60sic2rva弹簧钢的淬火-分配-回转工艺研究

60sic2rva弹簧钢的淬火-分配-回转工艺研究

60sic-rv弹性传统的加热工艺是加热和中温回族。然而，经过处理后，弹簧的耐用性较差，使用过程中容易出现早期故障，降低了车辆的安全性。随着中国铁路向高速任务的发展，对机车弹簧的强耐能力、长调长凳的要求更为高。国内外研究中,人们发现残余奥氏体能有效提高材料的塑性和韧性,JohnG.Speer等人对Mn-Si系Trip钢的研究发现,Si能有效抑制碳化物的析出,提高残余奥氏体的稳定性,并开发了一种新工艺:将含碳的高硅、高铝钢进行淬火后,在Ms附近或较高温度等温,使碳由马氏体分配至残余奥氏体中,提高奥氏体中的碳浓度以稳定残余奥氏体,提高钢的塑性和韧性,即淬火-分配工艺(QuenchingandPartitioning,简记:Q&P);徐祖耀教授在此研究基础上针对超高强度钢提出了淬火-分配-回火(即QPT)工艺。根据Q&P工艺的启发,针对60Si2CrVA弹簧钢中硅含量较高,研发了淬火-等温加回火(Q-I-T)的热处理新工艺,本文针对60Si2CrVA弹簧钢进行了传统工艺和新工艺比较试验,研究了新工艺的显微组织转变过程和形态及各组织的组成比例。1试验与热处理试验用60Si2CrVA弹簧钢化学成分(质量分数,%)为:C0.58,Si1.60,Mn0.56,Cr1.06,V0.14,P0.015,S0.018,Ni0.12,Cu0.17;试验钢经850℃×2h退火后加工成10mm×10mm×40mm的试样。将所有试样放于860℃(AT)箱式炉中保温30min完全奥氏体化后,将试样分为3组,第1组试样进行传统淬火-回火工艺试验;第2组试样按图1新工艺流程进行试验,其中淬火温度(QT)为170℃,等温温度(IT)为300℃,油冷,最后在250、300、350、400和450℃不同温度下回火;为获得170℃淬火马氏体量,第3组试验是奥氏体化后,170℃淬火时分别保持20s和10min后立即放入冰水中冷却,然后进行马氏体量的定量分析。使用SX2箱式电阻炉、等温盐槽等装置进行热处理;用PMG3光学显微镜观察显微组织,用X-射线衍射分析仪测定残余奥氏体量,在FEITecnai-20型电镜上作微观组织和相分析,利用金相定量分析软件测定马氏体组织量。2试验结果与分析2.1热处理对0.4.4马氏体的影响为了获得合适的马氏体含量,该工艺选择170℃作为淬火温度。在淬火后形成了部分马氏体,淬火后形成的马氏体含量可根据Mafee方程按下式计算:fm=1−e−1.10×10−2(Ms−Tq)fm=1-e-1.10×10-2(Μs-Τq)式中:fm为马氏体的体积分数;Ms为马氏体开始转变温度;Tq为指定温度(通常指淬火介质的温度)。其计算结果为53.6%。马氏体的含量主要决定于试样的淬火温度。为了测定170℃淬火时间对马氏体的体积分数和组织形态的影响,将第3组试样加热到860℃,保温30min后立即淬入170℃淬火介质中,分别保持20s和10min后立即放入冰水中冷却,图2(a)、(b)分别为20s和10min的组织形貌。通过定量金相分析软件进行170℃淬火马氏体量的测定,其测定值在53%～56%范围内,与Mafee方程的计算结果(53.6%)基本吻合。结果表明,淬火保持时间对马氏体的体积分数和组织形态无明显影响。