52CrMoV4弹簧钢CCT曲线的测定和分析

万 源，张金鑫，李 泽，刘原博，张增锐

（青岛特殊钢铁有限公司质量检测所，山东 青岛 266409）

1 前言

在汽车、火车等工程机械制造行业中弹簧钢担当着至关重要的角色。弹簧钢由于在工作过程中受力状况复杂，在零件运行过程中需要承担减震、连接、缓冲、储能、支撑、传力以及短时较高突变载荷等各种作用［1］。随着科技的进步和经济的快速发展，人们对于汽车、火车等交通运输工具提出了更高的要求，材料轻量化发展已经成为重要的发展趋势。因此，弹簧钢作为汽车等交通工具的重要零部件，要求在车辆等承载负荷部位需要使用具有高良好的综合机械性能以及较高的抗疲劳功能的弹簧钢［2］，确保乘客在车辆安全行驶前提下提供较好的舒适感受。

52CrMoV4弹簧钢实际生产过程中遇到的突出问题，是由于在轧制过程中冷速控制不稳定、冷却不均匀等问题，造成材料的表面和心部存在薄弱环节，影响钢材的整体性能。因此，通过使用热膨胀相变仪控制钢材的降温冷速，检测52CrMoV4 弹簧钢在不同冷却速率条件下的连续冷却转变曲线（CCT曲线），并通过金相组织观察以及显微硬度值检测结果进行总结，分析钢材在不同的冷却速率的变化，进而得到冷却速率对钢材固态相变的影响规律。对本钢种在生产过程中进行工艺调整提供数据支持，为公司生产工艺优化提供依据［3］。

2 试验部分

2.1 试验材料

选用热轧态52CrMoV4 弹簧钢作为试验材料，其化学成分见表1。

表1 52CrMoV4弹簧钢的主要化学成分（质量分数） %

2.2 试验样品及方案的制定

试验选取样品后经加工制成符合现有设备使用要求的Φ4.0 mm×10.0 mm 规格的52CrMoV4 弹簧钢标准样品进行本次试验研究。对加工完成的52CrMoV4 弹簧钢标准样品依据YB/T 5128—2018《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法（膨胀法）》标准进行CCT热膨胀试验，并结合试验样品的金相组织以及试样的实际变形量而自动绘制的热膨胀曲线，在热膨胀相变仪上进行CCT曲线绘制。

试验采用以20 ℃/s 的速度进行升温处理，升温至860 ℃后保温处理，保温时间为360 s，保温阶段结束后分别采用不同的冷却速率进行试验，并将终止温度设置为降温至20 ℃，详细加热以及冷却速率见表2。对采用不同冷却速率方案进行试验的样品抛光打磨，后对抛光样品通过金相组织观察以及维氏硬度检测工作［4］。最后结合相应的金相组织以及显微硬度绘制出52CrMoV4 弹簧钢的CCT曲线。

表2 52CrMoV4弹簧钢的加热冷却制度

3 结果与讨论

3.1 52CrMoV4弹簧钢的相变临界点

由于钢发生固相转变时，相组织的不同会导致体积发生变化。通常采用热膨胀曲线的拐点确定钢的相转变温度。如图1 所示，0.05 ℃/s，785 ℃和806 ℃两个拐点，结合图1 中0.05 ℃的金相组织进行分析，发现存在珠光体。因此，52CrMoV4弹簧钢的珠光体开始转变温度为806 ℃，结束温度785 ℃。同样在此基础上，按照相同的测试工艺，测出不同冷速的转变温度。

图1 52CrMoV4弹簧钢在0.05 ℃/s条件下热膨胀曲线

3.2 金相组织及变化分析

图2 为不同冷却速率下的金相组织照片。在试验过程中冷却速率达到0.1 ℃/s 及以下时，使用钢材的由于温度变化而产生相变，当冷却速率小于0.1 ℃/s 时，在此过程中随着钢材热处理模拟试验温度的变化由原始组织向珠光体和铁素体发生转变；冷却速率为0.2 ℃/s 时，出现马氏体组织；随着试验方案的变化冷却速率在拟定试验方案的冷却速率下不断升高的过程中，在钢材内部马氏体和贝氏体组织含量也随冷却速率的变化而不断增加，与此同时珠光体和贝氏体组织减少；在冷却速度达到1 ℃/s时，钢材内部铁素体和珠光体组织消失；在冷却速度达到10 ℃/s 以后，贝氏体组织消失，全部转变为马氏体组织。随着冷却速率的增大，由于过冷度随冷速的变快导致相转变的孕育时间逐渐变短，奥氏体的稳定性降低由奥氏体向马氏体发生相转变。当冷却速率为20 ℃/s时，组织全部为马氏体。

