熱處理工藝對(duì)52CrMoV4高強(qiáng)度彈簧鋼力學(xué)性能的影響

趙 磊，姜 超，常志遠(yuǎn)，張金鑫，李 澤

（中信泰富青島特殊鋼鐵有限公司中特研究院青鋼分院，山東 青島 266000）

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活條件的改變，人們對(duì)車用材料提出更高的要求。車用材料在保證輕量化的同時(shí)，需要更高的安全性能。52CrMoV4 彈簧鋼作為主要的汽車減振器件，長(zhǎng)期處于受迫振動(dòng)中，對(duì)其彈性極限、強(qiáng)韌性和彈性模量的要求較高。有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)熱處理的方式改變合金內(nèi)奧氏體晶粒的大小和分布，從而提高合金的性能指標(biāo)。隨著合金鋼內(nèi)部奧氏體晶粒細(xì)化，合金鋼的強(qiáng)度和塑性等性能指標(biāo)均隨之升高。本研究通過(guò)不同淬火處理和中溫回火方案對(duì)52CrMoV4 鋼的調(diào)質(zhì)處理，選擇最佳熱處理溫度對(duì)合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究分析，從而根據(jù)最佳熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行工藝優(yōu)化，以滿足所需鋼材的性能要求［1-4］。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

選用52CrMoV4 彈簧鋼作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 52CrMoV4彈簧鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 淬火處理和中溫回火工藝

選取規(guī)格為300 mm×150 mm×200 mm 的熱軋態(tài)52CrMoV4 彈簧鋼進(jìn)行淬火和回火處理。對(duì)52CrMoV4 彈簧鋼進(jìn)行860、880 和900 ℃的淬火處理［5］，加熱時(shí)間為40 min，油淬后進(jìn)行400 ℃回火處理加熱時(shí)間為90 min，保溫冷卻后對(duì)試樣金相組織及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比觀察確定最佳淬火溫度。

選擇最佳淬火溫度后對(duì)52CrMoV4彈簧鋼進(jìn)行380、400、420 ℃的回火處理，加熱時(shí)間為90 min，保溫冷卻后對(duì)試樣金相組織及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比觀察，選擇最佳回火溫度。

采用淬火處理可以獲得少量的貝氏體組織的鋼材。在淬火處理過(guò)程中由于貝氏體中鐵素體和奧氏體保持共格聯(lián)系并沿著母相奧氏體特定的晶面依靠切變而長(zhǎng)大。同時(shí)在進(jìn)行淬火處理的過(guò)程由于加熱溫度不均及冷卻介質(zhì)等原因容易造成鋼材產(chǎn)生殘余應(yīng)力，造成淬火后鋼材發(fā)生變形或開(kāi)裂等缺陷，影響鋼材的正常使用。為了進(jìn)一步提升鋼材的塑性和韌性等性能，在淬火工序完成后必須對(duì)鋼材再次進(jìn)行回火處理，調(diào)整鋼材內(nèi)部組織。同時(shí)通過(guò)控制鋼材冷卻時(shí)間可以在強(qiáng)化合金鋼的同時(shí)，保持其較高的韌性。

基于前期試驗(yàn)得到最佳淬火溫度，研究中溫回火溫度對(duì)材料組織和性能的影響［6］。分別采用380、400、420和440 ℃對(duì)52CrMoV4進(jìn)行熱處理，消除淬火應(yīng)力。通過(guò)獲得回火屈氏體使鋼具有高的彈性極限，以及較高的強(qiáng)度和硬度，良好的塑性和韌性。

3 結(jié)果與討論

3.1 淬火溫度確定

52CrMoV4 彈簧鋼在不同淬火溫度、相同回火溫度下的洛氏硬度值。860、880和900 ℃的洛氏硬度值分別為50.5、50.9 和51.0 HRC?？梢钥闯?，在900 ℃的淬火時(shí)，鋼的硬度值最高。如表2 所示，52CrMoV4彈簧鋼不同淬火溫度下的拉伸數(shù)據(jù)。可以看出，隨著溫度的升高鋼的強(qiáng)度隨之增加，但鋼的伸長(zhǎng)率下降，脆性增大，在一定程度上導(dǎo)致鋼提前失效斷裂，從而導(dǎo)致900 ℃淬火時(shí)力學(xué)性能較880 ℃有所降低。因此在880 ℃的淬火時(shí)，52CrMoV4彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度值最高為1 788 MPa，斷后伸長(zhǎng)率值最小為10%，說(shuō)明塑性下降。

