Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的奥氏体连续冷却转变

闫志波，陈红卫，贺会敏，王向明

(1.石家庄职业技术学院 机电工程系,河北 石家庄 050081；2.河钢集团钢研总院 工艺研究所，河北 石家庄 050020)

60Si2Cr弹簧钢是目前国内主流弹簧钢之一.合理的热处理工艺对弹簧钢内部组织的改善和性能的发挥起着至关重要的作用.CCT曲线(过冷奥氏体连续冷却转变曲线)可以准确地展示不同冷却速度下钢的组织形态和硬度的对应关系，结合不同冷却速度下的显微组织，可以分析得出冷却速度对弹簧钢的组织和性能的影响情况[1].钢的化学成分是影响其CCT曲线形状和临界点的主要因素[2]，适当增加Ni元素、Cu元素、Nb元素在60Si2Cr弹簧钢中的比例，可提高其耐腐蚀性，细化晶粒，能在提高弹簧钢强度的同时降低其对塑性和韧性的影响[3-4].本文通过实验，采用膨胀法和金相-硬度法测定Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的临界点,并绘制出CCT曲线，以得到不同冷却速度下其组织和性能的变化规律，为企业制定合理的生产工艺提供依据.

1 实验材料及方法

1.1 材料及成分

从轧制状态Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr圆钢(Ф13 mm)上取样，并测试其化学成分，结果见表1.

表1 Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的化学成分

1.2 实验方法

用线切割法制备标准实心试样(Ф4×10 mm).在真空状态下，采用DIL805L相变淬火膨胀仪将试样以0.05 ℃/s的加热速度加热到奥氏体化温度，获得临界点Ac1和Ac3；以0.05 ℃/s的冷却速度冷却到室温，获得临界点Ar1和Ar3；以设备极限冷却速度200 ℃/s获得临界点Ms[5].

同样，采用热膨胀法测量试样冷却转变过程中的温度应变膨胀曲线.依据《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法(膨胀法)》(YB/T 5128—1993)，选880 ℃作为奥氏体化温度，以10 ℃/s的速度对试样升温，为了使试样奥氏体化更彻底，设定保温时间为10 min，然后将试样冷却至室温，冷却速度分别为0.05 ℃/s，0.10 ℃/s，0.50 ℃/s，1.00 ℃/s，2.00 ℃/s，3.50 ℃/s，4.50 ℃/s，5.50 ℃/s，6.00 ℃/s，7.50 ℃/s，9.00℃/s，13.00 ℃/s和20.00 ℃/s.同时，自动记录每一种冷却速度下试样膨胀量随时间(温度)的变化情况，得到冷却膨胀曲线.试样冷却后，分别用酚醛树脂热镶，并做好标记，经研磨和抛光后，再用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，制成金相试样，用Imager A1m倒置光学显微镜观察每个金相试样的显微组织，再用显微维氏硬度计测出其维氏硬度值并记录.根据显微组织和维氏硬度值，用切线法得出每个试样的相变起始温度与终止温度，绘制出Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的奥氏体连续冷却转变曲线[6-7].

2 结果分析

2.1 样钢的相变点温度

用切线法测得Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢在加热和冷却过程中相变临界点的温度分别为:Ac1=767 ℃，Ac3=797 ℃，Ar1=713 ℃，Ar3=736 ℃，Ms=245 ℃.根据每种冷却速度的冷却膨胀曲线，用切线法确定每种冷却速度下试样的实际相变温度.不同冷却速度下的相变温度和对应的显微组织情况见表2.

表2 Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢在不同冷却速度下的相变温度及显微组织

注：F为高温铁素体；P为珠光体；M为低温马氏体；/表示没有观察到该组织.

2.2 样钢的CCT曲线

根据表2的数据，在温度-时间对数坐标系上标出不同冷却速度下的相变点温度，然后用Origin8.0软件分别将各冷却速度的相变起始点和相变结束点平滑连接,得到Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的CCT曲线，如图1.各条曲线下端点所标的数值分别为该曲线对应的冷却速度(℃/s)和维氏硬度值(HV30).

从图1可以看出，Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢在不同冷却速度下，奥氏体连续冷却转变过程出现了三个相区：高温铁素体(F)区、珠光体(P)区和低温马氏体(M)区.冷却速度较小时，在冷却过程中沿奥氏体晶界首先共析出铁素体，再析出珠光体，随着冷却速度的增加，铁素体和珠光体的起始转变温度逐渐降低，冷却速度达到2.00 ℃/s 时,铁素体转变温度范围开始变窄，珠光体转变温度范围明显变大；当冷却速度达到和超过3.50 ℃/s时，不再有铁素体析出，珠光体转变温度范围进一步扩大，温度下降到240 ℃左右时，开始转变成马氏体；冷却速度继续增加到6.00 ℃/s时，珠光体转变温度范围逐渐收窄；当冷却速度超过13.00 ℃/s时，珠光体逐渐消失，全部转变成马氏体[8].可以看出，在不同的冷却速度范围内，马氏体的开始转变温度并不平稳，冷却速度较慢的阶段起伏稍大，当冷却速度超过6.00 ℃/s以上时，转变温度趋于稳定.这是由于随着冷却速度的加快，奥氏体过冷度增加，铁素体转变受阻，相变孕育时间变长，铁素体含量下降所致.而随着过冷度的增加，马氏体析出动力增大，开始转变温度升高，马氏体含量也开始增加[9].

