汽車螺旋懸架彈簧用鋼55SiCrA組織和性能研究

張博，郭大勇，高航，馬立國，王秉喜（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

研究與開發

汽車螺旋懸架彈簧用鋼55SiCrA組織和性能研究

張博，郭大勇，高航，馬立國，王秉喜
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

采用熱膨脹法結合顯微金相與硬度法，在LINSEIS L78 RITA相變儀上測定了55SiCrA彈簧鋼的臨界點溫度和連續冷卻轉變曲線，研究了冷卻速度對組織和硬度的影響規律。在此基礎上，進行了控軋控冷工業試驗。結果表明，當冷速≤2℃/s時，轉變產物為少量鐵素體、珠光體，珠光體硬度隨冷速增大而增大；當冷速≥5℃/s時，轉變產物為珠光體、馬氏體；當冷速≥20℃/s時，轉變產物為馬氏體，硬度隨冷速增大而增大；現場控軋控冷的試驗鋼抗拉強度達到1 163 MPa，伸長率為13%，面縮率為49%，綜合力學性能良好，滿足了用戶的使用要求。

汽車懸架螺旋彈簧；55SiCrA彈簧鋼；CCT曲線；顯微組織；力學性能

55SiCrA彈簧鋼盤條主要用于生產汽車螺旋懸架彈簧用油淬火回火彈簧鋼絲的原料。大多數用戶在使用55SiCrA彈簧鋼盤條生產油淬火回火彈簧鋼絲時，為了節省能源和降低生產成本，盤條冷拉拔前不進行軟化退火處理直接進行冷拉拔，這就要求彈簧鋼盤條具有良好的組織和優良的綜合力學性能。過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線能精確地反映不同冷卻速度下材料的轉變溫度、轉變時間和轉變量之間的關系，是制定控軋控冷工藝參數和熱處理工藝參數的重要理論依據［1］。本文采用熱膨脹法結合顯微金相與硬度法，在LINSEIS L78 RITA相變儀上測定了55SiCrA彈簧鋼的臨界點溫度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和連續冷卻轉變曲線（CCT），研究了冷卻速度對組織和硬度的影響規律。在此基礎上，進行了控冷工業試驗。

1　過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線

1.1試驗材料和方法

1.1.1試驗材料

試驗材料取自鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產的155 mm×155 mm的連軋坯，其化學成分見表1。測定CCT曲線的試樣尺寸為Φ3 mm×10 mm。

表1　試驗鋼化學成分（質量分數）　%

1.1.2試驗方法

55SiCrA彈簧鋼的相變臨界點溫度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和CCT曲線測定在LINSEIS L78 RITA相變儀上進行。試驗工藝如下：試樣以10℃/s的速率加熱到840℃進行奧氏體化，保溫10 min后，分別以0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s的冷卻速度冷至室溫。

繪制所測試樣在升溫和降溫過程中“溫度-相對膨脹量”曲線，采用切線法結合金相-顯微硬度法確定相變臨界點Ac1、Ac3、Ar1、Ar3（升溫和降溫速率為3℃/min時測定的）和Ms以及不同冷速下相的開始轉變溫度和終止轉變溫度。在溫度-時間（對數）曲線上繪制出55SiCrA的靜態CCT曲線。采用正立式蔡司（Zeiss Imager M1m）光學顯微鏡觀察分析不同冷速下的顯微組織，用日本恒一（FM-7000）顯微維氏硬度計測定不同冷速下試樣的顯微維氏硬度。

1.2試驗結果分析與討論

用LINSEIS L78 RITA相變儀測定55SiCrA彈簧鋼的相變臨界點溫度：Ac1=746℃，Ac3=775℃，Ar1=694℃，Ar3=717℃，Ms=255℃。圖 1為55SiCrA彈簧鋼的靜態CCT曲線，圖中冷速從右至 左 依 次 為 0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s。圖2為典型冷速下的顯微組織。

圖1　試驗鋼靜態CCT曲線

圖2　典型冷速下的顯微組織

由圖1可知，試驗鋼CCT曲線圖中無貝氏體轉變區，僅存在鐵素體析出區、珠光體轉變區和馬氏體轉變區。無貝氏體轉變區的主要原因為試驗鋼中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳鋼中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳化物形成元素Si抑制了貝氏體轉變的發生［2］。當冷速≤2℃/s，過冷奧氏體發生了鐵素體和珠光體轉變，室溫組織為少量鐵素體+珠光體，金相照片如圖2（a）所示；隨著冷速增加，鐵素體轉變開始溫度和珠光體轉變開始溫度均降低。當5℃/s≤冷速≤10℃/s，過冷奧氏體發生珠光體和馬氏體轉變，室溫組織為沿晶產生的屈氏體和組織粗大的馬氏體，金相照片如圖2（b）所示；當冷速≥20℃/s，只發生馬氏體轉變，室溫組織為細小的馬氏體，金相照片如圖2（c）所示。珠光體硬度和馬氏體硬度隨冷速增加而增大。

為了滿足用戶不進行軟化退火熱處理直接進行冷拉拔的要求，盤條的顯微組織應為少量的先共析鐵素體，相對含量低于1.5%，索氏體含量在80%以上，不允許有馬氏體過冷組織［3］。為了獲得上述組織，避免大量屈氏體、粗大珠光體和先共析鐵素體的生成，通過鐵素體和珠光體相變區的冷速宜控制在0.5～1℃/s之間，此時珠光體的顯微硬度在310 HV0.2～330 HV0.2。

