60Si2Mn的熱處理工藝優化

孫 銘

（江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223001）

在現代經濟革新發展中，機械產品的生產制造技術得到了優化探索，其中60Si2Mn系Si、Mn合金彈簧鋼作為一種廣泛運用的產品，不僅是機械裝置和自動控制中心的重要組成部分，實際質量還直接決定了系統裝置的應用功能和時間。從本質上講，彈簧的質量和材料的熱處理工藝有緊密關系，因此要想得到高質量的彈簧產品，必須要在實踐生產制造中對的熱處理工藝進行優化探索，只有這樣才能獲取更為優質的材料產品。

1 熱處理分析

（1）物理工藝。簡單來講，60Si2Mn材料的熱處理就是利用特殊的冷卻或加熱的方法，從固態金屬中獲取工程技術。出現這種變化的原因在于，固態金屬在改變溫度的情況下，相應的結構組織也會發生變化，如果可以在這一過程中根據具體變化規律，選擇特殊的處理方式，那么就能得到所需組織結構和應用性能。傳統意義上的熱處理工藝包含四種類型：第一，回火。這種處理工藝是指將淬火之后的鋼在低于A1的溫度下進行加熱和保溫，并按照適宜的速度進行冷卻，以此提升淬火鋼材料的韌性和塑性，清除內部殘余的應力，全面保障鋼材料的穩定性。如果淬火零件沒有經過回火處理直接使用，那么并不符合當前技術處理要求。部分含碳量過高的鋼制零件或復雜零件，在淬火之后等待回火期間經常出現爆裂現象，由此證明淬火之后的鋼材料存在較多殘余的應力，實際脆性也非常大；第二，正火。這種工藝要將鋼材料加熱到Ac3或Aum以上，在30℃到50℃的條件下保溫，而后利用室內空氣完成自然冷卻。這樣不僅能細化晶粒，保障材料組織具有均勻化，還可以改善鑄件的組織和低碳鋼的切削加工性能，因此經常被看作是預備熱處理工藝，為后續熱處理工作奠定基礎保障；第三，淬火。這項工藝會將鋼材料加熱到臨界溫度以上，在保溫一定時間之后實現奧氏體化，再利用超過臨界冷卻速度進行冷卻處理。經過處理之后的材料組織大都屬于馬氏體，部分情況下也會產生貝氏體或兩者的混合物[1]。通常情況下，在這項處理工藝中，要與回火配合操作，這樣不僅能提升材料的耐磨性和硬度，還可以優化材料的強韌性和耐腐蝕性；第四，退火。這種工藝要求將鋼材料加熱到適宜溫度，再經過保溫處理，并按照規定速度進行冷卻，最終改善材料的組織結構，提升實際加工性能。

（2）化學工藝。化學熱處理的工藝技術分為三種：首先是指滲碳，需要將鋼材料放在具備充足的碳勢介質中加熱，一直到出現奧氏體狀態后進行保溫處理，這樣能讓材料表層構成富碳層[2]。根據所使用介質的物理狀態分析發現，可以將這種處理分成氣體、液體、固體三種狀態，其中氣體具有條件好、生產率高、可控性等優勢，是目前應用范圍最廣泛的一種；其次是指滲氮，需要將氮融入到鋼材料的表層，主要用來提升材料的疲勞強度、耐磨性、硬度等性能，目前主要運用在航天工程中，具有極強的抗腐蝕性、耐磨性、高硬度等特征；最后是指碳氮共滲，這種技術需要根據材料性能有針對性地選擇。

2 60Si2Mn熱處理與性能之間的關系分析

熱處理作為獲取鋼使用性能的重要工藝手段，要想在實踐發展中獲取60Si2Mn材料的潛在優勢，持續提升機械產品的應用質量，科研學者在引進國外先進技術和研究成果的基礎上，對60Si2Mn熱處理工藝進行了深層研究，具體體現在以下幾點：

