50CrVA彈簧鋼的連續冷卻轉變行為研究

趙 陽，江 飛，孫艷姣

(1.東北大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.中天鋼鐵集團(南通)有限公司，江蘇 南通 226100；3.遼寧省重要技術創新與研發基地建設工程中心，遼寧 沈陽 110168)

在汽車行業節能減排、提高汽車燃油經濟性的背景下，汽車輕量化成為汽車行業發展的必然趨勢[1-3]。汽車零部件結構的優化和采用高強度材料均可減輕汽車車身重量，實現汽車的輕量化。目前，汽車零部件結構的優化已達到相當成熟的設計水平，進一步降低車身重量的空間不大。因此，采用高強度材料應用于汽車車身制造是汽車行業的研究和發展熱點。

板簧，又稱鋼板彈簧，是汽車懸架系統的重要組成部分，其主要作用是傳遞力和力矩、吸收車輛行駛過程中的沖擊載荷，保證車輛行駛中的平順性和舒適性[4]。板簧占汽車總重量的9%左右，減輕板簧重量是實現汽車輕量化的有效途徑之一。相關研究指出，板簧的重量與設計應力的平方成反比，設計應力越高，板簧的重量就越小[5-6]。而提高制造板簧的彈簧扁鋼的抗拉強度是提高設計應力的主要方法。目前，除了開發新型的高強度彈簧扁鋼，還可以在不改變已有彈簧鋼成分的基礎上，優化其生產工藝以提高其抗拉強度。

50CrVA鋼是國內廣泛采用的彈簧鋼，其具有較高的疲勞強度和沖擊韌性、高淬透性、不易脫碳等優點，主要用于生產汽車鋼板彈簧[7-10]。進一步提高50CrVA鋼的強度對減輕車身重量、促進汽車輕量化意義重大。目前，對50CrVA彈簧鋼的研究主要集中在熱處理工藝的優化及其對組織性能的影響[8, 11-13]。例如，王超等[8]研究了回火溫度對50CrVA彈簧鋼組織性能的影響，發現隨著回火溫度的升高，50CrVA鋼中的回火索氏體含量逐漸增加，強度和硬度下降，而伸長率和-20 ℃沖擊功逐漸增加。當回火溫度為550 ℃時，50CrVA鋼獲得最佳的綜合性能。周蒙蛟[11]等研究了淬火+中溫回火、退火兩種熱處理狀態下50CrVA鋼超高周疲勞破壞行為及裂紋萌生機理，發現淬火+中溫回火的50CrVA鋼其疲勞裂紋起源于內部的夾雜物，而退火的50CrVA鋼其疲勞裂紋起源于材料的表面或者次表面。劉勇[12]采用正交試驗的方法研究了淬火溫度、淬火保溫時間、回火溫度、回火保溫時間對50CrVA鋼力學性能的影響，發現影響該鋼力學性能的主要因素為回火溫度。劉勇進一步指出，當淬火溫度為860 ℃，淬火保溫時間為75 min，回火溫度為460 ℃，回火保溫時間為120 min時，50CrVA鋼的力學性能最佳。上述研究結果為優化50CrVA鋼的力學性能奠定了基礎。而關于50CrVA鋼連續冷卻轉變(Continuous cooling transformation, 簡稱CCT)行為的研究并不多見[14-15]。考慮到彈簧鋼的連續冷卻轉變行為對制定熱軋后的冷卻工藝、熱處理工藝具有重要的理論意義和指導價值，為進一步挖掘50CrVA彈簧鋼的力學性能潛力、合理制定的生產工藝，有必要研究其連續冷卻轉變行為。

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為國內某鋼廠生產的截面尺寸為20 mm×90 mm的50CrVA彈簧扁鋼，其化學成分如表1所示。在上述彈簧扁鋼上切取φ3 mm×10 mm的靜態CCT試樣，并在試樣的一端加工φ2 mm×2 mm的盲孔，以便焊接熱電偶測量試樣的實際溫度。靜態CCT實驗是在Formastor-FII型相變儀上進行的。首先測定50CrVA彈簧鋼的Ac1和Ac3相變點溫度，將相變儀試樣以0.05 ℃/s的速率緩慢升溫，直至奧氏體轉變完成。緩慢升溫過程中的膨脹量-溫度曲線如圖1所示，利用切線法確定Ac1和Ac3分別為715 ℃和770 ℃。

表1 50CrVA彈簧鋼的化學成分 單位：%

圖1 利用切線法確定50CrVA彈簧鋼的相變點

考慮到50CrVA鋼熱處理時的淬火溫度為860 ℃，由此設定CCT實驗時的奧氏體化溫度為860 ℃。CCT實驗具體的實驗方案如下：首先將試樣以10 ℃/s加熱至860 ℃，保溫10 min后以0.05 ℃/s、0.1 ℃/s、0.2 ℃/s、0.5 ℃/s、1 ℃/s、2 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s和20 ℃/s的速率冷卻至室溫，并記錄冷卻過程中的膨脹量-溫度曲線，具體的實驗方案示意圖見圖2。

圖2 50CrVA彈簧鋼靜態CCT實驗方案示意圖

將實驗后的CCT試樣沿軸向切開，經研磨、拋光、腐刻(腐刻液為4%硝酸酒精溶液)后，用光學顯微鏡進行微觀組織觀察。利用宏觀維氏硬度計測量不同冷卻速率下試樣的硬度，最終測量值為5個測量值的平均值。

