脫碳深度對60Si2CrVAT彈簧鋼疲勞性能的影響

付成輝 馬鳳杰

（江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，淮安223002）

脫碳深度對60Si2CrVAT彈簧鋼疲勞性能的影響

付成輝 馬鳳杰

（江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，淮安223002）

研究60Si2CrVAT彈簧鋼在不同加熱溫度、保溫時間下的脫碳行為。結(jié)果表明，脫碳層厚度隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長而增加。淬火溫度為860℃，保溫時間為40 min時，脫碳層深度為0.06 mm；保溫時間延長至640min時，脫碳層深度增加到0.30 mm。脫碳層厚度加深，則疲勞壽命降低。

彈簧鋼；脫碳深度；疲勞壽命

隨著我國鐵路車輛的提速，特別是貨車向高速、重載方向的發(fā)展［1］，要求進一步延長彈簧的疲勞壽命，提高彈簧鋼的靜撓度及強度，以確保鐵路運輸?shù)母咝Ш桶踩?］。60Si2CrVAT是根據(jù)鐵道部貨車提速要求設(shè)計的高性能彈簧鋼，與GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)中的60Si2CrVA對比，鐵道部用60Si2CrVAT彈簧鋼在化學(xué)成分、力學(xué)性能以及晶粒度、非金屬夾雜等檢驗項目上均提高了要求，具體對比結(jié)果見表1［3］。

表1 鐵道部用60Si2CrVAT彈簧鋼性能要求與GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)中的60Si2CrVA性能對比

疲勞損傷和疲勞斷裂通常是承受交變載荷或隨機變動負荷的彈簧的主要失效形式。引起彈簧疲勞失效的因素很多，主要受到載荷條件、環(huán)境、材料本身缺陷的影響。表面缺陷是影響高強度鋼疲勞性能的主要因素之一［4］。根據(jù)文獻［5］，彈簧鋼材表面脫碳0.1 mm就會使疲勞極限明顯下降，特別是彈簧鋼材表面層出現(xiàn)鐵素體，可降低疲勞極限50%，而且隨著鋼材表面脫碳層深度的增加，疲勞壽命下降。表面磨光材料60Si2CrVA則能夠保證彈簧疲勞壽 命 達 到 100萬 次 以 上［6］。 由 60Si2CrVA和60Si2CrVAT的主要技術(shù)要求可見，60Si2CrVAT更適用于提速用彈簧。本文主要研究60Si2CrVAT的脫碳深度對疲勞性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用彈簧鋼60Si2CrVAT為Φ18 mm熱軋圓鋼，其主要化學(xué)成分列于表2。原材料經(jīng)800℃退火1h后，沿垂直于試驗材料的軸線方向切成厚10 mm的圓片，將端面磨平，制成金相試樣。

表2 60Si2CrVAT彈簧鋼化學(xué)成分（質(zhì)量百分含量）%

1.2 試驗方法

淬火溫度分別在 860、900、950℃，保溫時間為 40、80、160、320、640 min，油冷。 然后從 300號砂紙依次磨至1200號，經(jīng)機械拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，用金相顯微鏡觀察樣品表面脫碳情況。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度、保溫時間對脫碳層深度的影響

脫碳層由組織為鐵素體的完全脫碳層與鐵素體和片狀珠光體混合組織過渡層組成。 脫碳深度是完全脫碳層和過渡層之和，即指最大深度。

60Si2CrVAT彈簧鋼860℃淬火后為淬火馬氏體組 織 。 在 860℃ 分 別 加 熱 保 溫 40、80、160、320、640min油冷后，其表層組織如圖1所示。

圖1 60Si2CrVAT彈簧鋼淬火后表層組織

60Si2CrVAT在860℃加熱40min時，表層已經(jīng)出現(xiàn)了組織為鐵素體的完全脫碳層，隨著加熱時間的延長，脫碳層厚度增加。當(dāng)保溫時間為40min時，脫碳層厚度約為0.06mm，時間延長到640min脫碳層厚度增加到0.30mm。這表明加熱溫度相同時，脫碳深度隨保溫時間的延長而增大。

圖2則為彈簧鋼60Si2CrVAT保溫相同時間，脫碳深度隨淬火溫度變化的情況。

圖2 彈簧鋼60Si2CrVAT保溫相同時間，脫碳深度隨淬火溫度的變化

60Si2CrVAT彈簧鋼在900℃加熱40min時脫碳層厚度約為0.16mm，而在950℃保溫40 min時脫碳層厚度增加到0.20 mm，這說明保溫時間相同，脫碳深度隨加熱溫度的升高而增大。

2.2 理論依據(jù)

所謂脫碳是指彈簧鋼在熱加工或熱處理時，鋼材表面在爐內(nèi)氣氛作用下失去了全部或部分碳，造成鋼材表面的碳含量比內(nèi)部減少的現(xiàn)象。 發(fā)生表面脫碳是由于金屬表面與爐氣間存在著化學(xué)位梯度，奧氏體中的碳擴散控制著脫碳行為。

60Si2CrVAT彈簧鋼含碳量為0.58%，在本試驗條件下，假定碳的擴散系數(shù)不隨其濃度變化，脫碳深度隨加熱溫度和加熱時間的變化可以根據(jù)Fick第二定律進行討論。對于擴散物質(zhì)的濃度隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)擴散，濃度C與距離x、溫度T和時間t的關(guān)系表示為：

