磷含量和回火温度对弹簧钢组织和力学性能的影响

2022-03-25孙国才陈焕德

上海金属 2022年2期

孙国才张宇陈焕德

（江苏省（沙钢）钢铁研究院，江苏张家港 215625）

弹簧钢广泛应用于汽车、火车等交通运输行业。随着汽车的轻量化和火车的不断提速，从节能和经济性出发，要求进一步减轻弹簧的质量。减轻弹簧质量最有效的方法是提高弹簧的设计应力，为此需提高弹簧的抗拉强度［1］。

悬架弹簧通常需要经过拉拔-淬火-回火-卷簧-喷丸等工序，其中回火工艺对弹簧钢的抗拉强度有重要影响，回火温度越低，抗拉强度越高，但塑性降低［2-4］。塑性降低会导致后续卷簧异常断裂。因此需要在保证良好塑性的前提下，提高弹簧钢的抗拉强度，避免回火脆性。低温回火脆性与杂质元素在晶界的偏聚密切相关［5］。本文研究了回火温度对两种磷含量弹簧钢的组织和力学性能的影响，对于制定合理的热处理工艺和开发更高级别的悬架弹簧钢具有重要意义。

1 试验材料及方法

试验用55SiCr弹簧钢采用150 kg真空感应炉冶炼，浇铸成150 kg的钢锭。将钢锭加热到1 050℃保温2 h，然后在往复式轧机上轧成15 mm厚的板材。沿钢板轧制方向切取15 mm×15 mm×150 mm的试件，再加工成M12圆柱体拉伸试样。两种磷含量弹簧钢的化学成分如表1所示。

表1 弹簧钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of spring steels（mass fraction） %

在实验室用马弗炉对试样进行淬火和回火，淬火温度为870℃，保温30 min后油淬；回火温度分别为360、390、420 和450 ℃，保温30 min，水冷。

从热处理后试样上切取金相试样，经砂纸研磨、机械抛光，用体积分数4%的硝酸酒精溶液侵蚀约15 s后，在扫描电子显微镜下观察组织。

在万能材料试验机上对热处理后的试样进行拉伸试验，测量抗拉强度和断面收缩率，并采用扫描电子显微镜观察断口。

2 试验结果

2.1 显微组织

低磷弹簧钢经不同工艺热处理后的显微组织如图1所示。360℃回火的钢黑色回火马氏体基体中析出了白色碳化物（如红色箭头所示），呈片层状。随着回火温度的升高，碳化物形态发生变化，420℃回火的钢中细小的碳化物片层已经部分球化（黄色箭头所示），尺寸较大的碳化物（蓝色箭头所示）仍呈片状；450℃回火的钢中更多细小的碳化物转变为颗粒状，黑色回火马氏体的比例明显增大。这是因为金相试样腐蚀时，碳化物颗粒很容易从基体中脱落，随着回火温度的升高，黑色基体比例也不断增大。

图1 低磷钢不同温度回火后的扫描电子显微镜形貌Fig.1 Scanning electron micrographs of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

高磷弹簧钢经不同工艺热处理后的显微组织如图2所示，其变化规律与低磷钢基本一致。经相同温度回火的2种成分钢的显微组织没有显著差异。

图2 高磷钢不同温度回火后的扫描电子显微镜形貌Fig.2 Scanning electron micrographs of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

2.2 力学性能

2种成分弹簧钢经不同温度回火后的力学性能如图3所示。390～450℃回火时，低磷钢的抗拉强度随回火温度的降低从1 623 MPa升高至1 990 MPa，断面收缩率则从42.5%下降至5.1%；360℃回火的钢抗拉强度和断面收缩率均下降。当回火温度从450℃降低至420℃时，高磷钢的抗拉强度从1 735 MPa升高至1 903 MPa，断面收缩率则从36.3%下降至5.9%；回火温度继续降低至360℃时，钢的抗拉强度和断面收缩率均降低，抗拉强度从1 903 MPa降低至1 032 MPa，断面收缩率从5.9%降为0。在相同温度回火的高磷钢的断面收缩率均低于低磷钢。

图3 回火温度对低磷（a）和高磷（b）钢力学性能的影响Fig.3 Effect of tempering temperature on mechanical properties of the low-phosphorus （a）and high-phosphorus（b）steels

