磷含量和回火溫度對(duì)彈簧鋼組織和力學(xué)性能的影響

孫國(guó)才 張 宇 陳煥德

（江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇張家港 215625）

彈簧鋼廣泛應(yīng)用于汽車、火車等交通運(yùn)輸行業(yè)。隨著汽車的輕量化和火車的不斷提速，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，要求進(jìn)一步減輕彈簧的質(zhì)量。減輕彈簧質(zhì)量最有效的方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力，為此需提高彈簧的抗拉強(qiáng)度［1］。

懸架彈簧通常需要經(jīng)過(guò)拉拔-淬火-回火-卷簧-噴丸等工序，其中回火工藝對(duì)彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度有重要影響，回火溫度越低，抗拉強(qiáng)度越高，但塑性降低［2-4］。塑性降低會(huì)導(dǎo)致后續(xù)卷簧異常斷裂。因此需要在保證良好塑性的前提下，提高彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度，避免回火脆性。低溫回火脆性與雜質(zhì)元素在晶界的偏聚密切相關(guān)［5］。本文研究了回火溫度對(duì)兩種磷含量彈簧鋼的組織和力學(xué)性能的影響，對(duì)于制定合理的熱處理工藝和開(kāi)發(fā)更高級(jí)別的懸架彈簧鋼具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用55SiCr彈簧鋼采用150 kg真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成150 kg的鋼錠。將鋼錠加熱到1 050℃保溫2 h，然后在往復(fù)式軋機(jī)上軋成15 mm厚的板材。沿鋼板軋制方向切取15 mm×15 mm×150 mm的試件，再加工成M12圓柱體拉伸試樣。兩種磷含量彈簧鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 彈簧鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of spring steels（mass fraction） %

在實(shí)驗(yàn)室用馬弗爐對(duì)試樣進(jìn)行淬火和回火，淬火溫度為870℃，保溫30 min后油淬；回火溫度分別為360、390、420 和450 ℃，保溫30 min，水冷。

從熱處理后試樣上切取金相試樣，經(jīng)砂紙研磨、機(jī)械拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液侵蝕約15 s后，在掃描電子顯微鏡下觀察組織。

在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率，并采用掃描電子顯微鏡觀察斷口。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

低磷彈簧鋼經(jīng)不同工藝熱處理后的顯微組織如圖1所示。360℃回火的鋼黑色回火馬氏體基體中析出了白色碳化物（如紅色箭頭所示），呈片層狀。隨著回火溫度的升高，碳化物形態(tài)發(fā)生變化，420℃回火的鋼中細(xì)小的碳化物片層已經(jīng)部分球化（黃色箭頭所示），尺寸較大的碳化物（藍(lán)色箭頭所示）仍呈片狀；450℃回火的鋼中更多細(xì)小的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，黑色回火馬氏體的比例明顯增大。這是因?yàn)榻鹣嘣嚇痈g時(shí)，碳化物顆粒很容易從基體中脫落，隨著回火溫度的升高，黑色基體比例也不斷增大。

圖1 低磷鋼不同溫度回火后的掃描電子顯微鏡形貌Fig.1 Scanning electron micrographs of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

高磷彈簧鋼經(jīng)不同工藝熱處理后的顯微組織如圖2所示，其變化規(guī)律與低磷鋼基本一致。經(jīng)相同溫度回火的2種成分鋼的顯微組織沒(méi)有顯著差異。

圖2 高磷鋼不同溫度回火后的掃描電子顯微鏡形貌Fig.2 Scanning electron micrographs of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

2.2 力學(xué)性能

2種成分彈簧鋼經(jīng)不同溫度回火后的力學(xué)性能如圖3所示。390～450℃回火時(shí)，低磷鋼的抗拉強(qiáng)度隨回火溫度的降低從1 623 MPa升高至1 990 MPa，斷面收縮率則從42.5%下降至5.1%；360℃回火的鋼抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率均下降。當(dāng)回火溫度從450℃降低至420℃時(shí)，高磷鋼的抗拉強(qiáng)度從1 735 MPa升高至1 903 MPa，斷面收縮率則從36.3%下降至5.9%；回火溫度繼續(xù)降低至360℃時(shí)，鋼的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率均降低，抗拉強(qiáng)度從1 903 MPa降低至1 032 MPa，斷面收縮率從5.9%降為0。在相同溫度回火的高磷鋼的斷面收縮率均低于低磷鋼。

圖3 回火溫度對(duì)低磷（a）和高磷（b）鋼力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of tempering temperature on mechanical properties of the low-phosphorus （a）and high-phosphorus（b）steels

為滿足后續(xù)加工要求，通常要求熱處理后盤(pán)條的斷面收縮率大于35%。對(duì)于低磷鋼，420和450℃回火都能滿足要求，420℃回火的鋼力學(xué)性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度為1 796 MPa，斷面收縮率為40.4%。高磷鋼只有在450℃回火才能滿足要求，其抗拉強(qiáng)度為1 735 MPa，斷面收縮率為36.3%，均低于低磷鋼。

