高強度彈簧鋼熱處理工藝研究

高蔚

摘 要 高強度彈簧鋼是一種具備良好機械性能的金屬材料。在實際應用過程中，高強度彈簧鋼除需要具備高強度來應對苛刻的工況環境，如何繼續提高機械性能特別是強度，是本文研究的重點和難點。成分優化和熱處理是改進高強度彈簧鋼機械性能的最直接方法，本文通過研究加鉬之后的高強度彈簧鋼的熱處理工藝，最大限度發揮鋼中鉬元素的有益作用，達到最佳合金化效果，獲得機械性能優良的高強度彈簧鋼。研究發現，回火溫度對高強度彈簧鋼抗拉強度的影響最大，回火時間的影響次之，回火溫度越低，回火時間越短，抗拉強度越好。高強度彈簧鋼采用970℃×10min淬火和350℃×0.5h回火工藝制度，抗拉強度達到1755MPa，延伸率達到4.5%。

關鍵詞 彈簧鋼;熱處理;抗拉強度

中圖分類號： TG161? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

AbstractHigh strength spring steel is a kind of good mechanical properties of metallic materials.In practical application high strength spring steel need to have high strength.Composition optimization and heat treatment process are direct method of improved mechanical properties.In this paper，by studying adding Mo and the heat treatment process to obtain the good mechanical properties.The study found that the tempering temperature and tempering time effect on the tensile strength of high strength spring steel is the largest， lower tempering temperature，the shorter the tempering time， the better the tensile strength.By heat treatment process 970℃×10min+350℃×0.5h，the tensile strength of high strength spring steel can reach 1755MPa，ductlity can reach 4.5%.

Key WordsSpring steel;Heat treatment process;Tensile strength

0 前言 高強度彈簧鋼是一種具備良好機械性能的金屬材料。在實際應用過程中，高強度彈簧鋼除需要具備高強度來應對苛刻的工況環境，如何繼續提高機械性能特別是強度，是本文研究的重點和難點。優化成分和熱處理是改進高強度彈簧鋼機械性能的最直接方法，本文通過研究添加鉬之后的高強度彈簧鋼的熱處理工藝，最大限度發揮鋼中鉬元素的有益作用，達到最佳合金化效果，獲得機械性能優良的高強度彈簧鋼。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料是高強度彈簧鋼1爐，高強度彈簧鋼添加強碳化物形成元素鉬，材料化學成分見表1，經精煉重熔、鑄造、鍛造、熱軋、冷軋制成規格為3mm×1200mm×1000mm的鋼冷軋帶材。

1.2 試驗方法

1.2.1 熱處理試驗

將冷軋帶材截成適當尺寸，在其表面涂抹抗氧化涂料進行熱處理。使用SX-G36123型節能箱式電爐進行淬火，淬火冷卻液為普通淬火油，采用井式回火爐進行高溫回火，回火后空冷。

圖1 片狀拉伸試樣圖

1.2.2 機械性能測試

熱處理后將冷軋帶加工成片狀拉伸試樣進行機械性能測試，拉伸試樣如圖1所示。機械性能測試設備為三思縱橫電子拉力試驗機，試驗依據GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》進行。

2 試驗方案

2.1 熱處理正交試驗方案

采用正交試驗法開展熱處理工藝摸底試驗，摸清影響因素的主次關系，同時得到優水平優組合。

高強度彈簧鋼的熱處理工藝路線是淬火+高溫回火，分別開展淬火工藝和回火工藝試驗，選取淬火溫度、淬火時間、回火溫度和回火時間作為正交試驗因素。淬火溫度選取910℃為基準水平，每增加 30℃設置一個水平，設置三個水平。淬火時間選取10min為基準水平，每增加 10min設置一個水平，設置三個水平。回火溫度選取370℃為基準水平，每增加 50℃設置一個水平，設置三個水平。回火時間選取1h為基準水平，每增加 2h設置一個水平，設置三個水平。代入L9（34）正交設計表后得到正交設計表見表2。

3 試驗結果與分析

3.1 正交試驗結果

高強度彈簧鋼經熱處理后測試材料的機械性能，包括抗拉強度和延伸率，具體試驗數據見表3。

由表3可以看到，在所選擇的水平區間內，延伸率可以滿足使用要求，因此接下來主要針對抗拉強度進行數據分析。

3.2 極差分析

為了確定影響因素的先后次序以及各個影響因素的水平大小，以下采用極差分析的方法以抗拉強度為對象進行正交分析。繪制抗拉強度的極差分析表，見表4。

對于高強度彈簧鋼抗拉強度來說，熱處理四個參數對其影響程度從主到次依次為：回火溫度、回火時間、淬火溫度、淬火時間。較優的工藝組合是A3B1C1D1。對于抗拉強度來說，回火溫度和回火時間是比淬火溫度和淬火時間更主要的影響因素。

3.3 方差分析

極差分析不能區分某因素各水平所對應的實驗結果間的差異究竟是由水平改變引起的，還是由實驗誤差引起的，往往分析的結論粗糙一些，而且因素主次關系對于熱處理工藝研究比較重要，因此通過方差分析對其進行驗證。

