高性能鋼的熱處理工藝分析

竇小鵬

摘要：高性能鋼鐵材料能夠滿足當前社會工業產業高速發展要求，而它所涉及的技術處理內容也愈加豐富，這其中就包括了熱處理工藝技術。熱處理本身能夠改變鋼鐵材料的內部顯微組織，進而改善鋼的性能以滿足實際需要。在本文中主要以60Si2CrVAT彈簧鋼組織為例探討了它的基本性能與相關熱處理工藝技術。

關鍵詞：彈簧鋼組織;高性能;性能要求;熱處理工藝

0 ?引言

針對金屬的熱處理就是根據金屬或合金在固態狀態下的組織進行轉變調整，將金屬材料加熱到一定溫度，并在保溫一段時間后以相對合適的方式冷卻金屬材料。在熱處理過程中，金屬材料內部組織發生變化，材料性能得以優化。就鋼組織材料而言，它的內部組織結構會發生以下幾種變化：第一，鋼的機械性能顯著提高，延長了它的使用時間;第二，消除了鋼在熱加工過程中所可能存在的各種缺陷問題，同時可滿足晶粒細化、組織均勻性提升要求;第三，可輔助機械零件加工工作優化展開;第四，確保工件表面的抗磨損與耐腐蝕性能提升，具有特殊物理化學性能。

1 ?彈簧鋼組織的基本性能要求

彈簧鋼屬于高性能鋼，它專門用于制造彈簧與彈性元件，可在扭轉、彎曲等周期性交變力作用下正常工作，在一般工作環境中更需要承受瞬時突然加入的高載荷作用力，它目前被廣泛應用于汽車、鐵道車輛以及航空飛機等等交通運輸行業產業中。目前我國客運專線列車與汽車的輕量化發展趨勢已經愈發明顯，針對車輛零配件的技術品質要求也越來越高，因此它就要求所采用到的彈簧鋼材料必須擁有更高的耐疲勞強度、抗拉伸強度等等優質化性能，有效滿足車輛質量要求。但是，由于我國在彈簧鋼生產方面的技術不夠成熟，所生產出的彈簧鋼產品質量參差不齊，這也導致它依然無法有效配合車輛優質化生產過程。

本文中將要提到的60SiCrVAT彈簧鋼屬于鐵路專用高性能鋼，這種鋼材料擁有專門的轉向架圓柱螺旋彈簧高性能，可根據我國鐵道部貨車提速要求進行設計。但是由于轉向架在長期沖擊、交變與突變載荷作用下是容易出現疲勞鍛煉問題的，因此它還需要采用相對合適且穩定的熱處理工藝進行二度加工，提高60SiCrVAT彈簧鋼的整體品質與工作質量。

針對彈簧鋼的性能要求方面，需要它具有較高的抗拉強度、硬度、塑形與較強的彈性極限，保證彈簧在交叉應力與相對嚴苛的條件下依然能夠正常服役。采用熱加工處理工藝也能有效提升疲勞極限與抗彈性減退能力，令其能夠在低溫條件、高溫條件中也能擁有較好的耐受性能，且對它的淬透性也推出了較高要求，保證做到熱處理、抗腐蝕性以及抗氧化性優化。

2 ?60SiCrVAT彈簧鋼的熱處理工藝與性能影響研究

針對60SiCrVAT彈簧鋼組織的熱處理工藝一般會對彈簧鋼的力學性能產生重要影響，它也是彈簧鋼的關鍵生產工藝之一。目前比較常見的彈簧鋼熱處理工藝主要為回火，它也是熱處理的最后一道工序，可實現對鋼材料組織與性能的有效影響。考慮到60SiCrVAT彈簧鋼為我國鐵道部指定的提速列車轉向架專用高性能鋼，對列車提速與安全穩定性提升非常有幫助，因此需要對60SiCrVAT彈簧鋼原鋼組織結構的強度不穩定、塑性偏差、易于產生疲勞斷裂等等問題進行處理調整，保證其能夠符合國家規定性能指標，合理化規避彈簧失效問題。針對這一點，對60SiCrVAT彈簧鋼的熱處理工藝操作應當圍繞改變熱處理工藝中的回火溫度為根本，深度研究鋼組織的內部變化、表面脫碳與非金屬夾雜物相關問題，對彈簧鋼的硬度變化規律進行分析，例如分析它的抗拉強度與斷面收縮率不達標等等問題，實現對生產工藝的有效改善[1]。