试验钢在170℃淬火过程中形成了部分针状和条束状马氏体(深黑色),马氏体形成时,奥氏体被分割成许多较小的、被大角度边界包围的、取向不同的区域,使晶粒得到分割细化;部分未转变的奥氏体在等温过程获得部分过渡形态的条束状贝氏体,随后的冷却过程中也会有少量马氏体形成,其针束的尺寸更细小。2.2实验结果及分析将传统淬火工艺组织和淬火-等温(Q-I)处理后的组织进行对比,其结果见图3,其中图(a)是传统淬火工艺的显微组织,它是由针状余、条束状混合形态的马氏体形貌组成也存在少量残余奥氏体;而经Q-I处理后组织是由针束状马氏体加条束状贝氏体及少量残余奥氏体组成的复相组织,等温阶段形成的贝氏体易被侵蚀,金相照片中显示黑色条束状组织(见图3(b)),并利用定量金相统计分析该贝氏体体积分数为30%～40%,淬火马氏体量为50%～60%,回火后残余奥氏体小于10%。170℃淬火后组织主要是针束状马氏体。根据康沫狂等对淬火合金钢中的残余奥氏体稳定化的研究,等温过程中部分残余奥氏体发生贝氏体转变;在FEITecnai-20型电镜上作TEM分析,Q-I-T新工艺等温过程中形成的贝氏体微观形貌见图4(a),其形态是一种单元特征的无碳化物贝氏体,片条中有多个平行板条,条中有若干个亚单元,单元间由残留奥氏体所分割,据统计分析其条宽度在100～500nm之间,亚单元尺寸在50～250nm之间。由于试验钢中Si元素含量较高,因此抑制了碳化物的析出,在等温阶段碳向奥氏体中扩散形成稳定性较高的高碳残留奥氏体,得到了过渡形态的无碳化物贝氏体。试验钢在等温后的冷却过程残余奥氏体也有部分转变为马氏体;而富集了碳未转变的残余奥氏体则稳定地保留下来,且以薄膜形式分布于马氏体、贝氏体片条之间,其形态和衍射花样见图4(b)、(c)。马氏体片条间一旦出现非均匀的块状残余奥氏体,会降低钢的抗拉强度,当残余奥氏体以薄膜状均匀分布在马氏体间时,抗拉强度则不受残余奥氏体体积分数的影响,有利于提高均匀变形,增加弹簧钢的韧性。2.3低温回转对残余土地碳化物的影响第1组试样经传统淬火-回火工艺处理后,利用X-射线衍射分析仪测定其残余奥氏体量为2.1%;图5为第2组试样经新工艺处理后残余奥氏体量与回火温度之间的关系曲线,在低于300℃回火时残余奥氏体分解不明显,由于该弹簧钢硅元素含量较高,硅能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态,提高钢的回火稳定性,硅元素有效抑制了碳化物析出,故在低温回火时,富碳残余奥氏体仍较稳定;随着回火温度的升高,残余奥氏体稳定性降低,据图5,新工艺350℃回火时残余奥氏体大量分解,400℃回火时残余奥氏体的体积分数下降到2.7%。图6(a)是传统淬火经480℃回火后的显微组织,(b)为Q-I处理后经400℃回火后的组织形貌。可以看出,传统淬火回火组织中碳化物相对较粗大,而新工艺回火后显微组织仍保持原束条组织形貌,回火组织细小均匀,该组织为回火屈氏体+过渡形态的条束状贝氏体+残余奥氏体薄膜+部分细小析出碳化物的复合组织。在新工艺等温阶段富碳未转变的残余奥氏体在400℃回火过程中析出碳化物细小均匀,这样Q-I处理后在回火时不仅消除了内应力,且均匀细小碳化物能有效地钉扎位错,强烈阻碍位错运动,可进一步提高试验钢的屈服强度;另外,由于新工艺回火后试验钢中残余奥氏体以薄膜形式出现,根据文献,薄膜弥散分布的残余奥氏体是提高冲击功的重要原因,从而改善钢的韧性,经夏氏冲击试验验证,冲击吸收能有显著提高。3复相组织的细化1)新工艺第1次淬火后形成的马氏体有效分割了原奥氏体晶粒,使后续等温和冷却过程形成的