幾種高速列車用彈簧鋼的材料性能對比研究

公衍軍，楊 欣，呂士勇，霍艷霞，鄒敏佳

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266109；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007 )

0 引 言

近年來，隨著鐵路車輛的不斷提速，動(dòng)車組的時(shí)速已達(dá)到380 km/h，對車輛零部件的性能提出了新的要求。鐵路提速后要求進(jìn)一步延長車輛用彈簧鋼的壽命，因而彈簧鋼要求有非常高的強(qiáng)度、剛度、疲勞極限以及一定的塑性和韌性。

該文就目前高速列車使用的比較成熟和用量較大的60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4，4種彈簧鋼材料，分析其綜合性能，為制定高速車用彈簧鋼的選材、機(jī)加工藝過程提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用真空感應(yīng)熔煉工藝分別制備出4種試驗(yàn)用鋼，鑄錠經(jīng)1 100 ℃保溫2 h。51CrV4鍛造成φ42 mm的棒料，52CrMoV4鍛造成φ57 mm的棒料，60Si2MnAT鍛造成φ60 mm的棒料，60Si2CrVAT鍛造成φ30 mm的棒料。材料的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 4種彈簧鋼材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of four spring steels

2 材料的相變規(guī)律研究

該部分以51CrV4為例，測出材料的Ac1、Ac3點(diǎn)并結(jié)合金相組織觀察，測定材料的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線和不同冷卻速度下的金相組織，見圖1、圖2。當(dāng)冷卻速度低于0.2 ℃/s時(shí)，組織為灰色珠光體(P)和零星分散在珠光體之間的白色鐵素體(F)；當(dāng)冷速為0.5 ℃/s時(shí)，主要為珠光體，并開始出現(xiàn)藍(lán)色的貝氏體(B)和少量白色馬氏體(M)；當(dāng)冷速為1 ℃/s冷卻時(shí)，珠光體基本消失，主要為黑色的貝氏體和白色的馬氏體；當(dāng)冷速為2 ℃/s時(shí)，貝氏體的含量明顯減少，主要為馬氏體；當(dāng)冷速達(dá)到5 ℃/s以上時(shí)，可獲得完全的M組織。用同樣的辦法測得4種材料的Ac3溫度均在780 ℃以上。

圖1 51CrV4的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Continuous cooling transformation curves of 51CrV4 spring steel

(a)0.05 ℃/s (b)0.5 ℃/s (c)1 ℃/s (d)2 ℃/s (e)5 ℃/s (f)20 ℃/s圖2 51CrV4以不同冷卻速度淬火后的金相組織Fig.2 Metallographic structures of 51CrV4 spring steel after quenching at different cooling rates

3 4種材料奧氏體晶粒長大趨勢對比

分別在4種彈簧鋼材料上切取金相試樣，按照平均截?cái)喾ㄓ?jì)算原奧氏體晶粒度，見圖3。圖中可見合金元素含量較高的51CrV4、52CrMoV4、60Si2CrVAT 3種材料的晶粒度長大趨勢比較接近，在850 ℃左右保溫時(shí)晶粒尺寸約為12 um，晶粒度約為9級；在900 ℃以下保溫時(shí)晶粒度均可達(dá)7級以上，當(dāng)保溫溫度超過950 ℃之后晶粒尺寸明顯長大。而合金元素含量較少的60Si2MnAT材料晶粒尺寸較為粗大，在860 ℃保溫時(shí)晶粒度已經(jīng)<7級，已不能滿足相關(guān)技術(shù)條件的要求。

圖3 4種彈簧鋼材料的奧氏體晶粒長大趨勢Fig.3 Growth trends of austenite grain of four spring steels

4 4種材料脫碳傾向?qū)Ρ?/h2>

分別在4種彈簧鋼材料上取樣，按照鋼的脫碳層深度測定法測量脫碳層，見圖4?？梢钥闯?種彈簧鋼的脫碳層深度均隨著保溫時(shí)間的延長而增加，其脫碳層深度對溫度的敏感性不一。這與他們的化學(xué)成分有關(guān)，51CrV4、52CrMoV4的脫碳傾向較輕，即使在1 050 ℃保溫2 h后其脫碳層厚度也低于150 um；而60Si2CrVAT、60Si2MnAT因其Si含量較高，達(dá)到1.8 %，脫碳傾向較為嚴(yán)重，在850 ℃保溫1 h后其脫碳層厚度約為200 um，且存在較厚的完全脫碳層。

(a)51CrV4

5 結(jié) 語

(1)51CrV4、52CrMoV4、60Si2CrVAT 3種材料的晶粒長大趨勢基本一致，在900 ℃以下保溫時(shí)晶粒度可達(dá)9級左右；60Si2MnAT材料晶粒較為粗大，在850 ℃淬火時(shí)晶粒度已經(jīng)不到7級。

(2)51CrV4、52CrMoV4 2種材料的脫碳傾向較小，在850 ℃保溫1 h后的脫碳層厚度約為20 um，在1 050 ℃保溫2 h的情況下脫碳層厚度仍<150 um；而60Si2CrVAT、60Si2MnAT由于較高的Si含量脫碳傾向較為嚴(yán)重，在850 ℃保溫1 h后的脫碳層約為100 um，在1 050 ℃保溫1 h后脫碳層厚度接近300 um。