分享：淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響

周青松1,2,郝慶國2,楊 旗2,張 柯1,劉 平1

 (1.上海理工大學材料科學與工程學院,上海 200093; 2.上海材料研究所,上海市工程材料應用與評價重點實驗室,上海 200437) 

摘 要:對60Si2Mn彈簧鋼進行了不同淬火溫度(140,160,180 ℃)的淬火分配(Q&P)處理,研 究 Q&P處理后該鋼的顯微組織和力學性能,并與傳統淬火+回火(Q&T)工藝處理后的進行對 比。結果表明:經 Q&P處理后,60Si2Mn彈簧鋼的顯微組織均為殘余奧氏體和馬氏體,殘余奧氏 體的體積分數均大于12%,而經 Q&T 處理后的顯微組織主要為回火屈氏體/回火索氏體;隨著淬 火溫度的升高,Q&P處理后該鋼的強度、硬度降低,斷后伸長率、沖擊功、強塑積增大,并且均明顯 高于 Q&T 處理后的;在變形過程中殘余奧氏體相變誘導塑性效應導致 Q&P處理后彈簧鋼的綜 合性能優于 Q&T 處理后的。 

關鍵詞:60Si2Mn彈簧鋼;淬火分配工藝;殘余奧氏體;力學性能 中圖分類號:TG142.1 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2021)01-0014-06

0 引 言 

目前,我國軌道交通行業中使用的彈條扣件通 常用60Si2Mn彈簧鋼加工而成,該合金普遍采用的 熱處理工藝為淬火+回火(Q&T),其屈服強度和抗 14 周青松,等:淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響 拉強度分別在1300MPa和1500 MPa左右,斷后 伸長率約為10%,基本可以滿足使用要求。但是, 隨著高鐵及城市軌道交通向快速、高頻、重載等方向 的發展,相關部門對彈條扣件的性能提出了更高要 求,不僅要求其具有較高的強度和較好的塑性,同時 要求其具備良好的沖擊性能、耐腐蝕性和更長的使 用壽命。因 此,需 要 采 用 新 的 方 法 來 進 一 步 提 高 60Si2Mn彈簧鋼的綜合性能。 SPEER 等[1-2]于2003年提出了新型淬火分配 (Q&P)工藝,該工藝是將奧氏體化的鋼快速淬冷至 馬氏體轉變溫度區間內并保溫一定時間,得到一定 比例的馬氏體和殘余奧氏體組織,然后在此溫度或 稍高溫度下保溫一定時間使殘余奧氏體富碳,最后 冷卻至室 溫,得 到 馬 氏 體 + 殘 余 奧 氏 體 組 織[3-4]。 Q&P工藝充分利用了碳原子可以由馬氏體擴散到 殘余奧氏體的現象[5-6],使淬火分配過程中殘余奧氏 體富碳并提高其穩定性,從而在室溫下獲得一定量的 馬氏體 和 部 分 殘 余 奧 氏 體 組 織,進 而 提 高 鋼 的 強 度[7-8]。該工藝應用于Si-Mn系鋼時具有獨特優勢, 能夠充分發揮硅和錳元素的作用:硅元素能夠抑制滲 碳體的長大,使碳原子優先擴散到殘余奧氏體中,并 提高奧氏體穩定性;適量的錳元素能夠降低馬氏體的 轉變溫度,提高鋼的淬透性,有利于殘余奧氏體的形 成。綜上可推測,將 Q&P工藝應用于60Si2Mn彈簧 鋼中可提高其強度和抗沖擊性能。 目前,有關 Q&P工藝的研究大多集中在汽車用 第三代先進高強鋼方面[9-14],而在軌道交通商用彈簧 鋼方面的應用卻鮮見報道。因此,作者對高鐵及軌道 交通用60Si2Mn彈簧鋼進行了不同淬火溫度下的 Q&P處理,研究了 Q&P處理后彈簧鋼的顯微組織 與力學性能,分析了殘余奧氏體的變化規律和作用機 制,并與采用傳統淬火+回火(Q&T)工藝處理后的 進行對比。