2種成分彈簧鋼經(jīng)不同溫度回火后的拉伸斷口形貌分別如圖4和圖5所示?？梢?jiàn)隨著回火溫度的降低，2種鋼的斷裂方式均從韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Т嘈詳嗔选?50和420℃回火的低磷鋼斷口存在大量韌窩，韌性斷口特征明顯；390℃回火的鋼斷口韌窩數(shù)量大幅度減少，出現(xiàn)部分沿晶斷裂，但晶界不清晰；360℃回火的鋼斷口形態(tài)呈明顯的沿晶界特征，晶界斷面清晰平整。高磷鋼較低磷鋼更容易發(fā)生沿晶斷裂，420℃回火的鋼斷口沿晶界特征較明顯，隨著回火溫度的進(jìn)一步降低，沿晶斷裂的比例進(jìn)一步增加，斷口有晶界裂紋。

圖4 低磷鋼經(jīng)不同溫度回火后的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

3 討論

在同一溫度回火的低磷和高磷鋼的組織無(wú)顯著差異，但兩者的拉伸斷口形貌差異顯著，高磷鋼相比低磷鋼更容易發(fā)生沿晶斷裂，斷口沿晶界特征更明顯。這說(shuō)明P對(duì)彈簧鋼淬、回火后的組織無(wú)顯著影響，但對(duì)晶界特征影響較大。鋼中S、P、As、Sn等雜質(zhì)元素在晶界偏聚會(huì)引起晶界的脆化［6-7］，其中P在晶界的偏聚是引起晶界脆化的主要原因［8-10］。晶界偏聚的P越多，晶界內(nèi)聚力降低也越多，當(dāng)P偏聚到一定量時(shí)，晶界成為裂紋擴(kuò)展阻力最小的路徑，就會(huì)出現(xiàn)沿晶斷裂。

隨著回火溫度的降低，低磷和高磷鋼的拉伸斷裂方式都從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Т鄶?，但從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训捻g-脆轉(zhuǎn)變溫度不同。低磷鋼在回火溫度降低至360℃時(shí)才出現(xiàn)明顯的沿晶斷裂；390～450℃回火都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的沿晶斷裂（如圖4所示）。此時(shí)影響力學(xué)性能的主要因素是回火馬氏體中固溶的碳含量和析出碳化物的形態(tài)。隨著回火溫度的升高，基體中過(guò)飽和固溶的碳增加，回火馬氏體強(qiáng)度降低，碳化物形態(tài)從高密度的片層狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿ㄈ鐖D1所示），強(qiáng)化作用也不斷降低。因此隨著回火溫度的升高，低磷鋼的抗拉強(qiáng)度不斷降低，斷面收縮率不斷提高。450℃回火的高磷鋼為韌性斷裂，360～420℃回火的鋼都存在明顯的沿晶斷裂（如圖5所示），此時(shí)晶界強(qiáng)度是決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。根據(jù)晶界平衡偏聚理論［5，11］，溶質(zhì)原子晶界偏聚濃度的計(jì)算公式為：

圖5 高磷鋼經(jīng)不同溫度回火后的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

式中：Cg為溶質(zhì)原子平衡晶界偏聚濃度；C0為溶質(zhì)原子基體濃度；ΔU為溶質(zhì)原子的偏聚自由能；k為波耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

通常C0，Cg?1，因此式（1）可簡(jiǎn)化為：

從式（2）可以看出，對(duì)于同一個(gè)基體，溶質(zhì)原子的平衡晶界偏聚濃度僅與溫度有關(guān)，且溫度越高，平衡偏聚濃度越低。因此，回火溫度越低，晶界偏聚的P越多，晶界內(nèi)聚力降低也越多，晶界內(nèi)聚力降低的同時(shí)晶界結(jié)合力和裂紋沿晶界擴(kuò)展的能量降低，造成強(qiáng)度和塑性均下降。

低磷鋼出現(xiàn)明顯沿晶斷裂的回火溫度為360℃，高磷鋼出現(xiàn)明顯沿晶斷裂的回火溫度為420℃；可見(jiàn)P顯著提高了彈簧鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。這是因?yàn)樵谕粶囟然鼗鸬母吡卒摼Ы缙鄣腜含量顯著高于低磷鋼，只有提高回火溫度降低晶界偏聚程度，才能進(jìn)一步降低晶界P含量。為避免后續(xù)繞簧斷裂，必須避免沿晶斷裂。P含量高的彈簧鋼防止脆性斷裂所需的回火溫度也越高，而提高回火溫度則會(huì)降低彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度。因此控制P含量在較低的水平，是提高彈簧鋼抗拉強(qiáng)度的必要條件。

4 結(jié)論

（1）磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%的彈簧鋼的最佳回火溫度為420℃，其抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率分別為1 796 MPa和40.4%；磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.041%的彈簧鋼的最佳回火溫度為450℃，其抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率分別為1 735 MPa和36.3%。

（2）隨著回火溫度從450℃降至360℃，彈簧鋼的拉伸斷裂方式從韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐Т嘈詳嗔?；?dāng)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.005%提高至0.041%時(shí)，彈簧鋼發(fā)生韌-脆轉(zhuǎn)變的回火溫度從360℃提高到420℃。高磷彈簧鋼需采用更高的回火溫度以防止脆性斷裂。