图1 Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的CCT曲线

钢中的Si元素会使铁素体产生固溶强化，增加过冷奥氏体的稳定性，并对贝氏体的转变起到显著的抑制作用.Cr元素和Mn元素在钢中形成碳化物的作用较弱，对贝氏体的转变有明显的抑制作用，因此，在整个试验过程没有出现贝氏体转变[10].钢中的Cu元素不但能够起到活化阴极的作用，促使钢阳极发生钝化而减缓大气腐蚀，而且能抵消钢中硫的有害作用.钢中的Ni元素可以有效降低珠光体的转变温度并细化珠光体，使Ms点下降，并对提高钢的强度有一定的作用.Nb是钢中有效的细化晶粒的微合金化元素，微量的Nb元素起固溶强化作用；当Nb以碳化物和氧化物的形式存在时，可以细化晶粒，降低钢的热敏感性及回火脆性，提高强度，并防止晶间腐蚀[11].

2.3 样钢的显微组织

Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢试样轧制状态的显微组织如图2所示，它显示的是较粗大的马氏体+珠光体，且两相组织分布不均匀.

图2 Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的轧态显微组织

样钢经过奥氏体化再以不同的冷却速度冷却后得到的金相组织如图3所示.从图3a-3f可以看出，冷却速度在0.05～2.00 ℃/s时，其金相组织为铁素体+珠光体；随着冷却速度的逐步加快，铁素体和珠光体组织晶粒逐渐细化；冷却速度达到3.50 ℃/s 时，出现马氏体转变，组织中铁素体基本消失，变为少量板条状马氏体+珠光体，如图3e.随着冷却速度的进一步加快，组织中马氏体含量逐渐增多，其形态也由单一细板条逐渐变为板条+针状的混合组织.冷却速度在3.50～13.00 ℃/s时,随着冷却速度的加快，组织中的珠光体迅速减少，这是由于过冷度增大，使珠光体转变区过冷奥氏体中碳原子的扩散速度减慢，珠光体片层间距变小，使珠光体从粗大的片层结构逐渐变为不规则的细片状的缘故[12]，如图3e-3h.当冷却速度达到20.00 ℃/s时，组织中几乎全为马氏体，此时钢的强度和硬度最高，而塑性和韧性则有所降低.

a 0.05 ℃/s； b 0.50 ℃/s； c 1.00 ℃/s； d 2 .00 ℃/s ；e 3.50 ℃/s； f 7.50 ℃/s； g 9.00 ℃/s； h 13.00 ℃/s； i 20.00 ℃/s

2.4 样钢的硬度

样钢的硬度值和冷却速度的对应关系如表3所示.

表3 不同冷却速度下Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的显微硬度

表3表明，样钢的硬度随着冷却速度的加快而逐步提高，冷却速度在0.05～2.00 ℃/s时，硬度值增加较缓慢，HV30仅由284上升到357；冷却速度在2.00～20.00 ℃/s时，硬度值随着冷却速度的加快而迅速上升，由411增加到828.原因在于，冷却速度在较低范围时，样钢的组织为铁素体和珠光体，且各组织含量变化不大；而冷却速度在较高范围内时，样钢的组织主要为珠光体和马氏体，而且马氏体增加较快，这种组织变化使其强度和硬度迅速提高[12]，最后出现部分片状马氏体组织，使其硬度达到最高.

3 结论

(1)Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的相变临界点为:Ac1=767 ℃，Ac3=797 ℃，Ar1=713 ℃，Ar3=736 ℃，Ms=245 ℃.结合实验测定的临界点温度为Ac3，建议生产中钢的终轧温度不低于820 ℃.

(2) Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的CCT图上只有铁素体区、珠光体区和马氏体区，没有贝氏体区.冷却速度在0.05～3.50 ℃/s内会产生铁素体和珠光体；冷却速度高于3.50 ℃/s时，会发生马氏体转变；冷却速度达到20.00 ℃/s时，全部转变为马氏体组织，HV30硬度值可达828.

(3) Ni-Cu-Nb复合60Si2Cr弹簧钢的显微组织随着冷却速度的增加而逐步细化，硬度逐渐提高.钢在热处理淬火时，应采用较高的冷却速度，以获得良好的组织性能.