2　55SiCrA彈簧鋼盤條控冷工業試驗

2.1控冷工藝方案設計

根據上節研究結果，設計如下控冷工藝方案，見圖3。盤條以T1（840℃～860℃）溫度吐絲后以C1冷速（3～6℃/s）冷卻至珠光體相變開始溫度T2（690～700℃）；在珠光體轉變區以C2冷速（0.5～1℃/s）冷卻至相變結束T3（640～660℃），保證生成大量索氏體組織；索氏體轉變完成后自然冷卻（C3）至室溫。

圖3　試驗鋼盤條控冷工藝

2.2試驗結果分析與討論

盤卷吐絲后冷卻曲線如圖4所示，可以看出，基本實現了工藝的預期設定。

圖4　試驗鋼盤卷吐絲后測定的冷卻曲線

試驗鋼的顯微組織和表面脫碳金相照片如圖5所示，可以看出，組織為鐵素體+珠光體，索氏體化率85%以上；局部輕微部分脫碳，深度30 μm左右。

圖5　試驗鋼盤條顯微組織和表面脫碳

試驗鋼盤條的力學性能如表2所示，可以看出，試驗鋼經過控冷后具有優良的綜合力學性能。

表2　試驗鋼盤條力學性能

從試驗結果來看，在珠光體恒溫轉變區的冷速由于發生相變潛熱沒有達到預期的工藝方案設計，但由于相變前冷速較大使得珠光體轉變開始溫度較低，雖然溫度有所回升，但在9#風機入口至13#風機入口仍主要發生索氏體近似恒溫轉變，生成大量的索氏體組織。從圖5（a）可看出，試驗鋼盤條組織中還存在少量屈氏體組織導致盤條強度和硬度偏高，雖然面縮率較高，但也不利于盤條后續的冷拉拔。下一步在現場通過調整保溫罩的開啟角度和對應風機風冷，控制由于相變潛熱導致的溫度回升，使索氏體恒溫轉變的冷速控制在0.5～1 ℃/s。另外，有必要研究該鋼種的TTT曲線，測定不同溫度恒溫轉變時的珠光體片層間距、硬度和組織的關系，確定發生索氏體轉變的溫度區間。

3　用戶使用情況

經過控軋控冷生產的55SiCrA彈簧鋼盤條經用戶矯直、拋丸除磷后順利通過冷拉拔，熱處理后制成的Φ13 mm油淬火回火彈簧鋼絲經用戶檢驗后，質量和性能滿足要求。此鋼絲已經應用于某品牌車型的懸架彈簧，疲勞壽命等各項指標均滿足技術要求。

4　結論

（1）55SiCrA的Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms溫度分別為746、775、694、717和255℃；當冷速≤2℃/s時，轉變產物為少量鐵素體、珠光體，珠光體硬度隨冷速增大而增大；當冷速≥5℃/s時，轉變產物為珠光體、馬氏體；當冷速≥20℃/s時，轉變產物為馬氏體，硬度隨冷速增大而增大。

（2）現場控軋控冷的試驗鋼盤條抗拉強度達到1 163 MPa，伸長率為13%，面縮率為49%，綜合力學性能良好，滿足了用戶的使用要求。

［1］林慧國，傅代直.鋼的奧氏體轉變曲線［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］劉虎，孔祥華，孫彥輝，等.彈簧鋼55SiCrA過冷奧氏體動態連續冷卻轉變［J］.材料熱處理學報，2011，32（7）：73-77.

［3］李文浩，孔祥華，劉虎，等.彈簧鋼55SiCrA控制冷卻工藝［J］.材料熱處理學報，2013，34（6）：89-93.

（編輯 袁曉青）

Study on Microstructures and Properties of 55SiCrA Steel Used for Coil Springs of Automotive Suspension System

Zhang Bo，Guo Dayong，Gao Hang，Ma Liguo，Wang Bingxi
（Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

By the thermal expansion method，metalloscopy method and hardness method the temperature of the 55SiCrA spring steel at critical points and its continuous cooling transformation curves（CCT）was measured on LINSEIS L78 RITA.The laws of effect of cooling rates on microstructures and hardness of the steel were studied.Based on the studies the industrial test on the thermo mechanical control process（TMCP）was carried out.The test results show that the resultants by transformation include a little bit of ferrite and pearlite as the cooling rate is less than or equal to 2℃/s and the hardness of pearlite increases with the increasement of the cooling rate.But the resultants by transformation turn into martensite and pearlite as the cooling rate is more than or equal to 5℃/s and the resultants by transformation turn into martensite as the cooling rate is more than or equal to 20℃/s and the hardness of martensite increases with the increasement of the cooling rate.The tensile strength of tested steel produced by the TMCP process on site is 1 163 MPa，the elongation rate is 13%and the reduction of area is 49%，all of which means that its comprehensive mechanical properties are good enough to meet the requirements asked by consumers.

coil springs for automotive suspension system；55SiCrA spring steel；CCT curves；microstructures；mechanical properties

TG142

A

1006-4613（2016）04-0035-04

張博，博士，工程師，2012年畢業于北京科技大學鋼鐵冶金專業。E-mail：bozhang918@163.com

2015-10-28