60Si2CrV高應力板簧表面脫碳行為研究*

陳一凡, 陳露瑤, 陳詩怡, 李俊岳

(1.張家港海鍋新能源裝備股份有限公司, 江蘇 張家港 215628; 2.南京工程學院材料工程學院，江蘇 南京 211167；3. 江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室，江蘇 南京 211167)

引 言

板簧作為卡車和貨車懸架系統中重要的傳力及彈性元件一般安裝在汽車懸架中，通常對汽車的運行穩定性和平順性有較大的影響。60Si2CrV鋼近年來逐漸用以生產高應力汽車板簧，高應力板簧可以減少板簧疊片的數量、降低汽車自重，對節能減排、提高商用車裝載效率具有重要意義。隨著工作應力的提高，高應力板簧逐漸暴露出疲勞壽命低、散差大的問題，成為限制其推廣的重要原因[1]。

大尺寸夾雜物、表面缺陷和表面脫碳是造成板簧疲勞壽命低的主要因素。在板簧原材生產、變截面軋制和淬火回火過程中都很有可能造成板簧出現明顯的脫碳。較深的脫碳層，尤其是完全脫碳層的出現會顯著降低板簧表面強度，造成服役時表面過早出現疲勞裂紋，最終導致疲勞壽命顯著下降。因此，分析60Si2CrV的表面脫碳行為、研究其脫碳規律對優化高應力板簧熱加工和熱處理工藝具有重要意義。

1 實驗材料與方案

本文實驗材料為60Si2CrV高應力板簧，其典型化學成分如表1所示。試樣經過切割后，將表面用150#，240#，400#，800#砂紙分別進行打磨后進行熱處理。為模擬實際生產時鋼板暴露于空氣中的環境，使用SY-1000-06箱式電阻爐進行熱處理；爐中氣氛為空氣。熱處理結束后將試樣從中間剖開，鑲嵌，磨平拋光后使用4%硝酸酒精溶液浸蝕，使用奧林巴斯GX-51型光學顯微鏡觀察預磨平面的縱剖邊一側的金相形貌。

表1 典型60Si2CrV高應力板簧的化學成分/%

通過J-mat pro軟件計算可知60Si2CrV的AC1和AC3溫度分別為780 ℃和820 ℃。因此選取未相變區、兩相區和奧氏體單相區加熱30 min后緩冷，研究加熱溫度對表面脫碳行為的影響；試驗加熱溫度分別為750，800，900，1000，1100，1200 ℃。選取900 ℃分別保溫15，30，60，120 min后緩冷，研究保溫時間對表面脫碳行為的影響。

2 實驗結果與討論

2.1 加熱溫度的影響

2.1.1 未相變區和兩相區加熱

圖1為未相變區750 ℃加熱樣品和兩相區800 ℃加熱樣品的表面形貌。750 ℃加熱樣品由于尚未發生相變，僅發生輕微的不完全脫碳，脫碳層深度約20 μm，原本的片狀珠光體發生了比較明顯的球化。兩相區800 ℃加熱時，樣品表面出現了明顯的完全脫碳層，脫碳層深度約為35 μm。完全脫碳層為全鐵素體組織，無論是否經過淬火、回火工藝，都不會轉變成馬氏體類型組織，因此表面強度較基體顯著下降。通常情況下，鋼鐵材料的疲勞極限約為抗拉強度的0.4-0.5倍[2]。完全脫碳層的出現會顯著降低板簧表面的疲勞強度。在服役時，板簧表面通常受力最大，特別容易成為疲勞裂紋萌生的薄弱區域，造成板簧使用壽命顯著下降。

板簧在兩相區加熱時，隨著表面碳含量的降低，靠近表面的位置進入鐵素體相區，形成鐵素體晶粒，此時脫碳的過程從奧氏體中碳濃度的梯度降低轉變為鐵素體晶粒與奧氏體晶粒界面上碳濃度的突變；脫碳的過程伴隨著界面處奧氏體向鐵素體轉變的相變過程。因此兩相區加熱時會出現完全脫碳層[3]。因此板簧在生產時應避免兩相區加熱或者兩相區長時間保溫的情況。

圖1 加熱樣品的表面形貌

2.1.2 奧氏體單相區加熱

圖2為60Si2CrV在奧氏體單相區(900 ℃和1100 ℃)加熱樣品的表面形貌。可以看出，加熱溫度進入奧氏體單相區后，板簧基本上只發生不完全脫碳。隨距表面深度的增加，組織中鐵素體的比例升高、珠光體比例下降，碳濃度逐漸降低。

