yīng)加熱功率小時回火溫度低，原子的擴散系數(shù)與擴散驅(qū)動力低，回火組織保持原來的淬火態(tài)形貌，少量殘余奧氏體分解且位錯密度較大，加上馬氏體硬且脆和殘余內(nèi)應(yīng)力大，使組織強硬性大而塑韌性小。提高感應(yīng)加熱功率，原子擴散能力提高，馬氏體分解為細針狀鐵素體，脫溶形成的碳化物由粗大馬氏體形態(tài)變?yōu)轭w粒狀、細針狀[16]，殘余內(nèi)應(yīng)力消失，位錯密度減小，使塑韌性變好，從而得到優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。但隨著滲碳體聚集長大和碳原子的脫溶，固溶強化效應(yīng)減小，又導(dǎo)致強度、硬度降低[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)在低溫回火區(qū)間，組織保持淬火態(tài)時，強度下降緩慢，在中高溫回火階段，由于位錯密度大量消失，強度又快速下降[19]

3 結(jié)束語

(1)相同回火溫度下，55SiCr彈簧鋼絲隨收線速度增大，碳化物轉(zhuǎn)變由聚集長大-彌散分布的細針狀、顆粒狀-馬氏體片層態(tài)，鐵素體轉(zhuǎn)變由粗大針片態(tài)-細針狀形貌-馬氏體塊狀、條狀，馬氏體塊特征逐漸清晰、針狀形貌逐漸消失，組織分布由疏松-致密。

(2)油淬火55SiCr彈簧鋼絲在收線速度5 m/min下生產(chǎn)時，強度與塑形匹配良好，表層到心部硬度分布最為均勻。

(4)存在一個較優(yōu)感應(yīng)回火工藝，收線速度、感應(yīng)加熱功率和回火溫度分別為5 m/min、 2.44 kW和460 ℃，使回火后鋼絲組織為細針狀鐵素體和彌散分布的顆粒狀、小針狀碳化物組成的均勻細小的回火屈氏體。感應(yīng)回火后鋼絲的抗拉強度為1864 MPa，位于國標(biāo)中限，屈強比和面縮率分別為0.92和54 %，遠超國標(biāo)要求，表層到心部硬度分布均勻，顯微維氏平均硬度為528 HV，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

(5)較優(yōu)感應(yīng)回火工藝下生產(chǎn)的油淬火55SiCr彈簧鋼絲扭轉(zhuǎn)次數(shù)為4次，斷口平滑無裂紋，滿足扭轉(zhuǎn)性能要求。