汽車螺旋懸架彈簧用鋼55SiCrA組織和性能研究

張博，郭大勇，高航，馬立國，王秉喜（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

研究與開發(fā)

汽車螺旋懸架彈簧用鋼55SiCrA組織和性能研究

張博，郭大勇，高航，馬立國，王秉喜
（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

采用熱膨脹法結(jié)合顯微金相與硬度法，在LINSEIS L78 RITA相變儀上測定了55SiCrA彈簧鋼的臨界點(diǎn)溫度和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，研究了冷卻速度對組織和硬度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控軋控冷工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)冷速≤2℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為少量鐵素體、珠光體，珠光體硬度隨冷速增大而增大；當(dāng)冷速≥5℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體、馬氏體；當(dāng)冷速≥20℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體，硬度隨冷速增大而增大；現(xiàn)場控軋控冷的試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 163 MPa，伸長率為13%，面縮率為49%，綜合力學(xué)性能良好，滿足了用戶的使用要求。

汽車懸架螺旋彈簧；55SiCrA彈簧鋼；CCT曲線；顯微組織；力學(xué)性能

55SiCrA彈簧鋼盤條主要用于生產(chǎn)汽車螺旋懸架彈簧用油淬火回火彈簧鋼絲的原料。大多數(shù)用戶在使用55SiCrA彈簧鋼盤條生產(chǎn)油淬火回火彈簧鋼絲時，為了節(jié)省能源和降低生產(chǎn)成本，盤條冷拉拔前不進(jìn)行軟化退火處理直接進(jìn)行冷拉拔，這就要求彈簧鋼盤條具有良好的組織和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線能精確地反映不同冷卻速度下材料的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系，是制定控軋控冷工藝參數(shù)和熱處理工藝參數(shù)的重要理論依據(jù)［1］。本文采用熱膨脹法結(jié)合顯微金相與硬度法，在LINSEIS L78 RITA相變儀上測定了55SiCrA彈簧鋼的臨界點(diǎn)溫度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT），研究了冷卻速度對組織和硬度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控冷工業(yè)試驗(yàn)。

1　過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

1.1試驗(yàn)材料和方法

1.1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產(chǎn)的155 mm×155 mm的連軋坯，其化學(xué)成分見表1。測定CCT曲線的試樣尺寸為Φ3 mm×10 mm。

表1　試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

1.1.2試驗(yàn)方法

55SiCrA彈簧鋼的相變臨界點(diǎn)溫度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和CCT曲線測定在LINSEIS L78 RITA相變儀上進(jìn)行。試驗(yàn)工藝如下：試樣以10℃/s的速率加熱到840℃進(jìn)行奧氏體化，保溫10 min后，分別以0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s的冷卻速度冷至室溫。

繪制所測試樣在升溫和降溫過程中“溫度-相對膨脹量”曲線，采用切線法結(jié)合金相-顯微硬度法確定相變臨界點(diǎn)Ac1、Ac3、Ar1、Ar3（升溫和降溫速率為3℃/min時測定的）和Ms以及不同冷速下相的開始轉(zhuǎn)變溫度和終止轉(zhuǎn)變溫度。在溫度-時間（對數(shù)）曲線上繪制出55SiCrA的靜態(tài)CCT曲線。采用正立式蔡司（Zeiss Imager M1m）光學(xué)顯微鏡觀察分析不同冷速下的顯微組織，用日本恒一（FM-7000）顯微維氏硬度計測定不同冷速下試樣的顯微維氏硬度。

1.2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

用LINSEIS L78 RITA相變儀測定55SiCrA彈簧鋼的相變臨界點(diǎn)溫度：Ac1=746℃，Ac3=775℃，Ar1=694℃，Ar3=717℃，Ms=255℃。圖 1為55SiCrA彈簧鋼的靜態(tài)CCT曲線，圖中冷速從右至 左 依 次 為 0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s。圖2為典型冷速下的顯微組織。

圖1　試驗(yàn)鋼靜態(tài)CCT曲線

圖2　典型冷速下的顯微組織

由圖1可知，試驗(yàn)鋼CCT曲線圖中無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，僅存在鐵素體析出區(qū)、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。無貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的主要原因?yàn)樵囼?yàn)鋼中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳鋼中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳化物形成元素Si抑制了貝氏體轉(zhuǎn)變的發(fā)生［2］。當(dāng)冷速≤2℃/s，過冷奧氏體發(fā)生了鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，室溫組織為少量鐵素體+珠光體，金相照片如圖2（a）所示；隨著冷速增加，鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度和珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度均降低。當(dāng)5℃/s≤冷速≤10℃/s，過冷奧氏體發(fā)生珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變，室溫組織為沿晶產(chǎn)生的屈氏體和組織粗大的馬氏體，金相照片如圖2（b）所示；當(dāng)冷速≥20℃/s，只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，室溫組織為細(xì)小的馬氏體，金相照片如圖2（c）所示。珠光體硬度和馬氏體硬度隨冷速增加而增大。

為了滿足用戶不進(jìn)行軟化退火熱處理直接進(jìn)行冷拉拔的要求，盤條的顯微組織應(yīng)為少量的先共析鐵素體，相對含量低于1.5%，索氏體含量在80%以上，不允許有馬氏體過冷組織［3］。為了獲得上述組織，避免大量屈氏體、粗大珠光體和先共析鐵素體的生成，通過鐵素體和珠光體相變區(qū)的冷速宜控制在0.5～1℃/s之間，此時珠光體的顯微硬度在310 HV0.2～330 HV0.2。

2　55SiCrA彈簧鋼盤條控冷工業(yè)試驗(yàn)