3 ?60SiCrVAT彈簧鋼的熱處理工藝試驗分析

3.1 試驗過程

針對60SiCrVAT彈簧鋼的熱處理工藝試驗過需要采用到規格直徑為？覫12.5～13.5mm的鋼棒，它的主要化學成分應該如表1。

該試驗過程參考我國的《鋼中廢金屬夾雜物含量的測定方法》標準展開測定過程。首先從彈簧鋼棒上截取相應試樣，在磨制拋光后采用金相顯微鏡評定試驗鋼中的夾雜物具體等級。然后通過《金屬材料拉伸試驗》中的室溫試驗方法進行拉伸試驗分析。一般來說，試驗過程中保證退火溫度在730℃，淬火溫度保證在920～930℃，冷卻方式采用油冷方式，回火溫度控制在510～620℃左右，始終保持線速度在7m/min左右。試驗中提取彈簧鋼棒配合電子顯微鏡對其表面中心組織變化與表面脫碳情況進行分析，例如可采用金相法對其脫碳層深度進行測量。在電子顯微鏡下可觀察到其端口處應該存在夾雜物與斷裂情況[2]。

3.2 試驗結果

對60SiCrVAT彈簧鋼試驗鋼結果進行分析，主要分析它的力學性能，在熱處理工藝應用下對試樣表面到中心的硬度變化進行分析，如圖1。

對60SiCrVAT彈簧鋼采用了3種熱處理工藝，分別觀察不同處理工藝背景下試樣從表面到中心的硬度變化狀況。結合圖1可以看到，在回火溫度逐漸提升的過程中，鋼組織試樣的硬度也在逐漸下降，且試樣最表層與中心附近的硬度變化差別較大。結合3種工藝進行逐一分析，工藝1試樣中的最表層硬度最高達到381.13MPa，它的中心附近硬度平均可達到540～560MPa左右，另外1/2半徑位置到中心的試樣硬度也有大幅度下降。

再看工藝2，工藝2中鋼組織試樣中的最表層硬度可達到253.36MPa，中心附近硬度平均可達到520MPa左右。

工藝3中鋼組織試樣中的最表層硬度可達到279.79MPa，中心附近硬度平均可達到500MPa左右。綜上所述，上述3種熱處理工藝是都存在脫碳層的，且脫碳過程中鋼組織結構的表層硬度會大幅度下降[3]。

在上述3種工藝試驗應用背景下，60SiCrVAT彈簧鋼的組織結構硬度發生變化，由此可大概測量出脫碳層大小，其中像工藝2、3的試樣中1/2半徑到中心附近的硬度相對較為均勻，這也說明1/2半徑到中心附近的組織也是比較均勻的，且3種熱處理工藝背景下試樣的斷面收縮率與抗拉強度也會發生變化。由此可以判斷伴隨著回火溫度的逐漸提升，60SiCrVAT彈簧鋼試樣的抗拉強度是會逐漸下降的，而其斷面收縮率可通過上述3種熱處理工藝進行調校，但暫時無法確定其變化規律，需要進行進一步的試驗分析才可能獲得結果。總結來講，3種熱處理工藝針對60SiCrVAT彈簧鋼試樣的抗拉強度與斷面收縮率分別如表2[4]。

4 ?總結

本文針對高性能鋼——60SiCrVAT彈簧鋼的硬度與抗拉強度問題進行了分析，采用到回火熱處理加工工藝技術，希望通過試驗分析其試樣斷面收縮率始終確保在可接受范圍內，并同時分析其變化趨勢，對試樣表面硬度變化與1/2半徑到中心附近硬度進行規范，以確保它能滿足當前的交通運輸車輛生產發展需要。

參考文獻：

[1]熊濤.高性能5%Ni低溫鋼組織性能與熱處理工藝研究[D].湖北：武漢科技大學，2019.

[2]郭海濱.高性能鋼熱處理工藝研究[D].河南：鄭州大學，2016.

[3]張揚，宮心勇，趙宏敏.60Si2CrVA彈簧鋼熱處理工藝及性能研究[J].天津理工學院學報，2003，19（1）：69-72.

[4]朱杰，歐梅桂，姜云，等.回火工藝對60Si2CrVAT彈簧鋼組織及性能的影響[J].材料科學與工程學報，2016，34（2）：316-320.