 1.1 試樣制備 

試驗材料為某廠家生產的熱軋態60Si2Mn商用 彈簧鋼棒,直徑為20mm,化學成分見表1。 按 照 圖1所 示 的 工 藝 進 行Q&P處 理 :將 試 樣 表1 60Si2Mn彈簧鋼的化學成分 質量分數 Table1 Chemicalcompositionof60Si2Mnspring steel massfraction % C Si Mn Cr Fe 0.58 1.73 0.88 0.27 余 加熱到830 ℃ 保溫 20 min,隨后分別在 140,160, 180 ℃的鹽浴爐中保溫3min,接著在410℃的爐中 保溫 5 min,最 后 空 冷 至 室 溫。 將 在 140,160, 180 ℃淬火溫度下 Q&P處理后的試樣分別標記為 QP140試樣、QP160 試 樣 和 QP180 試 樣。將 經 過 傳統淬火 + 回火工藝處理(830 ℃ 保溫 20 min 油 淬,再在460 ℃保溫90min空冷)后的試樣作為對 比試樣,并標記為 QT 試樣。 圖1 Q&P工藝示意 Fig.1 SchematicofQ&Pprocess

1.2 試驗方法

 在不同工藝處理后的試樣上截取金相試樣,經 磨拋,用由4gCuSO4、20mL HCl、20mL H2O 配 制而成的溶液腐蝕后,烘干,用 ZeissAxioImager M2m 型光學顯微鏡觀察顯微組織,在 Quanta400 FEG 型場發射掃描電鏡(SEM)下觀察微觀形貌。 將金相試樣表面拋光至鏡面狀態,在體積比為95∶5 的冰醋酸(CH3COOH)+高氯酸(HClO4)混合溶液 中電解拋光后,采用 ZeissGeminiSEM300型場發 射掃 描 電 子 顯 微 鏡 附 帶 的 電 子 背 散 射 衍 射 儀 (EBSD)觀察殘余奧氏體形貌。 按照 GB/T230.1-2009,采用Zwick8150LK 型 洛氏硬度計,測試試樣的硬度,每個試樣測5個點取 平均值。按照 GB/T228.1-2010,在不同工藝處理 后的試樣上截取拉伸試樣,試樣標距為50 mm,用 Instron5982型電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗, 在工程應變小于2%時,應變速率為0.00025s -1,當 工程應變大于2%時,應變速率為0.00670s -1。按 照 GB/T229-2007加工出 V型缺口標準試樣,并在 TiniusOlsen型沖擊試驗機上進行室溫沖擊試驗。拉 伸和沖擊試驗后,對試樣斷口進行超聲清洗、烘干,利 用 Quanta400FEG 型 場 發 射 掃 描 電 鏡 觀 察 斷 口 形貌。 在拉伸變形前后的試樣表面取樣,磨拋至光亮 無劃痕后,采用 SmartLab型 X 射線衍射儀(XRD) 進行 物 相 分 析,采 用 鈷 靶,Kα 射 線,工 作 電 壓 為 15 周青松,等:淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響 30kV,工作電流為30mA,掃描范圍為40°~130°, 掃描速率為2(°)·min -1,掃描步長為0.02°。 

2 試驗結果與討論

 2.1 顯微組織 

圖2可以看出:在不同淬火溫度下 Q&P 處 理后,試樣的顯微組織均為殘余奧氏體和馬氏體;經 Q&T 處理后的室溫組織為回火屈氏體/回火索氏 體。2種工藝處理后的顯微組織差異明顯,主要體 現在:Q&P工藝下組織中保留了一部分殘余奧氏 體,且與板條狀或針狀馬氏體基體相間分布,Q&T 工藝下馬氏體的板條狀和針狀形態已經基本消失。 由圖3可知,160 ℃淬火溫度下 Q&P處理后, 試樣顯微組織中取向不同的馬氏體相互交織形成細 圖2 不同試樣的顯微組織 Fig 2 Microstructuresofdifferentsamples a QP140sample b QP160sample c QP180sampleand d QTsample 圖3 不同試樣的SEM 形貌 Fig 3 SEM morphologyofdifferentsamples a QP160sample atlowmagnification b QP160sample athighmagnification c QTsample atlowmagnificationand d QTsample athighmagnification 16 周青松,等:淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響 小密集的馬氏體,同時在馬氏體間存在塊狀殘余奧 氏體;Q&T 處理時,淬火后得到的過飽和固溶體經 回火處理后轉變為鐵素體,馬氏體中析出的ε碳化 物不穩定而逐漸轉變為穩定的滲碳體,并以細小顆 粒狀彌散分布在鐵素體基體上,因此經 Q&T 處理 后的組織為回火屈氏體/回火索氏體。 對 QP160試樣進行 EBSD分析,得到試樣的晶 界分布、反極圖、相圖以及圖像質量圖。由圖4可以 看出,QP160試樣中的殘余奧氏體有塊狀、層片狀 和薄膜狀3種形態,3種形態的殘余奧氏體相間分 布在馬氏體基體中。分析相圖后計算得到殘余奧氏 體的體積分數為10.3%。 圖4 QP160試樣的晶界分布、反極圖、相圖及圖像質量圖 Fig 4 Grainboundarydistributionandinversepolefigure a phasemap b andimagequalitymap c ofQP160sample