（1）力學性能。一方面，在不同加熱條件下進行退火處理，同時經過440℃進行回火處理。最終發現，在不同淬火溫度下，使用相同回火溫度的材料力學性能雖然發生變化，但對抗拉強度、殘留的伸長應力和硬度影響不大，對疲勞極限的影響更大。隨著淬火溫度的不斷增加，奧氏體經歷也會持續長大，可以對材料性能進行全面優化。具體結果如表1所示。另一方面，在870℃實施淬火處理，并經過不同溫度完成回火處理。最終發現，不同的回火溫度會對材料的疲勞性能和拉伸性能產生較大影響。400℃回火的試樣雖然提高了抗拉強度和殘余伸長應力，但實際疲勞性能并不穩定。具體結果如表2所示。

表1 不同淬火溫度下的力學性能分析

表2 不同回火溫度下的力學性能分析

（2）淬透性。這項性能是選擇材料和工藝的有效依據。假設工件已經完成淬透，那么它的表層與內部性能就具有一致性和均衡性，可以充分展現材料的機械性能；但若是沒有完全淬透，那么材料的性能便會出現差異，特別是在回火之后，內部的強韌性將會低于表層。需要注意的是，由于各類零件的受力狀況和處理工藝存在差異，所以它們對淬透性的要求也有不同。比如說，冷沖模具要求表層具有耐磨性，但若是完全淬透，那么很容易在沖壓時發生斷裂等問題。

（3）等溫處理。首先，等溫淬火。這項方法分為兩種形式，一種是指貝氏體的等溫淬火法，需要將完全加熱好的零件放在溫度超過Ms點的淬火介質中，在一定時間內轉變成貝氏體，而后取出在空氣中冷卻；另一種是指馬氏體的等溫淬火法，需要將完全加熱好的零件放在溫度低于點的淬火介質中，在一定時間內轉變成馬氏體，而后取出在空氣中冷卻。其次，加熱溫度。在這項處理中，因為等溫熱介質的溫度過高，冷卻力較低，所以為了預防轉變成珠光體或貝氏體，要注重提高穩定性，實際加熱溫度要比普通淬火高30℃到80℃。再次，等溫溫度。一般來講，等溫的溫度差距通常控制在5℃左右，原因在于其對性能影響非常顯著，如果數據差異過大，很難滿足預先設定的技術要求。最后，等溫介質。在生產制作期間，最常運用的介質就是融熔硝鹽或堿，前者的冷卻水平要低于后者。需要注意的是，在等溫淬火過程中，要為零件的厚度設定限制條件，如果超出這一范圍，那么零件的性能將達不到預期要求。一般來講，實心圓柱體的直徑不能高于12mm，雙面冷卻的扁平零件和空心圓柱體的壁厚不能高于6mm。

（4）力學性能。對60Si2Mn來說，根據自身的變形力學行為，利用計算機技術為流變應力和應變條件之間的關系構建研究模型，可以從中發現更多有價值的工藝參數。60Si2Mn作為一種制作彈性元件的重要材料，選用溫成型工藝不僅能全面優化產品的綜合力學性能，還可以提升產品的表層質量，有效控制能源消耗。同時，大部分零件在變動載荷影響下會發生疲勞斷裂現象，因此在研究60Si2Mn的力學性能時，要根據影響因素和破壞過程，為疲勞強度設計和材料選擇提供有效依據。

（5）珠光體。將珠光體看作是鐵素體基體中包含大量滲碳體片的一種組織，能進一步提升材料的硬度和強度，因此可以看作是第二相的強化作用。需要注意的是，因為滲碳體比較粗大，整體呈現片狀，所以實際強化作用有限，可以提升的硬度和強度不多，但能有效控制材料的韌性和塑性。發生這種轉變的原因在于，從包含0.77%C的奧氏體分解成包含6.69%的滲碳體和0.0218%的鐵素體，在這一過程中不僅完成了原子擴散，還進行了點陣重建，因此可以將珠光體轉變看作是以擴散為基礎的一種機制。在等溫退火中，如果溫度和完全退火時一致，在冷卻時溫度處在Ar以下，那么就可以出現珠光體轉變現象，最終拿出冷卻到室溫狀態。