为满足后续加工要求，通常要求热处理后盘条的断面收缩率大于35%。对于低磷钢，420和450℃回火都能满足要求，420℃回火的钢力学性能最优，抗拉强度为1 796 MPa，断面收缩率为40.4%。高磷钢只有在450℃回火才能满足要求，其抗拉强度为1 735 MPa，断面收缩率为36.3%，均低于低磷钢。

2种成分弹簧钢经不同温度回火后的拉伸断口形貌分别如图4和图5所示。可见随着回火温度的降低，2种钢的断裂方式均从韧性断裂逐渐转变为沿晶脆性断裂。450和420℃回火的低磷钢断口存在大量韧窝，韧性断口特征明显；390℃回火的钢断口韧窝数量大幅度减少，出现部分沿晶断裂，但晶界不清晰；360℃回火的钢断口形态呈明显的沿晶界特征，晶界断面清晰平整。高磷钢较低磷钢更容易发生沿晶断裂，420℃回火的钢断口沿晶界特征较明显，随着回火温度的进一步降低，沿晶断裂的比例进一步增加，断口有晶界裂纹。

图4 低磷钢经不同温度回火后的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

3 讨论

在同一温度回火的低磷和高磷钢的组织无显著差异，但两者的拉伸断口形貌差异显著，高磷钢相比低磷钢更容易发生沿晶断裂，断口沿晶界特征更明显。这说明P对弹簧钢淬、回火后的组织无显著影响，但对晶界特征影响较大。钢中S、P、As、Sn等杂质元素在晶界偏聚会引起晶界的脆化［6-7］，其中P在晶界的偏聚是引起晶界脆化的主要原因［8-10］。晶界偏聚的P越多，晶界内聚力降低也越多，当P偏聚到一定量时，晶界成为裂纹扩展阻力最小的路径，就会出现沿晶断裂。

随着回火温度的降低，低磷和高磷钢的拉伸断裂方式都从韧性断裂转变为沿晶脆断，但从韧性断裂转变为脆性断裂的韧-脆转变温度不同。低磷钢在回火温度降低至360℃时才出现明显的沿晶断裂；390～450℃回火都没有出现明显的沿晶断裂（如图4所示）。此时影响力学性能的主要因素是回火马氏体中固溶的碳含量和析出碳化物的形态。随着回火温度的升高，基体中过饱和固溶的碳增加，回火马氏体强度降低，碳化物形态从高密度的片层状逐渐转变为球状（如图1所示），强化作用也不断降低。因此随着回火温度的升高，低磷钢的抗拉强度不断降低，断面收缩率不断提高。450℃回火的高磷钢为韧性断裂，360～420℃回火的钢都存在明显的沿晶断裂（如图5所示），此时晶界强度是决定材料强度的关键因素。根据晶界平衡偏聚理论［5，11］，溶质原子晶界偏聚浓度的计算公式为：

图5 高磷钢经不同温度回火后的拉伸断口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

式中：Cg为溶质原子平衡晶界偏聚浓度；C0为溶质原子基体浓度；ΔU为溶质原子的偏聚自由能；k为波耳兹曼常数；T为绝对温度。

通常C0，Cg≪1，因此式（1）可简化为：

从式（2）可以看出，对于同一个基体，溶质原子的平衡晶界偏聚浓度仅与温度有关，且温度越高，平衡偏聚浓度越低。因此，回火温度越低，晶界偏聚的P越多，晶界内聚力降低也越多，晶界内聚力降低的同时晶界结合力和裂纹沿晶界扩展的能量降低，造成强度和塑性均下降。

低磷钢出现明显沿晶断裂的回火温度为360℃，高磷钢出现明显沿晶断裂的回火温度为420℃；可见P显著提高了弹簧钢的韧-脆转变温度。这是因为在同一温度回火的高磷钢晶界偏聚的P含量显著高于低磷钢，只有提高回火温度降低晶界偏聚程度，才能进一步降低晶界P含量。为避免后续绕簧断裂，必须避免沿晶断裂。P含量高的弹簧钢防止脆性断裂所需的回火温度也越高，而提高回火温度则会降低弹簧钢的抗拉强度。因此控制P含量在较低的水平，是提高弹簧钢抗拉强度的必要条件。