 2.2 力學性能

由圖5可以看出:QP140、QP160、QP180試樣 的抗拉強度和斷后伸長率均明顯大于 QT 試樣的。 由表2可以看出:隨著淬火溫度的升高,Q&P處理 后試樣的強度、硬度降低,斷后伸長率、斷面收縮率、 沖擊功和強塑積均增大;Q&P處理后試樣的強度、 硬度、強塑積、斷后伸長率和斷面收縮率均明顯大于 QT 試樣的。在拉伸變形過程中,殘余奧氏體會發 生相變誘導塑性(TRIP)效應[15],即在較大的應力 作用下,殘余奧氏體會發生應變誘導馬氏體相變,起 到消除局部應力集中,推遲裂紋形成的作用,從而延 緩裂 紋 的 擴 展,最 終 提 高 鋼 的 強 度 和 塑 性。 因 此 ,彈簧鋼經Q&P處理后其力學性能總體優于經 Q&T處理后的。淬火溫度降低,馬氏體含量增多,導 致鋼的強度增加、塑性下降,因此 QP140試樣具有較 高的強度,而 QP180試樣的塑性較好,強塑積較高。 圖5 不同試樣的拉伸工程應力-應變曲線 Fig.5 Engineeringstress-straincurvesofdifferent samplesduringtensile 表2 不同試樣的力學性能 Table2 Mechanicalpropertiesofdifferentsamples 試樣編號 屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa 斷后伸長率/% 斷面收縮率/% 沖擊功/J 硬度/HRC 強塑積/(MPa·%) QP140 1539 1745 11.0 32 14 50.7 19195 QP160 1484 1689 12.0 32 16 49.1 20268 QP180 1301 1550 15.0 34 23 47.4 23250 QT 1289 1476 9.5 27 12 43.8 14022

 2.3 物相組成 

由圖6可以看出:經標定后 QT 試樣主要出現 鐵素體相和極少量殘余奧氏體的衍射峰;Q&P 處 理試樣在拉伸變形前后出現了馬氏體+殘余奧氏體 的衍射 峰,拉 伸 變 形 前 殘 余 奧 氏 體 (111)、(200)、 (220)和(311)等晶面衍射峰較明顯,而拉伸變形之 后,殘余奧氏體(111)和(200)晶面衍射峰明顯減弱, 而(220)和(311)晶面衍射峰基本消失。采用全譜擬 合法計算得到拉伸變形前 QT 試樣中殘余奧氏體體 積分 數 僅 為 2.42%,QP140 試 樣、QP160 試 樣 和 QP180試樣在拉伸變形前后殘余奧氏體的體積分 數如圖7所示。拉伸變形前,隨著淬火溫度的升高, Q&P處理后試樣中殘余奧氏體體積分數增大。分 析可知:Q&P處理過程中的淬火溫度較低時,冷卻 17 周青松,等:淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響 圖6 拉伸變形前后不同試樣的 XRD譜 Fig 6 XRDpatternsofdifferentsamplesbefore a andafter b tensiledeformation 圖8 不同試樣的拉伸斷口形貌 Fig 8 Tensilefracturemorphologyofdifferentsamples a QP160sample overallmorphology b QP160sample amplicationof fibrouszone c QTsample overallmorphologyand d QTsample amplicationofradiationarea 圖7 計算得到拉伸變形前后不同 QP試樣的殘余奧氏體 體積分數 Fig.7 Volumefractionsofretainedausteniteindifferent QPsamplesbeforeandaftertensiledeformation 速率大,組織 中 的 過 冷 奧 氏 體 絕 大 部 分 轉 變 為 馬 氏體,只有少部分奧氏體保留下來;而當淬火溫度 升高到180 ℃時,冷卻速率降低,組織中保留下來 的殘余奧氏體相對較多。因此 QP140試樣中的殘 余奧氏體含量低于 QP180試樣的。由 XRD 定 量 分析得到的 QP160試樣中殘余奧氏體體積分數高 于由 EBSD掃描得到的,這是由于馬氏體板條之間 存在尺寸在20~100nm 的殘余奧氏體[16-17],無法 通過 EBSD檢測到。拉伸變形后,Q&P處理后試 樣中殘余奧 氏 體 含 量 均 降 低,這 是 由 于 在 變 形 過 程中,殘余奧氏體發生了馬氏體轉變[15]。拉伸變 形后 QP180試樣的殘余奧氏體體積分數下降最明 顯,由變形前的16.67%降低 至 9.55%,說 明 在 變 形過程中 TRIP效應顯著,對塑性的貢獻較大,因 此 QP180試樣的斷后伸長率可達到15%。QP140 試樣和 QP160試樣在變形過程中的 TRIP效應相 對較弱,對塑性的提升作用較小,因此 QP140試樣 和 QP160試樣 的 斷 后 伸 長 率 明 顯 小 于 QP180 試 樣的。