式中：D—擴散系數(shù)；D0—擴散常數(shù)，D0=2.0×10-5m2/s；C0—初始濃度]—誤差函數(shù)；Q—擴散激活能，Q=140×103J/mol［7］；R—氣體常數(shù)；T—絕對溫度。

由方程（2）計算可得，860℃和960℃碳的擴散系數(shù)分別為 D860=8×10-6mm2/s和 D950=2.1×10-5mm2/s，相差一個數(shù)量級，因此與860℃相比，950℃加熱時脫碳嚴重。

2.3 脫碳層深度對疲勞性能的影響

圖3為保溫時間與脫碳層厚度之間的關(guān)系。隨著淬火溫度的升高、保溫時間的延長，脫碳層的厚度逐漸加深。從圖中可以看出860℃淬火時完全脫碳層的硬度為250HV，而無脫碳組織的硬度約為550 HV。950℃淬火時完全脫碳層的硬度為150 HV，無脫碳組織的硬度約為500HV。 硬度對彈簧鋼的疲勞性能有著直接的影響，硬度越高，疲勞壽命就越長。距離表面為0.25mm左右時硬度基本達到了無脫碳淬、回火組織硬度。這是由于表面脫碳使表面馬氏體組織碳含量降低，回火后表面硬度將明顯低于心部，表面脫碳層達不到所要求的硬度及強度。 在交變應(yīng)力作用下彈簧截面上的應(yīng)力是沿徑向從中心至表面逐漸增加的，表面所受的載荷最大，故而易產(chǎn)生裂紋，使彈簧過早疲勞失效。另外表面層不同部位淬火時冷卻速度不同，引起應(yīng)力集中，致使部件完全脫碳層與部分脫碳層之間的過渡區(qū)產(chǎn)生微裂紋。這些可見的或不可見的微裂紋成為應(yīng)力集中區(qū)，并作為裂紋繼續(xù)發(fā)展的起源，引起彈簧疲勞失效。

圖3 不同保溫時間的脫碳層深度

由圖3可以看出，保溫時間為 40min時，脫碳厚度最低僅為0.06 mm，已經(jīng)出現(xiàn)完全脫碳層。

60Si2CrVAT彈簧鋼是根據(jù)鐵道部貨車提速要求設(shè)計的，疲勞試驗應(yīng)符合TB/T2211-91《機車車輛圓柱螺旋彈簧疲勞試驗》及運裝貨車［2004］342號文的要求，要求疲勞壽命在500萬次以上。根據(jù)試驗，Φ18mm的60Si2CrVAT彈簧鋼隨著保溫時間的延長，脫碳層厚度加深，疲勞壽命降低。由圖3可知，當(dāng)保溫時間延長至160 min時，脫碳層厚度約0.18 mm，疲勞壽命漸趨于集中。這說明當(dāng)脫碳層達到一定厚度時，脫碳層厚度是影響疲勞壽命的主要因素，其他因素不予考慮時，疲勞壽命比較穩(wěn)定但壽命較短。

3 結(jié) 語

（1）60Si2CrVAT彈簧鋼脫碳深度隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長而加深。

（2）860℃和 960℃碳的擴散系數(shù)分別為 D860=8×10-6mm2/s和 D950=2.1×10-5mm2/s，相差一個數(shù)量級，因此與860℃相比，950℃加熱時脫碳嚴重。

（3）表面脫碳層達不到所要求的硬度及強度，脫碳層厚度加深，疲勞壽命降低。

[1]徐德祥，尹鐘大.高強度彈簧鋼的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].鋼鐵，2004，39(1)： 67-71.

[2]李英,聶愛誠，吳小林，等.淬回火工藝對彈簧鋼60Si2CrVAT力學(xué)性能的影響[J].特殊鋼，2006，27(4)：61-62.

[3]張春紅，黃平惠，田巧麗.60Si2CrVAT彈簧鋼的生產(chǎn)實踐[J].中國冶金，2006，16(7)： 13-15.

[4]田興，黃威.60SiMn和5160H彈簧鋼的脫碳行為[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報，2002，23(2)：66-70.

[5]周盛波，王春祥，鄭春云，等.非金屬夾雜物、脫碳對彈簧疲勞失效的影響[J].一重技術(shù)，2003(3)：37-38.

[6]田中健.原材料對鐵路貨車彈簧疲勞性能的影響[J].機車車輛工藝，2000(5)：9-11.

[7]胡賡祥，錢苗根.金屬學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983：113.

Effect of Practical Decarburized Depth on Fatigue Property of 60Si2CrVAT Spring Steel

FU Cheng-huiMA Feng-jie
(Huaigang Iron and Steel Co.Ltd.,Jiangsu Shagang Group Co.，Huaian 223002)

Decarburation of 60Si2CrVAT spring steel and its effect on fatigue property are studied at different heat treatment temperatures and holding times.The results show that practical decarburized depth is increased with the increase in holding time.When the steel is treated at 860℃ for 40 min，the decarburation depth is 0.06mm.After the holding time prolong to 640min，the decarburation depth increases to 0.30mm.Its fatigue life is reduced remarkablely as the decarburation of 60Si2CrVAT spring steel with a diameter of 18mm reaches 0.2 mm.Fatigue life of spring steel is decreased with the practical decarburized increase.

spring steel；practical decarburized depth；fatigue life

TG113

A

1673-1980（2011）06-0124-03

2011-07-21

付成輝（1970-），男，四川達州人，工程師，研究方向為冶金工程。