65Mn彈簧鋼板水空間歇淬火的組織與性能研究

成 強 鄧 閣 肖留偉

(1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200072；2.上海市建工設(shè)計研究院有限公司，上海 200050； 3.上海拓卡金屬材料有限公司，上海 200050)

長期以來，高強度彈簧鋼板(65Mn，60Si2Mn等)均采用油淬+中溫回火方式進行熱處理[1]。在鋼板彈簧鋼熱處理中一直使用傳統(tǒng)的機油淬火，雖然在某種條件下可以保證板簧的熱處理性能，但也存在許多突出的問題，例如：在淬火過程中油煙很大，產(chǎn)生大量有害氣體，嚴重污染環(huán)境[2]，并危害工人的身體健康；由于機油的反復使用，冷卻能力下降，不能保證淬火后的硬度和淬硬層的深度等。尤其是隨著近年來國家節(jié)能減排力度日益加大，取代機油淬火對節(jié)能減排和降低成本來說都是亟待解決的課題。

國內(nèi)外學者對65Mn材料進行了大量研究：沈陽大學于溫馨[3]和江西長力公司李西平[4]等針對PAG水溶液替代油淬進行了分析研究，同時他們對試樣在不同濃度PAG溶液中的冷卻曲線進行了測量。結(jié)果表明，高濃度PAG溶液的冷卻能力接近油淬。但由于高溫粘附作用會被試樣帶出，濃度處于動態(tài)變化中，處理結(jié)果波動較大，故PAG溶液在使用過程中不夠穩(wěn)定。濟鋼集團李

鄧閣(1985—)，男，助理工程師，碩士，研究方向為機械設(shè)計及熱處理。

肖留偉(1982—)，男，工程師。

春梅等[5～9]通過分析研究油淬過程中65Mn鋼的金相組織變化，改進油淬工藝，以使材料獲得更高性能。同時國內(nèi)外還有采用等溫淬火、鹽浴處理等[10～13]方法對彈簧鋼進行處理，但這些方法都存在一定缺陷而未能全面推廣應用。作為最廉價的淬火介質(zhì)，水具有固液氣三種狀態(tài)，淬火能力具有非常大的波動性，如圖1所示。水霧可調(diào)控性非常之大，通過調(diào)節(jié)水壓、噴射角度等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)任意的冷卻速度，具有廣泛的應用意義[14]。

我們在前人大量工作和自身前期實踐的基礎(chǔ)上，對65Mn彈簧鋼板水(霧)空間歇淬火工藝進行了探索性試驗。

1 實驗材料及實驗結(jié)果

1.1 材料性能測定

試驗用材料成分見表1。利用Jmatpro軟件計算材料CCT和穩(wěn)態(tài)材料組織分布圖，為間歇工藝處理做必要的前期準備，其中65Mn鋼CCT曲線和組織分布如圖2、圖3所示，與前人實驗測量65Mn的CCT[15]結(jié)果吻合。

表1 65Mn材料成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Material compositions of 65Mn steel (mass fration,%)

圖1 零件在噴霧、油、水介質(zhì)中的冷卻曲線Figure 1 The cooling curve of the part in the mediums of spray, oil and water

圖2 65Mn鋼CCT曲線Figure 2 CCT curve of 65Mn steel

圖3 不同溫度下65Mn鋼組織隨溫度變化的比例曲線Figure 3 The ratio curve of 65Mn steel microstructure changed along temperatures under different temperatures

由圖2、圖3可知，為了盡量減少造成試樣性能降低的粗珠光體和先析出鐵素體等組織的析出，應盡可能避開620～780℃區(qū)間，這就需要冷卻速度大于10℃/s。同時，由于材料最優(yōu)組織為屈氏體，故不宜在太高的冷卻速度下冷卻，可通過合理的水空交替淬火冷卻工藝實現(xiàn)這一要求。根據(jù)CCT曲線和組織轉(zhuǎn)變曲線可知，當冷卻速度高于10℃/s時，在MS點以上將不存在其他組織轉(zhuǎn)變，即此速度為臨界速度。為此只要冷卻速度在≥10℃/s的情況下使材料迅速降至屈氏體區(qū)或者下貝氏體區(qū)內(nèi)進行緩慢冷卻，就能得到所需的金相組織。