 2.4 拉伸斷口形貌

 由圖8可以看出:QP160試樣的拉伸斷口具有 明顯的纖維區和剪切唇區域,且剪切唇區域所占比 例較大,與拉伸軸呈現出45°角的關系,同時斷口有 明顯的宏觀塑性變形;纖維區存在大量的韌窩。該 試樣的斷裂方式主要為韌性斷裂。QT 試樣拉伸斷 口存在大面積的放射區和較小面積的剪切唇,放射 區表面粗糙,放射棱明顯;放射區存在大量的撕裂棱 和二次 裂 紋。這 說 明 QT 試 樣 偏 向 于 脆 性 斷 裂。 QP160試樣在拉伸變形過程中產生 TRIP效應,同 時殘余奧氏體均勻分布在馬氏體基體中,這兩相在 變形過程中的協調變形能力優于 QT 試樣中鐵素 體/滲碳體的協調變形能力,因此 QP160試樣具有 更好的塑性。 18 周青松,等:淬火分配工藝對60Si2Mn彈簧鋼顯微組織和力學性能的影響 2.5 沖擊斷口形貌 由圖9可以看出:QP160試樣沖擊斷口較粗糙, 存在明顯的放射條紋,放射區存在大量的韌窩,說明 該試樣的斷裂方式主要是韌性斷裂;QT試樣斷口平 坦,有明顯的塊狀臺階,放大后發現大量的撕裂棱和 較多的二次裂紋,同時在一些解理面上還發現河流花 樣存在,說明試樣的斷裂類型屬于典型的脆性斷裂。 與 QT試樣相比,QP160試樣具有更好的韌性。 圖9 不同試樣的沖擊斷口形貌 Fig 9 Impactfracturemorphologyofdifferentsamples a QP160sample overallmorphology b QP160sample amplicationof radiationzone c QTsample overallmorphologyand d QTsample amplicationofbulkstep 

3 結 論 

(1)在不同淬火溫度下 Q&P處理后,60Si2Mn 彈簧鋼顯微組織均為殘余奧氏體和馬氏體,且殘余 奧氏體呈塊狀、層片狀和薄膜狀均勻分布在板條狀 和針狀馬氏體之間,殘余奧氏體的體積分數均大于 12%;經 Q&T 處理后的顯微組織主要為回火屈氏 體/回火索氏體。 (2)淬火溫度由140℃升至180℃時,Q&P處 理后60Si2Mn彈簧鋼的屈服強度由1539MPa下 降到 1301 MPa,抗 拉 強 度 由 1745 MPa下 降 到 1550MPa,硬度由50.7HRC下降到47.4HRC,斷 后伸長率從11%提高到15%,沖擊功由14J提升 到 23 J,強 塑 積 由 19 195 MPa·% 升 高 到 23250MPa·%。Q&P處理后彈簧鋼的綜合性能優 于 Q&T 處理后的。 (3)Q&P處理后60Si2Mn彈簧的拉伸和沖擊 斷口中分布著大量的韌窩,斷裂方式主要為韌性斷 裂;Q&T 處理后彈簧鋼拉伸與沖擊斷口中存在大 量的撕裂棱和二次裂紋,斷裂方式主要為脆性斷裂。 隨著淬火溫度的升高,Q&P 處理后組織中殘余奧 氏體含量增大,在拉伸變形過程中殘余奧氏體產生 了相變誘導塑性效應而導致其強度和塑性提高。 

來源：材料與測試網