2.1控冷工藝方案設(shè)計

根據(jù)上節(jié)研究結(jié)果，設(shè)計如下控冷工藝方案，見圖3。盤條以T1（840℃～860℃）溫度吐絲后以C1冷速（3～6℃/s）冷卻至珠光體相變開始溫度T2（690～700℃）；在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以C2冷速（0.5～1℃/s）冷卻至相變結(jié)束T3（640～660℃），保證生成大量索氏體組織；索氏體轉(zhuǎn)變完成后自然冷卻（C3）至室溫。

圖3　試驗(yàn)鋼盤條控冷工藝

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

盤卷吐絲后冷卻曲線如圖4所示，可以看出，基本實(shí)現(xiàn)了工藝的預(yù)期設(shè)定。

圖4　試驗(yàn)鋼盤卷吐絲后測定的冷卻曲線

試驗(yàn)鋼的顯微組織和表面脫碳金相照片如圖5所示，可以看出，組織為鐵素體+珠光體，索氏體化率85%以上；局部輕微部分脫碳，深度30 μm左右。

圖5　試驗(yàn)鋼盤條顯微組織和表面脫碳

試驗(yàn)鋼盤條的力學(xué)性能如表2所示，可以看出，試驗(yàn)鋼經(jīng)過控冷后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

表2　試驗(yàn)鋼盤條力學(xué)性能

從試驗(yàn)結(jié)果來看，在珠光體恒溫轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速由于發(fā)生相變潛熱沒有達(dá)到預(yù)期的工藝方案設(shè)計，但由于相變前冷速較大使得珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度較低，雖然溫度有所回升，但在9#風(fēng)機(jī)入口至13#風(fēng)機(jī)入口仍主要發(fā)生索氏體近似恒溫轉(zhuǎn)變，生成大量的索氏體組織。從圖5（a）可看出，試驗(yàn)鋼盤條組織中還存在少量屈氏體組織導(dǎo)致盤條強(qiáng)度和硬度偏高，雖然面縮率較高，但也不利于盤條后續(xù)的冷拉拔。下一步在現(xiàn)場通過調(diào)整保溫罩的開啟角度和對應(yīng)風(fēng)機(jī)風(fēng)冷，控制由于相變潛熱導(dǎo)致的溫度回升，使索氏體恒溫轉(zhuǎn)變的冷速控制在0.5～1 ℃/s。另外，有必要研究該鋼種的TTT曲線，測定不同溫度恒溫轉(zhuǎn)變時的珠光體片層間距、硬度和組織的關(guān)系，確定發(fā)生索氏體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間。

3　用戶使用情況

經(jīng)過控軋控冷生產(chǎn)的55SiCrA彈簧鋼盤條經(jīng)用戶矯直、拋丸除磷后順利通過冷拉拔，熱處理后制成的Φ13 mm油淬火回火彈簧鋼絲經(jīng)用戶檢驗(yàn)后，質(zhì)量和性能滿足要求。此鋼絲已經(jīng)應(yīng)用于某品牌車型的懸架彈簧，疲勞壽命等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

4　結(jié)論

（1）55SiCrA的Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms溫度分別為746、775、694、717和255℃；當(dāng)冷速≤2℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為少量鐵素體、珠光體，珠光體硬度隨冷速增大而增大；當(dāng)冷速≥5℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體、馬氏體；當(dāng)冷速≥20℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體，硬度隨冷速增大而增大。

（2）現(xiàn)場控軋控冷的試驗(yàn)鋼盤條抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 163 MPa，伸長率為13%，面縮率為49%，綜合力學(xué)性能良好，滿足了用戶的使用要求。

［1］林慧國，傅代直.鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變曲線［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］劉虎，孔祥華，孫彥輝，等.彈簧鋼55SiCrA過冷奧氏體動態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變［J］.材料熱處理學(xué)報，2011，32（7）：73-77.

［3］李文浩，孔祥華，劉虎，等.彈簧鋼55SiCrA控制冷卻工藝［J］.材料熱處理學(xué)報，2013，34（6）：89-93.

（編輯 袁曉青）

Study on Microstructures and Properties of 55SiCrA Steel Used for Coil Springs of Automotive Suspension System

Zhang Bo，Guo Dayong，Gao Hang，Ma Liguo，Wang Bingxi
（Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

By the thermal expansion method，metalloscopy method and hardness method the temperature of the 55SiCrA spring steel at critical points and its continuous cooling transformation curves（CCT）was measured on LINSEIS L78 RITA.The laws of effect of cooling rates on microstructures and hardness of the steel were studied.Based on the studies the industrial test on the thermo mechanical control process（TMCP）was carried out.The test results show that the resultants by transformation include a little bit of ferrite and pearlite as the cooling rate is less than or equal to 2℃/s and the hardness of pearlite increases with the increasement of the cooling rate.But the resultants by transformation turn into martensite and pearlite as the cooling rate is more than or equal to 5℃/s and the resultants by transformation turn into martensite as the cooling rate is more than or equal to 20℃/s and the hardness of martensite increases with the increasement of the cooling rate.The tensile strength of tested steel produced by the TMCP process on site is 1 163 MPa，the elongation rate is 13%and the reduction of area is 49%，all of which means that its comprehensive mechanical properties are good enough to meet the requirements asked by consumers.

coil springs for automotive suspension system；55SiCrA spring steel；CCT curves；microstructures；mechanical properties

TG142

A

1006-4613（2016）04-0035-04

張博，博士，工程師，2012年畢業(yè)于北京科技大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。E-mail：bozhang918@163.com

2015-10-28