磷含量和回火溫度對彈簧鋼組織和力學性能的影響

孫國才 張 宇 陳煥德

（江蘇省（沙鋼）鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625）

彈簧鋼廣泛應用于汽車、火車等交通運輸行業。隨著汽車的輕量化和火車的不斷提速，從節能和經濟性出發，要求進一步減輕彈簧的質量。減輕彈簧質量最有效的方法是提高彈簧的設計應力，為此需提高彈簧的抗拉強度［1］。

懸架彈簧通常需要經過拉拔-淬火-回火-卷簧-噴丸等工序，其中回火工藝對彈簧鋼的抗拉強度有重要影響，回火溫度越低，抗拉強度越高，但塑性降低［2-4］。塑性降低會導致后續卷簧異常斷裂。因此需要在保證良好塑性的前提下，提高彈簧鋼的抗拉強度，避免回火脆性。低溫回火脆性與雜質元素在晶界的偏聚密切相關［5］。本文研究了回火溫度對兩種磷含量彈簧鋼的組織和力學性能的影響，對于制定合理的熱處理工藝和開發更高級別的懸架彈簧鋼具有重要意義。

1 試驗材料及方法

試驗用55SiCr彈簧鋼采用150 kg真空感應爐冶煉，澆鑄成150 kg的鋼錠。將鋼錠加熱到1 050℃保溫2 h，然后在往復式軋機上軋成15 mm厚的板材。沿鋼板軋制方向切取15 mm×15 mm×150 mm的試件，再加工成M12圓柱體拉伸試樣。兩種磷含量彈簧鋼的化學成分如表1所示。

表1 彈簧鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of spring steels（mass fraction） %

在實驗室用馬弗爐對試樣進行淬火和回火，淬火溫度為870℃，保溫30 min后油淬；回火溫度分別為360、390、420 和450 ℃，保溫30 min，水冷。

從熱處理后試樣上切取金相試樣，經砂紙研磨、機械拋光，用體積分數4%的硝酸酒精溶液侵蝕約15 s后，在掃描電子顯微鏡下觀察組織。

在萬能材料試驗機上對熱處理后的試樣進行拉伸試驗，測量抗拉強度和斷面收縮率，并采用掃描電子顯微鏡觀察斷口。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

低磷彈簧鋼經不同工藝熱處理后的顯微組織如圖1所示。360℃回火的鋼黑色回火馬氏體基體中析出了白色碳化物（如紅色箭頭所示），呈片層狀。隨著回火溫度的升高，碳化物形態發生變化，420℃回火的鋼中細小的碳化物片層已經部分球化（黃色箭頭所示），尺寸較大的碳化物（藍色箭頭所示）仍呈片狀；450℃回火的鋼中更多細小的碳化物轉變為顆粒狀，黑色回火馬氏體的比例明顯增大。這是因為金相試樣腐蝕時，碳化物顆粒很容易從基體中脫落，隨著回火溫度的升高，黑色基體比例也不斷增大。

圖1 低磷鋼不同溫度回火后的掃描電子顯微鏡形貌Fig.1 Scanning electron micrographs of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

高磷彈簧鋼經不同工藝熱處理后的顯微組織如圖2所示，其變化規律與低磷鋼基本一致。經相同溫度回火的2種成分鋼的顯微組織沒有顯著差異。

圖2 高磷鋼不同溫度回火后的掃描電子顯微鏡形貌Fig.2 Scanning electron micrographs of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

2.2 力學性能

2種成分彈簧鋼經不同溫度回火后的力學性能如圖3所示。390～450℃回火時，低磷鋼的抗拉強度隨回火溫度的降低從1 623 MPa升高至1 990 MPa，斷面收縮率則從42.5%下降至5.1%；360℃回火的鋼抗拉強度和斷面收縮率均下降。當回火溫度從450℃降低至420℃時，高磷鋼的抗拉強度從1 735 MPa升高至1 903 MPa，斷面收縮率則從36.3%下降至5.9%；回火溫度繼續降低至360℃時，鋼的抗拉強度和斷面收縮率均降低，抗拉強度從1 903 MPa降低至1 032 MPa，斷面收縮率從5.9%降為0。在相同溫度回火的高磷鋼的斷面收縮率均低于低磷鋼。

圖3 回火溫度對低磷（a）和高磷（b）鋼力學性能的影響Fig.3 Effect of tempering temperature on mechanical properties of the low-phosphorus （a）and high-phosphorus（b）steels

為滿足后續加工要求，通常要求熱處理后盤條的斷面收縮率大于35%。對于低磷鋼，420和450℃回火都能滿足要求，420℃回火的鋼力學性能最優，抗拉強度為1 796 MPa，斷面收縮率為40.4%。高磷鋼只有在450℃回火才能滿足要求，其抗拉強度為1 735 MPa，斷面收縮率為36.3%，均低于低磷鋼。