根據方差分析的計算過程，將正交試驗數據代入計算過程中的各個公式進行計算后的結果列入方差分析表。

從表5可以看出，對于高強度彈簧鋼來說，由FC>FD>FA>FB可以判斷這四個因素對抗拉強度的影響程度依次C>D>A>B，因素C和因素D對抗拉強度有顯著影響，而因素A和因素B相對影響不顯著。以上分析與極差分析一致。

綜合以上分析，方差分析各因素的顯著性同級差分析結果一致，可以證明試驗誤差沒有對試驗結論造成影響，極差分析結果可信。

3.4 水平趨勢分析

合金在正交試驗下的最優熱處理工藝，其水平僅在正交試驗選取的水平范圍內，有一定局限性，通過考察水平的趨勢，探尋在正交試驗中沒有選取而可能更好的水平。淬火工藝沿用正交試驗最優淬火工藝。分析回火溫度和回火時間對抗拉強度的影響規律。通過極差分析k值進行回火溫度和回火時間影響規律分析。

在正交試驗水平區間，回火溫度對抗拉強度有顯著影響，隨著回火溫度的升高抗拉強度顯著降低。隨著回火時間延長抗拉強度降低。因此優化工藝的因素選取原則為在正交試驗最優工藝基礎上，選取稍低的回火溫度和盡可能短的回火時間。

3.5 熱處理優化試驗

參照水平趨勢分析，選擇比正交試驗最優工藝的回火溫度稍低的370℃所處的區間作為重點考察區間，同時選擇比其回火時間1h盡可能短的0.5h所處的區間作為重點考察區間，具體見表6。

在重點考察區間進行試驗，優化效果最好的試驗結果見表7。可以看到回火工藝優化后的抗拉強度全部可以達到1700 MPa之上，最高的可以達到1755MPa，同時延伸率也可以達到4%以上。

3.6 強化機理分析

碳含量對高強度彈簧鋼強度有巨大貢獻，據推算，鐵素體中每溶解1%碳原子，大約相當于強度提高440MPa[1]。如下面公式所示，根據鋼的強化機制，屈服強度由五種強化機制決定，其中碳含量：

σys=σFe+σsss+σL+σppt+σρ

對固溶強化、晶界強化、第二相強化和位錯強化四種強化機制均有重要影響。隨鋼中碳含量的上升，對強度、硬度等提高有利，而對鋼的塑性和韌性不利，因此碳的含量也不能過高，目前已經有許多新研制的高強度彈簧鋼的碳含量上限已達0.80 %甚至更高[2]。

合金經淬火后獲得兩種亞穩相，即馬氏體和殘余奧氏體。這種不穩定性包括碳原子在體心立方馬氏體點陣中的過飽和固溶：馬氏體中位錯或孿生亞結構的應變能;馬氏體板條或片的相界的界面能以及在淬火組織中不可避免地要存在的殘余奧氏體。過飽和固溶的碳原子提供了形成碳化物的驅動力;而不穩定的殘余奧氏體則提供了回火時轉變為鐵素體和滲碳體的驅動力。因此，淬火鋼回火時，進行著馬氏體的分解;滲碳體及特殊碳氮化物的形成及聚集長大。

馬氏體的分解包括碳原子的偏聚，固溶體中合金元素形成預析出物以及碳原子和合金元素向碳化物中的過渡。同時具有體心立方點陣的馬氏體逐步向體心立方的鐵素體轉變，在較高的回火溫度下，合金元素顯著地影響其分解，碳化物形成元素強烈地推遲馬氏體的分解，在含碳化物形成元素的鋼中，這個過程移向比200℃更高的溫度，并且滲碳體型碳化物的形成總在一定溫度下形成，在含強碳化物形成元素的鋼中滲碳體形成速度較慢，這是由于馬氏體中仍然固溶著較多的碳。而形成特殊碳氮化物的鋼，碳從馬氏體中析出溫度將顯著地提高，因此，在合金鋼中馬氏體分解終了有可能延續到300℃。

高強度彈簧鋼淬火后含有或多或少的殘余奧氏體，殘余奧氏體隨淬火加熱時奧氏體中的碳及合金元素的增多而增多，由于鉬元素的加入改變殘余奧氏體分解的溫度、速度，從而殘余奧氏體回火時的轉變隨回火溫度、時間的不同而不同，鉬元素的加入增加了殘余奧氏體量，推遲了奧氏體轉變的孕育期，殘余奧氏體轉變為a相與碳化物的機械混合物，因此可使硬度和強度升高。

4 結論

研究加鉬高強度彈簧鋼的熱處理工藝，發現回火溫度和回火時間是影響抗拉強度的最大因素，回火溫度越低，回火時間越短，抗拉強度越好。

通過熱處理工藝的優化，高強度彈簧鋼可以獲得優良的機械性能。高強度彈簧鋼采用970℃×10min淬火和350℃×0.5h回火工藝制度，抗拉強度達到1755MPa，延伸率達到4.5%。

參考文獻

[1]機械工程手冊編輯委員會，機械工程手冊冊第11篇. 北京：機械工業出版社，2002.

[2]祖榮祥，等.彈簧鋼的合金化研究. 北京：鋼鐵研究學報，第九卷第一期，1997