3 60Si2Mn的熱處理工藝優化分析

（1）常規處理。根據實踐累積經驗分析顯示，60Si2Mn的常規化熱處理要在油中淬火，在中溫時回火。具體操作過程分為：第一，預熱；第二，加熱；第三，保溫；第四，冷卻；第五，回火保溫；第六，冷卻。

在淬火期間，60Si2Mn溫度要控制在860±10℃之間，保溫時間要根據所選爐具進行調整，其中鹽浴爐的時間是0.5到0.6min/m，箱式爐的時間是1.0到1.2min/m。由于淬火保溫的時間直接影響了處理工藝的均衡性，所以若是沒有正確管控，那么很難全面溶解鐵素體。在超過溫度的條件下進行保溫冷卻，最終可以得到奧氏體轉變成馬氏體的過程。

冷鐓模具在淬火后回火，只能清除淬火之后出現的組織應力和熱應力。從本質上講，油淬回火的過程是指，將60Si2Mn鋼材料加熱到理想溫度之后，經過急劇冷卻轉變成馬氏體，最終獲取的晶粒和組織并不符合要求。對淬火馬氏體組織進行回火處理，可以獲取其他組織，比如說索氏體、屈氏體等。如果沒有有效控制淬火加熱、冷卻、回火溫度等內容，那么很容易出現部分或所有索氏體。根據實踐生產顯示，在60Si2Mn冷鐓模材料尺寸設計低于φ24mm或超過φ26mm的情況下，選用常規化的熱處理工藝，雖然不會出現過于嚴重的淬火裂紋，但因為淬透性存在差異，導致材料的耐磨性并不高，這就證明常規工藝已經不符合處理需求，需要在實踐探究中選用更加先進的工藝技術。

（2）亞溫和高溫。從本質上講，亞溫淬火屬于目前科研探討的全新工藝，既能細化晶粒，利用少量沒有溶解的鐵素體控制裂紋的進一步擴散，又可以改善雜質元素的分布情況，提升60Si2Mn的強鋼性。與此同時，還可以有效控制60Si2Mn鋼材料的脆性轉變溫度，避免60Si2Mn出現可逆回火脆性，因此主要用來制作冷墩模套。

60Si2Mn彈簧鋼在亞溫淬火中，在790℃到800℃之間，要淬火好淬火液，這樣不僅能提升材料的淬透性，還可以優化軸套的機械性能，保障實際工藝取得一定效果。實踐結果顯示，60Si2Mn彈簧鋼在930℃到950℃之間進行高溫淬火，金相組織中的板條馬氏體數量會持續上升，形成更高的斷裂韌度，且具備較好的耐磨性和剛度。在此基礎上利用制作冷鐓螺帽的沖模，在經過920℃淬火之后，產品的使用時間要比正常淬火的更高，通常可以提升兩倍。

（3）等溫與分級淬火。為了進一步提升冷鐓模的應用時間和韌性，科研學者還在實踐探究中提出了更多先進的淬火方法，比如說等溫淬火、分級淬火等。在當前產品生產制作中，基于貝氏體提出的等溫淬火方式應用更多，這種工藝既可以提升冷鐓模的彈性和強度，又可以改善產品的韌性和塑性。在等溫淬火之后，模套還會擁有更為穩定的抗松弛性能，實際組織應力和熱應力也會下降。

利用60Si2Mn制作的冷鐓模，分別在860℃和350℃的條件下處理1小時，前者要加熱，后者要等溫。相比常規化的熱處理工藝，在860℃中加熱可以得到1830次沖擊壽命，但在350℃中等溫處理，只能得到920次，這就證明模具的質量和使用時間得到了進一步優化。

