熱處理工藝對52CrMoV4高強度彈簧鋼力學性能的影響

趙 磊，姜 超，常志遠，張金鑫，李 澤

（中信泰富青島特殊鋼鐵有限公司中特研究院青鋼分院，山東 青島 266000）

1 前言

隨著社會經濟發展和生活條件的改變，人們對車用材料提出更高的要求。車用材料在保證輕量化的同時，需要更高的安全性能。52CrMoV4 彈簧鋼作為主要的汽車減振器件，長期處于受迫振動中，對其彈性極限、強韌性和彈性模量的要求較高。有研究發現，通過熱處理的方式改變合金內奧氏體晶粒的大小和分布，從而提高合金的性能指標。隨著合金鋼內部奧氏體晶粒細化，合金鋼的強度和塑性等性能指標均隨之升高。本研究通過不同淬火處理和中溫回火方案對52CrMoV4 鋼的調質處理，選擇最佳熱處理溫度對合金的組織和力學性能進行研究分析，從而根據最佳熱處理工藝參數進行相關產品進行工藝優化，以滿足所需鋼材的性能要求［1-4］。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

選用52CrMoV4 彈簧鋼作為試驗材料，其化學成分見表1。

表1 52CrMoV4彈簧鋼的化學成分（質量分數） %

2.2 淬火處理和中溫回火工藝

選取規格為300 mm×150 mm×200 mm 的熱軋態52CrMoV4 彈簧鋼進行淬火和回火處理。對52CrMoV4 彈簧鋼進行860、880 和900 ℃的淬火處理［5］，加熱時間為40 min，油淬后進行400 ℃回火處理加熱時間為90 min，保溫冷卻后對試樣金相組織及力學性能進行對比觀察確定最佳淬火溫度。

選擇最佳淬火溫度后對52CrMoV4彈簧鋼進行380、400、420 ℃的回火處理，加熱時間為90 min，保溫冷卻后對試樣金相組織及力學性能進行對比觀察，選擇最佳回火溫度。

采用淬火處理可以獲得少量的貝氏體組織的鋼材。在淬火處理過程中由于貝氏體中鐵素體和奧氏體保持共格聯系并沿著母相奧氏體特定的晶面依靠切變而長大。同時在進行淬火處理的過程由于加熱溫度不均及冷卻介質等原因容易造成鋼材產生殘余應力，造成淬火后鋼材發生變形或開裂等缺陷，影響鋼材的正常使用。為了進一步提升鋼材的塑性和韌性等性能，在淬火工序完成后必須對鋼材再次進行回火處理，調整鋼材內部組織。同時通過控制鋼材冷卻時間可以在強化合金鋼的同時，保持其較高的韌性。

基于前期試驗得到最佳淬火溫度，研究中溫回火溫度對材料組織和性能的影響［6］。分別采用380、400、420和440 ℃對52CrMoV4進行熱處理，消除淬火應力。通過獲得回火屈氏體使鋼具有高的彈性極限，以及較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性。

3 結果與討論

3.1 淬火溫度確定

52CrMoV4 彈簧鋼在不同淬火溫度、相同回火溫度下的洛氏硬度值。860、880和900 ℃的洛氏硬度值分別為50.5、50.9 和51.0 HRC。可以看出，在900 ℃的淬火時，鋼的硬度值最高。如表2 所示，52CrMoV4彈簧鋼不同淬火溫度下的拉伸數據。可以看出，隨著溫度的升高鋼的強度隨之增加，但鋼的伸長率下降，脆性增大，在一定程度上導致鋼提前失效斷裂，從而導致900 ℃淬火時力學性能較880 ℃有所降低。因此在880 ℃的淬火時，52CrMoV4彈簧鋼的抗拉強度值最高為1 788 MPa，斷后伸長率值最小為10%，說明塑性下降。

表2 52CrMoV4不同淬火溫度下拉伸性能

3.2 回火溫度的確定

淬火過程由于加熱溫度不均及冷卻介質等原因，容易造成鋼材產生殘余應力，造成淬火后鋼材發生變形或開裂等缺陷影響鋼材的正常使用。為了進一步提升鋼材的塑性和韌性等性能，在正常試驗情況下均采用淬火完成后必須對鋼材進行回火處理。基于880 ℃的力學性能最佳，選定880 ℃作為淬火溫度，調控中溫回火工藝。

380、400、420 和440 ℃的硬度值分別為52.1、51.5、50.3 和49.0 HRC。可以看出在380 ℃的回火時，鋼的硬度值最高。

如表3所示為52CrMoV4彈簧鋼不同回火溫度下的拉伸數據。從表3中可以看出，當回火溫度為380 ℃時，抗拉強度值最大為1 820 MPa，度隨著回火溫度的不斷升高逐漸降低，而隨著回火溫度的升高斷后伸長率并無明顯變化。

表3 52CrMoV4不同回火溫度下拉伸性能

圖1為52CrMoV4彈簧鋼在不同回火溫度下的金相組織。圖1a、b、c、d 分是380、400、420 和440 ℃回火后金相組織。回火后組織為回火屈氏體。淬火后進行回火，馬氏體含量逐漸減少，馬氏體開始向回火屈氏體轉變，回火屈氏體組織由于其對鋼材的特殊影響，使鋼材具有良好的彈性性能的同時兼備較其他彈簧鋼更好的強度和韌性。通過中溫回火對鋼材進行處理后，C 和Mn 等元素從馬氏體中向外擴散，在晶界中富集，為奧氏體形核提供位置。基體中的超細晶鐵素體數量隨著回火溫度的升高而增加。同時，在形成回火屈氏體的過程中，由于鋼材內部的碳原子隨著回火溫度的提高不斷向外擴散的能力增加，處于過飽和狀態的固溶體在回火處理過程中不斷轉變為鐵素體，在滲碳體轉變過程中由亞穩定的ε 碳化物逐漸發生并進行穩定轉變。在轉變過程中，轉變組織與母相失去共格聯系導致由于淬火處理過程中產生的殘余應力在轉變過程中大部分消除，最終通過中溫回火，使鋼材內部組織由馬氏體逐步轉變為穩定的回火屈氏體。其中馬氏體起到阻礙位錯運動、析出的碳化物對位錯產生釘扎的作用。超細晶鐵素體作為軟韌相，并在一定程度上改善鋼的性能特點，使得鋼的硬度和強度下降，塑性和韌性提高。

圖1 52CrMoV4鋼的回火金相組織

結合以上分析，52CrMoV4彈簧鋼的最佳熱處理工藝為880 ℃和380 ℃，此時鋼的力學性能最佳。

4 結論

4.1 通過對熱軋態52CrMoV4 彈簧鋼的淬火特性研究，隨著淬火溫度升高，鋼中馬氏體數量增多，導致硬度數值得到提高，在880 ℃達到峰值硬度值達到最高，后隨溫度上升鋼的伸長率下降、脆性增大，在一定程度上導致鋼提前失效斷裂導致硬度值下降，隨著溫度提高塑性下降。

4.2 通過本次試驗研究表明，在880 ℃的淬火處理條件下，隨著回火溫度的不斷升高，鋼的回火屈氏體含量增多，合金的強度和硬度下降，塑性和韌性提高。

4.3 在880 ℃的淬火處理和380 ℃的中溫回火條件下，鋼材的綜合性能最好。