弹簧钢60Si2Mn脱碳敏感性实验室研究

张晓瑞，汪开忠，尹德福，姜 婷，龚梦强

(马鞍山钢铁股份有限公司技术中心)

脱碳问题一直是困扰线材生产的一大难题，严重影响线材最终成品的使用性能[1]。表面脱碳尤其是全脱碳层超标，对线材的力学性能危害很大，不仅导致强度和硬度降低，最重要的是降低材料的疲劳强度，另外全脱碳层与半脱碳层之间的过渡区域是裂纹敏感区，在交变应力作用下极易形成裂纹导致失效或断裂[2]-[4]。弹簧钢由于碳、硅元素含量较高，在高温下极易产生脱碳，导致其使用寿命明显降低，特别是全脱碳层的出现可使弹簧的疲劳极限降低50%。所以人们都把线材的表面脱碳视为一种缺陷，加以限制或清除[5]。

近年来，随着汽车行业的高速发展，高档汽车用弹簧钢对表面脱碳层的要求越来越高。按照目前国内高速线材的生产装备及工艺流程，线材表面脱碳不可避免[1]，因此研究弹簧钢表面的脱碳行为对高品质汽车用弹簧钢的开发至关重要。本文选用目前用量较大、脱碳控制较难且要求较高的弹簧钢60Si2Mn，研究了其在不同加热温度和不同保温时间下的脱碳敏感性，为高档汽车用弹簧钢线材产品的生产提供一定的理论指导依据。

1 脱碳机理概述

钢在加热过程中，存在氧化和脱碳两个过程，氧化指氧向钢中扩散和钢中的铁向外扩散，铁与氧反应形成氧化铁皮。脱碳则是碳向钢表层扩散后与脱碳气体反应，表层含碳量减少产生的脱碳现象。脱碳能否形成主要取决于氧化速度和脱碳速度二者之间的大小，氧化速度快时表现为表面形成一层氧化铁皮，氧化速度相对慢则只出现脱碳现象[6]-[8]。因为碳从钢中扩散速度较慢，需要一定的时间，所以刚开始脱碳速度相对较小，脱碳层深度随加热温度升高和加热时间的延长而增大，一旦形成脱碳，钢的表面和内部就产生了一定的浓度梯度，扩散速度加快，导致脱碳速度亦增加，脱碳层深度会达到最高点；当温度继续升高，此时氧化现象较为强烈，先期形成的脱碳层被氧化形成一层厚厚的氧化层，脱碳层深度会呈现下降的趋势。

2 实验材料

实验材料的化学成分如表1所示，试样取自热轧材成品，为排除盘条本身脱碳层的影响，保证试样表面不存在对实验结果产生影响的缺陷，选用14 mm规格成品试样车去表面2 mm，直径为10 mm，制成φ10X10 mm的试样。

表1 实验材料的化学成分 wt/%

3 实验方案

模拟试验钢在加热炉中的加热情况，选取750℃到1080℃之间共14个温度，将加工好的试样到温后放入加热炉中，保温一定时间后取出空冷至室温，按照脱碳层金相制备国家标准制备试样，并进行金相分析，按照GB224-78《钢的脱碳层深度测定法》显微组织法测量其脱碳层深度，研究不同加热温度及保温时间下脱碳敏感性。

4 实验结果与讨论

4.1 加热温度对试验钢脱碳的影响

考虑到现场实际生产钢坯在加热炉中的时间，以及防止脱碳尽量避免钢坯在炉时间较长，选用保温40min研究不同加热温度下两种试验钢的脱碳敏感性。图1为试验钢在不同加热温度下脱碳层深度变化曲线。由图可以看出：①总脱碳层深度随加热温度升高逐渐增大，当加热温度为1025℃时，总脱碳层深度达到最大，随加热温度继续升高，总脱碳层深度呈逐渐下降趋势；②全脱碳层深度在770℃-900℃范围内变化较小，基本保持不变，当加热温度高于900℃时，全脱碳层深度随温度升高逐渐降低，故全脱碳层深度的敏感温度为770℃。

4.2 保温时间对试验钢脱碳的影响

试验钢60Si2Mn在950℃加热保温不同时间的脱碳层深度及组织照片如表2和图2所示。由试验结果可知，随保温时间的延长，脱碳层深度明显增加。试验钢在950℃下按工艺一保温即出现了全脱碳层，说明该钢种对脱碳较为敏感。随着保温时间的延长，全脱碳层和总脱碳层深度急速呈倍数增长，且脱碳层中的铁素体组织随保温时间的延长越来越粗大密集。

图1 试验钢60Si2Mn在不同加热温度下的脱碳层深度

图2试验钢60Si2Mn在950℃加热保温不同时间下的脱碳层

4.3 试验结果的讨论

试验钢因硅元素含量较高，碳活度增加，碳扩散的驱动力降低，脱碳敏感性较高[10]。当加热温度较低时，钢表面的氧化速度远远小于碳原子的扩散速度，脱碳速度大，故在低温加热区700℃到770℃脱碳几乎全部是全脱碳层，而且全脱碳深度在770℃到900℃之间没有明显变化，因为在温度低于900℃，钢未完全奥氏体化，位于(γ+α)两相区，碳的体积扩散占优势，形成铁素体全脱碳层，故全脱碳层在900℃时达到最大；当温度高于900℃时，钢内部组织已完全奥氏体化，脱碳仅在表层进行，在已经形成的全脱碳接壤处的奥氏体相转变为珠光体+铁素体相，铁素体沿着珠光体相界析出而成为网络状，全脱碳层变薄，半脱碳层变厚。当温度继续升高，氧化速度较快，钢的表面形成了一层结构比较疏松的氧化膜，此时碳还会与脱碳气体继续反应，当温度超过某个值后，氧化速度将大于脱碳速度，脱碳层深度开始变小，故试验钢60Si2Mn总脱碳层深度在1025℃附近存在峰值。

5 结论

通过研究试验钢在不同加热温度和保温时间下的脱碳行为，得出以下结论：

在相同的加热温度下，随着加热时间的延长全脱碳、总脱碳层均增加显著，在保温较短时间即产生全脱碳。

在相同的保温时间下，弹簧钢60Si2Mn的全脱碳层深度在900℃出现最大值，总脱碳层深度随温度升高先增加后降低，其总脱碳层深度敏感温度为1025℃。

Si可以提高碳在奥氏体中的扩散能力，从而增加脱碳敏感性。故为降低脱碳敏感性，在成分设计过程中应尽量采用低硅、低碳，同时添加铬、钼、钒等碳化物形成元素。

在实际生产中，应快速通过低温和高温敏感区，并且尽可能降低加热温度，缩短保温时间。太高的加热温度虽能一定程度上减轻脱碳，但会造成钢坯氧化烧损严重，晶粒异常粗大，不利于最终线材成品性能，故加热温度最好不要超过1050℃。