（4）鍛后余熱。這種熱處理工藝是指形變加相變的綜合強化方法，不僅能有效提升冷鐓模的剛性，還可以增加實際產品的應用壽命，現已被廣泛運用到科研探索和生產制作工作中。比如說，凹模套的直徑是120mm，在鍛造期間的初期溫度是1200℃，終極鍛造溫度是850℃，在淬入HJ-30機械油中停留3到5分鐘，在550℃的爐中回火3到4小時，而后對表層進行噴風處理，硬度要控制在37HRC到42HRC之間，這樣不僅能提升產品的斷裂韌性，還可以控制回火脆性。相比普通的熱處理工藝，產品的使用時間提升了二到三倍，因此這也是目前冷鐓模熱處理工藝優化的主要方向。需要注意的是，因為鍛后余熱的處理硬度過高，實際機械加工的難度較大，所以會影響整體生產應用效率和質量。

4 實驗分析

（1）確定方案。根據上述對60Si2Mn性能和熱處理工藝的分析內容，構建實驗方案，在正式實驗之前，要準備好厚度是8毫米的60Si2Mn，并將其加工4×8cm的實驗樣品，利用砂紙打磨清除氧化層，利用丙酮清洗表層的油脂。同時，要準備箱式電阻爐進行熱處理分析，將準備好的實驗樣品放在1120℃的電阻爐中加熱，等到樣品完全熱透后開始計時，在保溫后跟隨爐子冷卻到300℃以下，最終冷卻到室溫狀態。

退火作為60Si2Mn熱處理工藝中應用最為廣泛的內容之一，需要將60Si2Mn加入到規定溫度，在保溫處理之后利用適當的速度進行冷卻，以此改善60Si2Mn的組織結構，提升實際應用的硬度和切削加工性；奧氏體化是指讓材料加熱到臨界溫度以上，在保溫之后完全轉變成奧氏體。需要注意的是，這項操作的臨界溫度會根據所選材料發生偏差；正火是指將60Si2Mn要加熱到Ac3或Acm以上，30℃到50℃之間進行保溫，最終在室溫的靜止空氣中自動冷卻。

本文研究實驗主要利用930℃奧氏體化的試樣，在300℃、270℃、210℃、220℃、160℃的保溫條件下取出進行室內靜止空氣的自動冷卻。在處理之后，利用600Cw、1200Cw、2000Cw的砂紙從粗到細進行打磨，一直到表層沒有劃痕為止。再利用金相拋光機進行拋光，確保表層的微小劃痕全部消失。而后運用一百倍的光學顯微鏡進行觀察，判斷表層劃痕是否處理完善。同時，利用4%的硝酸酒精溶液對式樣進行腐蝕，如果金相顯微鏡下的圖像變黑，那么就證明腐蝕過于嚴重；如果顯微鏡下的圖像不清晰，那就證明腐蝕較淺。

（2）結果分析。一方面，顯微組織。選用金相法對各種狀態下的纖維組織進行觀察研究，在1120℃的條件下，退火組織發生了較大變化，因此可以將退火看作預備的熱處理操作，主要用來優化研究材料的切削加工性能，控制材料內部應力，保障材料組織結構具有均勻化，以此為后續研究提供有效依據。另一方面，硬度分析。本文研究對不同實驗狀態下的硬度進行測試，得到了如下表3所示的結果，從中分析發現材料性能可知，1號和2號試樣在300℃和270℃等溫下30分鐘處理，前者的硬度比后者大；3號、5號、7號在220℃下等溫1、2、4小時，隨著時間的不斷增加，實際硬度數值會持續下降；9號屬于退火狀態的實驗樣品，10號屬于正火狀態的實驗樣品，前者的硬度數值更低，后者的硬度數值更高，原因在于后者材料包含碳元素和合金元素的數量更多，實際淬透性更高。

表3 實驗結果

5 結語

綜上所述，60Si2Mn作為新時代各行領域生產制作的重要材料，在實踐探究中持續優化熱處理工藝，可以保障其在實踐應用中充分發揮自身的潛在性能，提升生產制作產品的使用壽命和安全質量。