2 實驗結果及分析

2.1 微觀組織

圖3為不同冷卻速率下50CrVA彈簧鋼的顯微組織照片。由圖3可知，當冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的相變組織為珠光體和鐵素體，且隨著冷卻速率的增加鐵素體晶粒尺寸和珠光體球團尺寸減小，鐵素體含量降低、珠光體含量增加。當冷卻速率為2～10 ℃/s時，轉變組織為貝氏體和馬氏體。在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內，隨著冷卻速率的增加，馬氏體含量增加而貝氏體含量降低。當冷卻速率為20 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉變組織為馬氏體。

(a)0.05 ℃/s;(b)0.1 ℃/s;(c)0.2 ℃/s;(d)0.5 ℃/s;(e)1 ℃/s;(f)2 ℃/s;(g)5 ℃/s;(h)10 ℃/s;(i)20 ℃/s

2.2 宏觀維氏硬度

圖4為50CrVA彈簧鋼的宏觀維氏硬度隨冷卻速率的變化曲線。可見隨冷卻速率的增加，50CrVA彈簧鋼的硬度逐漸增加。當冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉變組織為鐵素體和珠光體，宏觀維氏硬度隨冷卻速率增加而增加幅度并不大。當冷卻速率達到2 ℃/s以上時，50CrVA彈簧鋼的相變組織為貝氏體+馬氏體或者馬氏體，此時隨著冷卻速率的增加，50CrVA鋼的硬度顯著增加。當冷卻速率為20 ℃/s時，50CrVA鋼的相變組織為馬氏體，此時硬度達到最大值，為782 HV。

圖4 50CrVA彈簧鋼的硬度-冷卻速率曲線

2.3 靜態CCT曲線

依據各冷卻速率下50CrVA彈簧鋼的膨脹量-溫度曲線，利用切線法可以確定50CrVA鋼的相變開始點和相變結束點，再結合圖3中的顯微組織可以確定不同冷卻速率下的相變類型，將具有相同相變類型的開始點和結束點分別連線，由此可以繪制50CrVA彈簧鋼的靜態CCT曲線。

圖5為50CrVA彈簧鋼的靜態CCT曲線，可見在0.05～1.00 ℃/s冷卻速率范圍內，50CrVA鋼的相變組織為珠光體和鐵素體，且相變開始溫度和相變結束溫度隨著冷卻速率的增加而降低。還可以看出，當50CrVA彈簧鋼從奧氏體區以不同冷卻速率冷卻時，存在奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變、奧氏體向貝氏體的轉變和奧氏體向馬氏體的轉變，且鐵素體和珠光體轉變區、貝氏體轉變區、馬氏體轉變區是相分離的，這一點與楊棟杰[14]、劉樂樂等[15]的研究結果是一致的。在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內，隨著冷卻速率的增加，馬氏體轉變溫度逐漸升高。造成上述現象的原因是，在該冷卻速率范圍內，發生了貝氏體和馬氏體轉變，在貝氏體轉變過程中，碳從貝氏體擴散至奧氏體，使得奧氏體中的碳含量增加，因此降低了馬氏體的相變開始溫度。貝氏體含量越高，在隨后的馬氏體轉變過程中馬氏體相變開始溫度就越低。由于在2～10 ℃/s冷卻速率范圍內，貝氏體含量隨冷卻速率的增加而降低，因此導致了此冷卻速率范圍內馬氏體相變開始溫度隨著冷卻速率的增加而升高。當冷卻速率為20 ℃/s時，相變組織全部為馬氏體，說明了50CrVA鋼獲得全馬氏體組織的臨界冷卻速率為20 ℃/s。

圖5 50CrVA彈簧鋼的連續冷卻轉變曲線

靜態CCT曲線對于制定50CrVA彈簧鋼的軋后冷卻工藝和熱處理工藝至關重要。例如，為保證50CrVA彈簧鋼淬火后獲得全部馬氏體組織，應保證淬火時的加熱溫度高于Ac3，即770 ℃。為保證板簧生產廠家下料方便，GB/T 1222-2006《彈簧鋼》要求交貨態的50CrVA彈簧鋼其硬度不能超過321 HBW(換算為328 HV)，對照CCT曲線可知50CrVA彈簧鋼的軋后冷卻速率應小于等于0.5 ℃/s。50CrVA彈簧鋼典型的熱處理工藝為淬火+中溫回火，為保證淬火后的組織為馬氏體，由CCT曲線可知油冷淬火時的冷卻速率應大于等于20 ℃/s。此外，為了保證淬火過程中馬氏體不發生回火，淬火油的油溫應低于Mf溫度，即淬火油的油溫應低于140 ℃。

3 結 論

(1)當冷卻速率為0.05～1.00 ℃/s時，50CrVA彈簧鋼的轉變組織為珠光體和鐵素體，且隨著冷卻速率的增加，鐵素體晶粒尺寸和珠光體球團尺寸減小，鐵素體含量降低、珠光體含量增加。冷卻速率為2～10 ℃/s時，相變組織為貝氏體和馬氏體，且隨著冷卻速率的增加，貝氏體含量降低、馬氏體含量增加。當冷卻速率為20 ℃/s時，轉變組織全部為馬氏體。

(2)隨著冷卻速率的增加，50CrVA彈簧鋼的宏觀維氏硬度增加。50CrVA彈簧鋼獲得全馬氏體組織的臨界冷卻速率為20 ℃/s。