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高强度优质弹簧钢研究开发的主要手段

浏览次数: 日期:2012-12-28 14:52

——化学成分对高强度优质弹簧钢组织性能的影响
邢台钢铁有限责任公司技术中心 崔娟
弹簧钢高强度化的最直接手段是研究开发新钢种,为此必须首先了解各种合金元素的特点,科学合理地设计钢的化学成分,以充分有效地发挥各种合金元素的作用。在化学成分中,C、Si、Mn、Cr、V为优质合金弹簧钢涉及的主要元素,P、S、Cu为有害元素[1]。
(1)碳的影响
碳是弹簧钢中最重要的元素,碳含量对弹簧钢的性能起着至关重要的作用。碳溶解在钢中形成间隙固溶体,起到固溶强化作用;它与强碳化物形成元素形成碳化物析出,起到沉淀强化作用,所以碳是主要的强化元素[2]。图1表明,当含量相同(均为0.5wt%)时,碳对淬火回火钢的强化效果大约为硅的5倍,铬的9倍和锰的18倍[3]。研究表明[4],碳还是影响抗弹减性最强烈的元素。为了保证弹簧钢具有足够的强度、硬度、弹性和疲劳寿命,钢中必须有相当高的碳含量,因此合金弹簧钢的碳含量一般比合金结构钢高。
图1 合金元素对淬火回火后抗拉强度的影响
各国标准中弹簧钢碳含量一般都较高(>0.50wt%)。但最近的研究表明[5],这样高的碳含量虽然对强度、硬度、弹性、疲劳性能等有利,但对塑性和韧性、脱碳敏感性、成形性不利。如Si-Ni-Cr-Mo-V系钢的碳含量超过0.5wt%时,不仅塑性和韧性急剧下降,屈强比也大幅度降低。但为了提高钢的韧性和塑性,也有把碳含量降低的趋势。当前纳入标准的弹簧钢含碳量较低的有日本的SUP10(0.47~0.55wt%),美国的SAE6150(0.48~0.53wt%),德国的弹簧钢多数含碳量较低,含碳量最低的是38Si7(0.35~0.42wt%),常用的50CrV4含碳量为0.47~0.55wt%,法国的46S7含碳量为0.43~0.49wt%,45C4含碳量为0.41~0.48wt%[6]。有一些新研制的弹簧钢的碳含量更低,像我国研制开发的低碳马氏体弹簧钢,含碳量在0.30wt%左右,如28SiMnB,35SiMnB[7],由于碳含量低,热处理后得到的是低碳板条马氏体组织,塑性、韧性都特别好。此外,淬火后可自回火,加工性能好,而且成分简单,价格便宜。但过低的碳量可能降低钢的弹性抗力。
与此相反,为了获得更高的强度、硬度,以保证不断提高的工作应力的要求,弹簧钢的碳含量也有增加的趋势,许多新研制的高强度弹簧钢的碳含量上限达0.70wt%和0.80wt%,甚至更高[8]。
(2)硅的影响
硅是最常用和最重要的合金元素之一。弹簧钢中的硅含量多在1wt%以上,甚至可达3wt%。加硅的主要目的是提高钢的强度、弹性和回火稳定性[9]。研究表明硅是所有合金元素中提高弹减抗力能力最强的,所以新研制的一些弹减抗力优良的弹簧钢都含有较多含量的硅。
硅原子半径较大,Si在钢中不形成碳化物,而是固溶到铁素体中可使铁素体晶粒发生畸变,从而有效地提高铁素体基体的强度。硅可以促进钢在回火时碳化物的析出起到沉淀强化作用。这不仅提高弹簧钢的回火稳定性,而且也改善其弹性松弛。如图2所示[10],在0.60wt%C-0.90wt%Mn-0.20wt%Mo钢中,随硅含量提高,碳化物数量几乎直线上升,而颗粒度和间距则相应减小。
图2  硅对Mn-Mo钢中碳化物质点密度和间距的影响
但高硅增加钢的轧制抗力,对钢材表面质量会有不良影响。但是迄今为止,对钢中的最佳硅含量尚无一致的看法。一些研究者认为,1.5~2.0wt%Si弹减抗力值最高,且基本稳定,超过2.0wt%则下降[11];另有部分研究者认为硅含量即使提高到2.5wt%左右,弹减抗力仍不断提高,例如韩国生产的新型高Si(2.0~3.5wt%)弹簧钢,设计应力超过了1300MPa。因此在高Si钢(如SUP7)基础上添加V和Nb元素起到晶粒细化、沉淀强化作用的钢质在汽车弹簧上得到广泛应用[12]。F.Borik等认为弹簧钢弹减抗力随Si含量在0.29~2.26wt%范围内增加而提高[13]。虽然硅元素有显著提高弹簧钢弹减抗力的作用,但当硅含量达到一定值(2.2wt%左右)后,这种作用将使钢的Ac3温度升高,淬火组织不均匀;韧性下降、碳的活度增加;增加钢的轧制抗力,促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向,使冶炼困难并易形成夹杂物。因此高硅含量弹簧钢的使用仍需慎重。研究表明[14], 在保证弹减抗力的前提下,降低硅含量是可行的,如Tata等将SAE9260钢中的硅含量降至1.00~1.25wt%时,该钢仍具有满意的弹减抗力。
