50CrVA彈簧鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為研究

趙 陽，江 飛，孫艷姣

(1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.中天鋼鐵集團(tuán)(南通)有限公司，江蘇 南通 226100；3.遼寧省重要技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)基地建設(shè)工程中心，遼寧 沈陽 110168)

在汽車行業(yè)節(jié)能減排、提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的背景下，汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1-3]。汽車零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和采用高強度材料均可減輕汽車車身重量，實現(xiàn)汽車的輕量化。目前，汽車零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已達(dá)到相當(dāng)成熟的設(shè)計水平，進(jìn)一步降低車身重量的空間不大。因此，采用高強度材料應(yīng)用于汽車車身制造是汽車行業(yè)的研究和發(fā)展熱點。

板簧，又稱鋼板彈簧，是汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是傳遞力和力矩、吸收車輛行駛過程中的沖擊載荷，保證車輛行駛中的平順性和舒適性[4]。板簧占汽車總重量的9%左右，減輕板簧重量是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一。相關(guān)研究指出，板簧的重量與設(shè)計應(yīng)力的平方成反比，設(shè)計應(yīng)力越高，板簧的重量就越小[5-6]。而提高制造板簧的彈簧扁鋼的抗拉強度是提高設(shè)計應(yīng)力的主要方法。目前，除了開發(fā)新型的高強度彈簧扁鋼，還可以在不改變已有彈簧鋼成分的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其生產(chǎn)工藝以提高其抗拉強度。

50CrVA鋼是國內(nèi)廣泛采用的彈簧鋼，其具有較高的疲勞強度和沖擊韌性、高淬透性、不易脫碳等優(yōu)點，主要用于生產(chǎn)汽車鋼板彈簧[7-10]。進(jìn)一步提高50CrVA鋼的強度對減輕車身重量、促進(jìn)汽車輕量化意義重大。目前，對50CrVA彈簧鋼的研究主要集中在熱處理工藝的優(yōu)化及其對組織性能的影響[8, 11-13]。例如，王超等[8]研究了回火溫度對50CrVA彈簧鋼組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著回火溫度的升高，50CrVA鋼中的回火索氏體含量逐漸增加，強度和硬度下降，而伸長率和-20 ℃沖擊功逐漸增加。當(dāng)回火溫度為550 ℃時，50CrVA鋼獲得最佳的綜合性能。周蒙蛟[11]等研究了淬火+中溫回火、退火兩種熱處理狀態(tài)下50CrVA鋼超高周疲勞破壞行為及裂紋萌生機理，發(fā)現(xiàn)淬火+中溫回火的50CrVA鋼其疲勞裂紋起源于內(nèi)部的夾雜物，而退火的50CrVA鋼其疲勞裂紋起源于材料的表面或者次表面。劉勇[12]采用正交試驗的方法研究了淬火溫度、淬火保溫時間、回火溫度、回火保溫時間對50CrVA鋼力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)影響該鋼力學(xué)性能的主要因素為回火溫度。劉勇進(jìn)一步指出，當(dāng)淬火溫度為860 ℃，淬火保溫時間為75 min，回火溫度為460 ℃，回火保溫時間為120 min時，50CrVA鋼的力學(xué)性能最佳。上述研究結(jié)果為優(yōu)化50CrVA鋼的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。而關(guān)于50CrVA鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(Continuous cooling transformation, 簡稱CCT)行為的研究并不多見[14-15]。考慮到彈簧鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為對制定熱軋后的冷卻工藝、熱處理工藝具有重要的理論意義和指導(dǎo)價值，為進(jìn)一步挖掘50CrVA彈簧鋼的力學(xué)性能潛力、合理制定的生產(chǎn)工藝，有必要研究其連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為。

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的截面尺寸為20 mm×90 mm的50CrVA彈簧扁鋼，其化學(xué)成分如表1所示。在上述彈簧扁鋼上切取φ3 mm×10 mm的靜態(tài)CCT試樣，并在試樣的一端加工φ2 mm×2 mm的盲孔，以便焊接熱電偶測量試樣的實際溫度。靜態(tài)CCT實驗是在Formastor-FII型相變儀上進(jìn)行的。首先測定50CrVA彈簧鋼的Ac1和Ac3相變點溫度，將相變儀試樣以0.05 ℃/s的速率緩慢升溫，直至奧氏體轉(zhuǎn)變完成。緩慢升溫過程中的膨脹量-溫度曲線如圖1所示，利用切線法確定Ac1和Ac3分別為715 ℃和770 ℃。

表1 50CrVA彈簧鋼的化學(xué)成分 單位：%

圖1 利用切線法確定50CrVA彈簧鋼的相變點

考慮到50CrVA鋼熱處理時的淬火溫度為860 ℃，由此設(shè)定CCT實驗時的奧氏體化溫度為860 ℃。CCT實驗具體的實驗方案如下：首先將試樣以10 ℃/s加熱至860 ℃，保溫10 min后以0.05 ℃/s、0.1 ℃/s、0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s和20 ℃/s的速率冷卻至室溫，并記錄冷卻過程中的膨脹量-溫度曲線，具體的實驗方案示意圖見圖2。

圖2 50CrVA彈簧鋼靜態(tài)CCT實驗方案示意圖

將實驗后的CCT試樣沿軸向切開，經(jīng)研磨、拋光、腐刻(腐刻液為4%硝酸酒精溶液)后，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察。利用宏觀維氏硬度計測量不同冷卻速率下試樣的硬度，最終測量值為5個測量值的平均值。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

