幾種高速列車用彈簧鋼的耐寒性能研究

公衍軍，楊東曉，霍艷霞，李 鵬，呂士勇

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266109；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

彈簧裝置是鐵路機車車輛的重要部件，能夠緩和沖擊，使車輛運行平穩，對保障火車安全運行起到極其重要的作用[1]。鐵路車輛用彈簧鋼需有非常高的強度、剛度、疲勞極限以及一定的塑性和韌性[2]。我國地域廣闊，北方冬天溫度很低。低溫環境下金屬脆性增加，抗沖擊能力減弱。衛廣智等[3，4]研究了51CrV4在-60℃-0℃范圍內的低溫脆性，結果表明沖擊功會隨著溫度下降而有所降低，但沖擊功仍保持較高水平，沒有發生脆性斷裂。然而，此前關于其他彈簧鋼材料及幾種彈簧鋼材料低溫性能的對比研究并未見公開報導。

本文就目前高速列車使用的比較成熟和用量較大的60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4四種彈簧鋼材料，分析其熱處理工藝、室溫及低溫力學性能，以期選取低溫條件下最優質彈簧鋼材料。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用高速列車用4種彈簧鋼60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4。采用真空感應熔煉工藝分別制備出四種試驗用鋼，鑄錠經1100℃保溫2h。分別鍛造成Φ60mm、Φ30mm、Φ42mm和Φ57mm的棒料。材料的化學成分分析結果如表1所示。

表1 四種彈簧鋼材料的化學成分

2 四種材料熱處理制度研究

為了研究淬火溫度同材料固溶程度的關系，以51CrV4材料為例，選擇在800℃、850℃、900℃下分別保溫1小時后油冷淬火，進行顯微組織觀察，其掃描電鏡形貌如圖1所示。圖1（a）為800℃淬火時的組織形貌，組織中除馬氏體基體外，存在大量的未溶碳化物。圖1（b）為850℃淬火時的組織形貌，為全馬氏體組織，說明在奧氏體化過程中，碳化物基本全部溶入奧氏體，只存在極少量的未溶碳化物。圖1（c）為900℃淬火時的組織形貌，與850℃淬火時的組織形貌相同。結合材料的奧氏體晶粒長大趨勢，標準中推薦的淬火溫度在上述范圍之內。因此，四種材料的淬火溫度按照標準選定，即：51CrV4為850℃，52CrMoV4為860℃，60Si2CrVAT為850℃，60Si2MnAT為870℃。

圖1 51CrV4材料不同淬火溫度下的淬火態顯微組織：（a）800℃（b）850℃（c）900℃

對于淬火回火鋼而言，回火溫度是決定材料最終性能的關鍵因素。本部分以51CrV4為例，研究其回火溫度對力學性能的影響。取樣在850℃保溫1h油冷淬火后，分別在310℃、360℃、410℃、440℃、460℃、480℃和510℃保溫2小時后空冷回火，力學性能隨回火溫度的變化情況如圖2所示。從實驗結果可以看出，強度、硬度隨回火溫度的升高而逐漸降低，沖擊值隨回火溫度的升高而增加。在410℃～460℃之間，51CrV4材料的沖擊功、硬度、拉伸性能均較為理想。用上述同樣的方法對四種材料熱處理—性能關系進行研究，確定了四種材料最佳的熱處理制度如表2所示。

表2 四種彈簧鋼最佳熱處理制度

圖2 51CrV4材料不同回火溫度下的性能

3 四種材料熱處理后的室溫及低溫力學性能

3.1 室溫力學性能對比

按照上述表2所列的最佳熱處理制度，對四種材料熱處理后檢驗其室溫拉伸及沖擊性能，如表3所示。從表中可以看出抗拉強度由大到小依次為：60Si2CrVAT＞52CrMoV4＞51CrV4＞60Si2MnAT；室溫沖擊性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。

表3 四種鋼彈簧材料的室溫力學性能

3.2 低溫拉伸性能對比

對四種材料熱處理后檢驗其室溫、-20、-40、-60℃下的拉伸性能，材料的屈服強度、抗拉強度隨試驗溫度的變化趨勢如圖3所示。隨試驗溫度的降低，材料的強度略有升高，延伸率和斷面收縮率也略有降低，但幅度都很小，可見低溫環境對材料的拉伸性能影響不大。

圖3 屈服強度、抗拉強度隨試驗溫度的變化趨勢

3.3 低溫沖擊性能對比

對四種材料熱處理后檢驗其室溫、-20、-40、-60℃下的沖擊性能，沖擊試樣采用V型缺口。結果如表5所示。從表中可以看出，51CrV4材料有最佳的低溫沖擊性能，在-80℃以上時沖擊功均可達到10J以上，在-100℃時的沖擊功仍有9.7J。室溫及低溫沖擊性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。隨著測試溫度的變化，四種材料的沖擊功逐漸下降。圖4為四種材料的沖擊功隨溫度變化示意圖。

表4 四種彈簧鋼材料從室溫至-60℃的沖擊性能

圖4 四種彈簧鋼材料不同溫度下的沖擊性能對比

4 結語

（1）室溫下，抗拉強度由大到小依次為：60Si2CrVAT＞52CrMoV4＞51CrV4＞60Si2MnAT；室溫沖擊性能由大到小依 次 是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。60Si2CrVAT 的拉伸性能最優，51CrV4的沖擊性能最優。

（2）隨著溫度的降低，對材料的拉伸性能影響不大，而沖擊性能則逐漸下降。沖擊方面，51CrV4材料有著最佳的室溫及低溫沖擊性能，在-80℃以上的沖擊功均在10J以上。而強度最高的60Si2CrVAT材料其沖擊性能低于其他三種材料。

（3）經查閱文獻及本文研究，51CrV4表現出較強的綜合性能，其中低溫性能最為優異。因此，建議在嚴寒地區、晝夜及季節溫差較大地區的彈簧材料應首選51CrV4材料。