图2 52CrMoV4弹簧钢在不同冷却速率

3.3 CCT曲线绘制及分析

试验通过采用切线法进行连续冷却转变曲线的绘制，通过选择膨胀曲线上的曲线变化位置确定不同冷却速率产生的连续冷却转变温度点，同时对试验样品在不同冷却速率下试样的金相组织分析和不同冷却速率下样品的维氏硬度检测数据分析与优化处理。通过分析维氏硬度与冷却速率之间的关系，从而确定冷却速率对维氏硬度的影响。最后根据不同冷却速率下曲线变化以及金相组织进行连续冷却转变曲线绘制，并分别对曲线图内相变点初始点以及终止点进行连接，绘制出52CrMoV4弹簧钢的相变温度Ac1，Ac3，马氏体组织转变开始温度（Ms），并在曲线中标注曲线的冷却速率以及维氏硬度值，最终得到图3所示的CCT曲线［5］。

图3 52CrMoV4钢在不同冷却温度下的CCT曲线

试验所用52CrMoV4弹簧钢在冷却速率不同时而产生的变化曲线进行汇总，最后制成完整的连续冷却转变曲线。随后选择采用切线法对每个温度的热膨胀曲线冷却阶段曲线选取并确定试验钢的临界点（转变温度）。得出该钢加热时马氏体转变结束温度Ms为292 ℃、完全奥氏体化温度Ac3为814 ℃、奥氏体开始转变温度Ac1为765 ℃。

3.4 维氏硬度变化规律

图4 为不同冷却速率下的试样显微硬度值（HV）折线图。在热膨胀试验进行过程中，随着试验冷却速率的增加，试样的显微硬度在一定程度上呈现上升趋势［6］。一方面是因为在冷速较慢的条件下，奥氏体组织向铁素体、珠光体以及少量的贝氏体发生转变。随着冷却速率的增加，珠光体的含量逐渐变少，马氏体数量增多。并且在冷速在5 ℃/s 后，52CrMoV4 弹簧钢的组织主要为马氏体，因此通过显微硬度数据表现为随着冷却速率的变快，试验样品的硬度在随之增加。另一方面，在试验过程中，根据试验方案设置冷却速率的增快，奥氏体的过冷度增加，与此同时在降温冷却速率增加的过程中出现珠光体的层片间距不断减小的现象，因此在显微硬度上也表现为与试验过程中冷却温度的变化成正比趋势［7］。但当经过贝氏体转变临界冷速后，硬度虽继续上升，但增速却呈现下降的趋势［8］。

图4 不同冷却速率显微硬度曲线

4 结语

通过采用不同冷却速率进行热膨胀试验获得热膨胀曲线以及对12 组试样进行金相组织观察，绘制出52CrMoV4弹簧钢的连续冷却转变（CCT）曲线，52CrMoV4 弹簧钢的临界温度为：Ac1为765 ℃，Ac3为814 ℃，Ms为292 ℃。

52CrMoV4弹簧钢不同冷却速率下的金相组织变化如下：当冷却速率小于0.1 ℃/s时，在此过程中的最终得到的组织主要为珠光体和铁素体；冷却速率为0.2 ℃/s时，出现马氏体组织；随着冷却速度增加，马氏体和贝氏体组织含量增加，珠光体和贝氏体组织含量减少；在冷却速度达到1 ℃/s时，铁素体和珠光体组织消失；在冷却速度达到10 ℃/s 以后，贝氏体组织消失，全部转变为马氏体组织。

52CrMoV4 弹簧钢的冷速在0.05～2 ℃/s 时，钢的显微硬度呈现急剧上升阶段，并且组织存在明显的向马氏体转变的过程；当冷速超过5 ℃/s时，钢的硬度和组织变化趋势减缓。