2種成分彈簧鋼經不同溫度回火后的拉伸斷口形貌分別如圖4和圖5所示。可見隨著回火溫度的降低，2種鋼的斷裂方式均從韌性斷裂逐漸轉變為沿晶脆性斷裂。450和420℃回火的低磷鋼斷口存在大量韌窩，韌性斷口特征明顯；390℃回火的鋼斷口韌窩數量大幅度減少，出現部分沿晶斷裂，但晶界不清晰；360℃回火的鋼斷口形態呈明顯的沿晶界特征，晶界斷面清晰平整。高磷鋼較低磷鋼更容易發生沿晶斷裂，420℃回火的鋼斷口沿晶界特征較明顯，隨著回火溫度的進一步降低，沿晶斷裂的比例進一步增加，斷口有晶界裂紋。

圖4 低磷鋼經不同溫度回火后的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of the low-phosphorus steels tempered at different temperatures

3 討論

在同一溫度回火的低磷和高磷鋼的組織無顯著差異，但兩者的拉伸斷口形貌差異顯著，高磷鋼相比低磷鋼更容易發生沿晶斷裂，斷口沿晶界特征更明顯。這說明P對彈簧鋼淬、回火后的組織無顯著影響，但對晶界特征影響較大。鋼中S、P、As、Sn等雜質元素在晶界偏聚會引起晶界的脆化［6-7］，其中P在晶界的偏聚是引起晶界脆化的主要原因［8-10］。晶界偏聚的P越多，晶界內聚力降低也越多，當P偏聚到一定量時，晶界成為裂紋擴展阻力最小的路徑，就會出現沿晶斷裂。

隨著回火溫度的降低，低磷和高磷鋼的拉伸斷裂方式都從韌性斷裂轉變為沿晶脆斷，但從韌性斷裂轉變為脆性斷裂的韌-脆轉變溫度不同。低磷鋼在回火溫度降低至360℃時才出現明顯的沿晶斷裂；390～450℃回火都沒有出現明顯的沿晶斷裂（如圖4所示）。此時影響力學性能的主要因素是回火馬氏體中固溶的碳含量和析出碳化物的形態。隨著回火溫度的升高，基體中過飽和固溶的碳增加，回火馬氏體強度降低，碳化物形態從高密度的片層狀逐漸轉變為球狀（如圖1所示），強化作用也不斷降低。因此隨著回火溫度的升高，低磷鋼的抗拉強度不斷降低，斷面收縮率不斷提高。450℃回火的高磷鋼為韌性斷裂，360～420℃回火的鋼都存在明顯的沿晶斷裂（如圖5所示），此時晶界強度是決定材料強度的關鍵因素。根據晶界平衡偏聚理論［5，11］，溶質原子晶界偏聚濃度的計算公式為：

圖5 高磷鋼經不同溫度回火后的拉伸斷口形貌Fig.5 Tensile fracture morphologies of the high-phosphorus steels tempered at different temperatures

式中：Cg為溶質原子平衡晶界偏聚濃度；C0為溶質原子基體濃度；ΔU為溶質原子的偏聚自由能；k為波耳茲曼常數；T為絕對溫度。

通常C0，Cg?1，因此式（1）可簡化為：

從式（2）可以看出，對于同一個基體，溶質原子的平衡晶界偏聚濃度僅與溫度有關，且溫度越高，平衡偏聚濃度越低。因此，回火溫度越低，晶界偏聚的P越多，晶界內聚力降低也越多，晶界內聚力降低的同時晶界結合力和裂紋沿晶界擴展的能量降低，造成強度和塑性均下降。

低磷鋼出現明顯沿晶斷裂的回火溫度為360℃，高磷鋼出現明顯沿晶斷裂的回火溫度為420℃；可見P顯著提高了彈簧鋼的韌-脆轉變溫度。這是因為在同一溫度回火的高磷鋼晶界偏聚的P含量顯著高于低磷鋼，只有提高回火溫度降低晶界偏聚程度，才能進一步降低晶界P含量。為避免后續繞簧斷裂，必須避免沿晶斷裂。P含量高的彈簧鋼防止脆性斷裂所需的回火溫度也越高，而提高回火溫度則會降低彈簧鋼的抗拉強度。因此控制P含量在較低的水平，是提高彈簧鋼抗拉強度的必要條件。

4 結論

（1）磷質量分數為0.005%的彈簧鋼的最佳回火溫度為420℃，其抗拉強度和斷面收縮率分別為1 796 MPa和40.4%；磷質量分數為0.041%的彈簧鋼的最佳回火溫度為450℃，其抗拉強度和斷面收縮率分別為1 735 MPa和36.3%。

（2）隨著回火溫度從450℃降至360℃，彈簧鋼的拉伸斷裂方式從韌性斷裂逐漸轉變為沿晶脆性斷裂；當磷質量分數從0.005%提高至0.041%時，彈簧鋼發生韌-脆轉變的回火溫度從360℃提高到420℃。高磷彈簧鋼需采用更高的回火溫度以防止脆性斷裂。