圖3為不同冷卻速率下50CrVA彈簧鋼的顯微組織照片。由圖3可知，當(dāng)冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的相變組織為珠光體和鐵素體，且隨著冷卻速率的增加鐵素體晶粒尺寸和珠光體球團(tuán)尺寸減小，鐵素體含量降低、珠光體含量增加。當(dāng)冷卻速率為2～10 ℃/s時，轉(zhuǎn)變組織為貝氏體和馬氏體。在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，隨著冷卻速率的增加，馬氏體含量增加而貝氏體含量降低。當(dāng)冷卻速率為20 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉(zhuǎn)變組織為馬氏體。

(a)0.05 ℃/s;(b)0.1 ℃/s;(c)0.2 ℃/s;(d)0.5 ℃/s;(e)1 ℃/s;(f)2 ℃/s;(g)5 ℃/s;(h)10 ℃/s;(i)20 ℃/s

2.2 宏觀維氏硬度

圖4為50CrVA彈簧鋼的宏觀維氏硬度隨冷卻速率的變化曲線?？梢婋S冷卻速率的增加，50CrVA彈簧鋼的硬度逐漸增加。當(dāng)冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉(zhuǎn)變組織為鐵素體和珠光體，宏觀維氏硬度隨冷卻速率增加而增加幅度并不大。當(dāng)冷卻速率達(dá)到2 ℃/s以上時，50CrVA彈簧鋼的相變組織為貝氏體+馬氏體或者馬氏體，此時隨著冷卻速率的增加，50CrVA鋼的硬度顯著增加。當(dāng)冷卻速率為20 ℃/s時，50CrVA鋼的相變組織為馬氏體，此時硬度達(dá)到最大值，為782 HV。

圖4 50CrVA彈簧鋼的硬度-冷卻速率曲線

2.3 靜態(tài)CCT曲線

依據(jù)各冷卻速率下50CrVA彈簧鋼的膨脹量-溫度曲線，利用切線法可以確定50CrVA鋼的相變開始點和相變結(jié)束點，再結(jié)合圖3中的顯微組織可以確定不同冷卻速率下的相變類型，將具有相同相變類型的開始點和結(jié)束點分別連線，由此可以繪制50CrVA彈簧鋼的靜態(tài)CCT曲線。

圖5為50CrVA彈簧鋼的靜態(tài)CCT曲線，可見在0.05～1.00 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，50CrVA鋼的相變組織為珠光體和鐵素體，且相變開始溫度和相變結(jié)束溫度隨著冷卻速率的增加而降低。還可以看出，當(dāng)50CrVA彈簧鋼從奧氏體區(qū)以不同冷卻速率冷卻時，存在奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變、奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變和奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，且鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)、貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)、馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)是相分離的，這一點與楊棟杰[14]、劉樂樂等[15]的研究結(jié)果是一致的。在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，隨著冷卻速率的增加，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高。造成上述現(xiàn)象的原因是，在該冷卻速率范圍內(nèi)，發(fā)生了貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變，在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中，碳從貝氏體擴散至奧氏體，使得奧氏體中的碳含量增加，因此降低了馬氏體的相變開始溫度。貝氏體含量越高，在隨后的馬氏體轉(zhuǎn)變過程中馬氏體相變開始溫度就越低。由于在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內(nèi)，貝氏體含量隨冷卻速率的增加而降低，因此導(dǎo)致了此冷卻速率范圍內(nèi)馬氏體相變開始溫度隨著冷卻速率的增加而升高。當(dāng)冷卻速率為20 ℃/s時，相變組織全部為馬氏體，說明了50CrVA鋼獲得全馬氏體組織的臨界冷卻速率為20 ℃/s。

圖5 50CrVA彈簧鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

靜態(tài)CCT曲線對于制定50CrVA彈簧鋼的軋后冷卻工藝和熱處理工藝至關(guān)重要。例如，為保證50CrVA彈簧鋼淬火后獲得全部馬氏體組織，應(yīng)保證淬火時的加熱溫度高于Ac3，即770 ℃。為保證板簧生產(chǎn)廠家下料方便，GB/T 1222-2006《彈簧鋼》要求交貨態(tài)的50CrVA彈簧鋼其硬度不能超過321 HBW(換算為328 HV)，對照CCT曲線可知50CrVA彈簧鋼的軋后冷卻速率應(yīng)小于等于0.5 ℃/s。50CrVA彈簧鋼典型的熱處理工藝為淬火+中溫回火，為保證淬火后的組織為馬氏體，由CCT曲線可知油冷淬火時的冷卻速率應(yīng)大于等于20 ℃/s。此外，為了保證淬火過程中馬氏體不發(fā)生回火，淬火油的油溫應(yīng)低于Mf溫度，即淬火油的油溫應(yīng)低于140 ℃。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉(zhuǎn)變組織為珠光體和鐵素體，且隨著冷卻速率的增加，鐵素體晶粒尺寸和珠光體球團(tuán)尺寸減小，鐵素體含量降低、珠光體含量增加。冷卻速率為2～10 ℃/s時，相變組織為貝氏體和馬氏體，且隨著冷卻速率的增加，貝氏體含量降低、馬氏體含量增加。當(dāng)冷卻速率為20 ℃/s時，轉(zhuǎn)變組織全部為馬氏體。

(2)隨著冷卻速率的增加，50CrVA彈簧鋼的宏觀維氏硬度增加。50CrVA彈簧鋼獲得全馬氏體組織的臨界冷卻速率為20 ℃/s。