圖4 初期試驗不同工藝處理下拉伸曲線對比Figure 4 The comparison of tensile curves under different processes treatments of initial test

1.2 力學性能分析

根據(jù)以上理論，我們進行了初步的探索實驗，并對處理后的產(chǎn)品進行了力學性能測試，如圖4所示。

通過力學性能測試發(fā)現(xiàn)，油淬處理材料抗拉強度為1 342.96 MPa，屈服強度約為923.90 MPa，延伸率為6.5%；水空處理試樣抗拉強度約為1 180 MPa， 屈服強度為910.96 MPa，延伸率為11%。油淬和水空處理后材料性能都遠遠高于GB/T 1222—2007中對65Mn鋼的性能要求(抗拉強度Rm≥695 MPa，屈服強度Re≥410 MPa)。相對于油淬而言，間歇淬火處理后材料的塑性更好，約增加一倍，具有更高的屈強比，故綜合性能更好。但是水空間歇淬火抗拉強度約低150 MPa左右，有待進一步的研究和改進提高。

圖5 65Mn鋼油淬處理金相組織Figure 5 The metallographic structure of 65Mn steel after oil quenching

圖6 65Mn鋼水空處理金相組織Figure 6 The metallographic structure of 65Mn steel after water-air treatment

圖7 油淬處理65Mn鋼中產(chǎn)生大塊白色鐵素體Figure 7 Big white ferrite in 65Mn steel occurred in oil quenching treatment

圖8 油淬處理65Mn鋼所生成的上貝氏體 Figure 8 Upper bainite in 65Mn steel occurred in oil quenching treatment

圖9 試樣中索氏體TEM金相和衍射斑點Figure 9 Sorbite TEM metallographic structure and diffraction spots in the specimen

2 實驗結(jié)果分析

力學性能由熱處理后材料所得金相組織決定。水空處理和油淬處理后的金相組織如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可知，與油淬所得組織相比，水空交替淬火得到的屈氏體晶粒更為細小，這也是水空處理試樣塑性提高而強度略微降低的原因所在，進一步調(diào)節(jié)水空工藝可得到強度塑性俱佳的力學性能。由于水淬具有較高的冷卻速度，這有效的避免了油淬中大量鐵素體的生長(圖7)，并避免了上貝氏體的生成(圖8)。但值得注意的是，在油淬金相試樣中發(fā)現(xiàn)存在塊狀未熔游離鐵素體，其形成原因和解決方案需進一步確定。

為了進一步驗證，我們在透射電子顯微鏡下對處理后的試樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)了大量細小的索氏體組織，其TEM金相和衍射半點如圖9所示。

3 結(jié) 論

通過分析65Mn鋼水空間歇淬火后的力學性能和微觀組織，驗證了間歇淬火工藝處理65Mn彈簧鋼板的可行性。實驗結(jié)果表明，經(jīng)間歇淬火處理后的65Mn彈簧鋼板的力學性能得到了大幅度的提升。顯微組織的表征揭示了間歇淬火彈簧鋼性能優(yōu)于油淬處理的三個主要因素：(1)間歇淬火后組織晶粒得到了顯著細化；(2)由于間歇淬火處理具有較高的冷卻速度，避免了晶界部位大量鐵素體的析出。(3)間歇淬火獲得索氏體組織避免了油淬時大量上貝氏體的生成。

間歇淬火處理在獲得不低于油淬處理后65Mn板簧材料的力學性能的同時，替代了機油等淬火介質(zhì)，節(jié)約了能源，減少了污染，改善了工作環(huán)境。

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