表2 52CrMoV4不同淬火溫度下拉伸性能

3.2 回火溫度的確定

淬火過(guò)程由于加熱溫度不均及冷卻介質(zhì)等原因，容易造成鋼材產(chǎn)生殘余應(yīng)力，造成淬火后鋼材發(fā)生變形或開(kāi)裂等缺陷影響鋼材的正常使用。為了進(jìn)一步提升鋼材的塑性和韌性等性能，在正常試驗(yàn)情況下均采用淬火完成后必須對(duì)鋼材進(jìn)行回火處理?；?80 ℃的力學(xué)性能最佳，選定880 ℃作為淬火溫度，調(diào)控中溫回火工藝。

380、400、420 和440 ℃的硬度值分別為52.1、51.5、50.3 和49.0 HRC?？梢钥闯鲈?80 ℃的回火時(shí)，鋼的硬度值最高。

如表3所示為52CrMoV4彈簧鋼不同回火溫度下的拉伸數(shù)據(jù)。從表3中可以看出，當(dāng)回火溫度為380 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度值最大為1 820 MPa，度隨著回火溫度的不斷升高逐漸降低，而隨著回火溫度的升高斷后伸長(zhǎng)率并無(wú)明顯變化。

表3 52CrMoV4不同回火溫度下拉伸性能

圖1為52CrMoV4彈簧鋼在不同回火溫度下的金相組織。圖1a、b、c、d 分是380、400、420 和440 ℃回火后金相組織?；鼗鸷蠼M織為回火屈氏體。淬火后進(jìn)行回火，馬氏體含量逐漸減少，馬氏體開(kāi)始向回火屈氏體轉(zhuǎn)變，回火屈氏體組織由于其對(duì)鋼材的特殊影響，使鋼材具有良好的彈性性能的同時(shí)兼?zhèn)漭^其他彈簧鋼更好的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)中溫回火對(duì)鋼材進(jìn)行處理后，C 和Mn 等元素從馬氏體中向外擴(kuò)散，在晶界中富集，為奧氏體形核提供位置?；w中的超細(xì)晶鐵素體數(shù)量隨著回火溫度的升高而增加。同時(shí)，在形成回火屈氏體的過(guò)程中，由于鋼材內(nèi)部的碳原子隨著回火溫度的提高不斷向外擴(kuò)散的能力增加，處于過(guò)飽和狀態(tài)的固溶體在回火處理過(guò)程中不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，在滲碳體轉(zhuǎn)變過(guò)程中由亞穩(wěn)定的ε 碳化物逐漸發(fā)生并進(jìn)行穩(wěn)定轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，轉(zhuǎn)變組織與母相失去共格聯(lián)系導(dǎo)致由于淬火處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在轉(zhuǎn)變過(guò)程中大部分消除，最終通過(guò)中溫回火，使鋼材內(nèi)部組織由馬氏體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火屈氏體。其中馬氏體起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、析出的碳化物對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎的作用。超細(xì)晶鐵素體作為軟韌相，并在一定程度上改善鋼的性能特點(diǎn)，使得鋼的硬度和強(qiáng)度下降，塑性和韌性提高。

圖1 52CrMoV4鋼的回火金相組織

結(jié)合以上分析，52CrMoV4彈簧鋼的最佳熱處理工藝為880 ℃和380 ℃，此時(shí)鋼的力學(xué)性能最佳。

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)對(duì)熱軋態(tài)52CrMoV4 彈簧鋼的淬火特性研究，隨著淬火溫度升高，鋼中馬氏體數(shù)量增多，導(dǎo)致硬度數(shù)值得到提高，在880 ℃達(dá)到峰值硬度值達(dá)到最高，后隨溫度上升鋼的伸長(zhǎng)率下降、脆性增大，在一定程度上導(dǎo)致鋼提前失效斷裂導(dǎo)致硬度值下降，隨著溫度提高塑性下降。

4.2 通過(guò)本次試驗(yàn)研究表明，在880 ℃的淬火處理?xiàng)l件下，隨著回火溫度的不斷升高，鋼的回火屈氏體含量增多，合金的強(qiáng)度和硬度下降，塑性和韌性提高。

4.3 在880 ℃的淬火處理和380 ℃的中溫回火條件下，鋼材的綜合性能最好。