加熱溫度升至900 ℃后，相圖中鐵素體相區和兩相區僅局限在碳含量很低的一側。只有當板簧表面不完全脫碳非常嚴重時，碳含量才有可能進入兩相區和鐵素體單相區。同時在空氣中加熱時不僅會發生板簧的脫碳現象，還會發生鐵的氧化；900 ℃加熱時即便產生了非常少量的完全脫碳層，也會隨著樣品被氧化而消失。

圖3為不同加熱溫度保溫30 min后總脫碳層深度的變化規律。可以看出加熱溫度在900 ℃以下時，樣品的脫碳層深度不大，900 ℃加熱時為50 μm；加熱溫度為1000 ℃和1100 ℃時，脫碳層深度迅速增加，分別為100，180 μm；加熱溫度1200 ℃時由于氧化速率增大，脫碳層被氧化，深度很小，僅為18 μm。

從加熱溫度的影響看，當60Si2CrV高應力板簧在1200 ℃熱變形和900 ℃以下熱處理時，脫碳層深度較小，對疲勞性能的影響較小。

圖2 加熱樣品的表面形貌

圖3 不同溫度加熱樣品的總脫碳層深度

2.2 保溫時間的影響

圖4 900℃保溫不同時間樣品表面形貌

圖5 900 ℃保溫時，脫碳層深度與保溫時間的擬合曲線關系

2.3 生產工藝控制

脫碳現象是鋼鐵材料熱加工和熱處理過程中不可避免的現象。對于汽車板簧等材料，通常使用高碳鋼生產；高碳鋼本身就很容易發生脫碳。為提高彈性極限，還經常添加硅元素。硅與碳是同族元素，較高的硅含量進一步增加了板簧的脫碳傾向。對于實際生產，受生產設備和成本的限制，全流程或局部工序使用真空或氣氛保護難以實現。因此如何在空氣環境中盡量減小板簧的表面脫碳是一個重要控制點。

從本文的研究可以看出，板簧在兩相區加熱或長時間保溫會產生對疲勞性能最為不利的完全脫碳層。因此對板簧進行淬火時，加熱溫度必須高于AC3一定溫度值，降低表面因進入兩相區而脫碳的風險。在板簧的變截面軋制完成后，也應該適當加大軋后冷卻速度，避免板簧在兩相區附近溫降緩慢。

板簧在1200 ℃時由于氧化速率很快，表面脫碳層深度顯著下降。因此在保證性能的前提下，板簧變截面軋制前的加熱溫度應該盡量提高至1200 ℃左右，將原材料中帶來的表面脫碳層氧化去除，實現脫碳層的全流程控制。1000 ℃和1100 ℃是60Si2CrV脫碳的敏感溫度區間，但是這也是軋制變形的主要工藝窗口。因此應該盡量加快軋制流程的速度，提高工作效率，盡量減少熱變形帶來的脫碳層。

相對來說，900 ℃保溫時60Si2CrV脫碳速率較小，但脫碳層深度與保溫時間的平方根成正比。900 ℃保溫1 h后的脫碳層深度已經接近1000 ℃保溫半小時的深度。因此板簧淬火回火時，淬火加熱的時間也不宜過長。使用箱式爐或連續爐生產時應盡量縮短加熱時間；此外建議使用感應加熱爐加熱，以避免脫碳。

3 結束語

本文采用金相法分析了60Si2CrV高應力板簧在空氣氣氛下加熱時的表面脫碳行為，得出以下結論：

(1)在低于AC1溫度的750 ℃保溫時，僅出現輕微的部分脫碳，深度為20 μm；當溫度到達AC1-AC3兩相區的800 ℃時，只發生完全脫碳，深度為35μm；在AC3以上的900，1000，1100，1200 ℃分別加熱均發生部分脫碳，深度分別為50，100，180，18 μm。

(2)在900 ℃分別保溫15，30，60，120 min，脫碳層深度分別為10，50，100，140 μm，脫碳層深度(d)和保溫時間(t)的關系符合菲克第二定律，經擬合后滿足。

(3)為盡量減輕脫碳對高應力板簧疲勞壽命的影響，建議在生產時在奧氏體單相區較低溫度加熱并縮短保溫時間；尤其應避免板簧在熱加工和熱處理時在兩相區長時間保溫。