(3)锰的影响
锰、铬是在弹簧钢中仅次于硅的常用合金元素。锰是一种有利于消除硫的有害作用又有利于脱氧的元素。锰显著提高淬透性,改善热处理性能,强化基体和细化珠光体组织,从而提高钢的强度和硬度[15]。此外,锰是扩大奥氏体区的元素,具有推迟γ-α转变过程的作用,增强了奥氏体的稳定性,增大孕育期,随着Mn含量的增加,相变开始温度降低[16]。但当锰含量小于0.1wt%时作用很小。当含量超过1wt%时由于淬透性增强,热轧后钢的组织很可能转变为贝氏体或马氏体,使钢的韧性变坏,以致使钢丝不易加工且稳定性变坏。在一种耐久性和抗弹减性优良的弹簧钢中,认为锰含量必须大于0.5wt%,以使淬火时弹簧钢心部完全进行马氏体转变,但当锰含量超过1.5wt%时,韧性明显下降。目前较为一致的看法是,锰的含量应为0.50~1.50wt%。
(4) 铬的影响
铬能显著提高钢的淬透性,与锰共用效果更好。与硅相比,铬的突出优点是它不易促使弹簧钢脱碳、石墨化和晶粒粗化。铬阻止石墨化的原因在于Cr可以降低钢中碳活度,而且又是碳化物形成元素,提高了钢中碳扩散的激活能,减轻了钢的脱碳倾向[17]。Cr是一种固溶强化元素,与α—Fe可形成置换式固溶体,起到固溶强化的作用,而对韧塑性影响不大。Cr元素能够提高钢的强度,其主要原因是Cr使钢C曲线明显右移,相同冷速下获得的珠光体片间距更加细化,从而提高珠光体的强度。Cr元素影响珠光体转变动力学可以从以下几方面来分析。首先,珠光体转变是典型的扩散型转变,转变受碳的扩散控制,而合金元素Cr的加入降低了C的扩散速度,从而降低了珠光体的形核率和长大速率,推迟了珠光体转变。其次,珠光体转变时合金元素通过扩散在渗碳体和铁素体间进行了再分配,转变受合金元素的扩散所控制。因为合金元素扩散系数远远小于碳的扩散系数,约为碳的扩散系数的10-3~10-4,故使珠光体转变速度大大减慢。合金元素在r/α界面聚集,起到了阻止界面移动的拖曳作用,降低珠光体形成速度。
以铬为主要强化元素的弹簧钢50CrV4在世界各国有较广泛的应用。美国用量最大的弹簧钢5160属于Cr-Mn系钢,由于资源问题,美国曾研究过低铬或无铬的悬架弹簧用钢,通过详细研究铬对Si-Mn系弹簧钢性能的影响,发现铬含量在0.3~0.56wt%的范围内降低含1wt%Si钢的鲍辛格效应,这就说明铬降低钢的抗弹减性[18]。文献研究了向9260钢中加入铬对弹减抗力的影响[19],如图3所示,其中9260-Crl含0.51wt%Cr,9260-Cr2含1.02wt%Cr,可以看出,加0.51wt%Cr对9260钢的抗弹减性没有明显影响,但加入1.02wt%Cr则明显对抗弹减性不利。这个原因尚不清楚,但发现含铬的9260钢回火组织不均匀。认为这可能是由于在SAE9260这样的高硅钢中,回火时硅和铬的倾向不同,硅倾向于稳定ε碳化物,阻碍向Fe3C转变,使硅脱离Fe3C位置,而铬倾向于聚集在Fe3C中。曾有实验结果表明[20],在Si-Cr、Si-Cr-Mo、Si-Cr-V系弹簧钢中,随铬含量的增加,鲍辛格迟滞迥线面积减小,说明铬降低钢的抗弹减性。
图3  Cr对SAE9260钢的残余剪切应变的影响
但目前Si-Mn弹簧钢中加入Cr可提高淬透性、提高屈服强度、减小脱碳层深度,通常的Si-Mn弹簧钢性能大大提高。因此,即使在新研制的弹簧钢中也总是含有不同含量的铬元素。
(5) 钒和铌的影响
钒和铌均是强碳化物形成元素,在钢中有沉淀强化和细晶强化的作用。近期的研究进一步证实这一点[21],这两种元素生成细小弥散且硬度高的MC型碳化物,其强化效果超过M2C和M3C碳化物,且所需数量少。高强度Si-Ni-Cr-Mo钢加入0.20wt%V有助于提高弹减抗力,同时还能改善塑性、韧性和屈强比,钒含量再高,效果反而不好。在SAE9254弹簧钢中加入0.21wt%V可提高钢的塑性和疲劳极限。
铌除具有与钒相似的作用外,还可预防热加工时钢的晶粒粗化和由此导致的韧性下降,改善抗断性。有的研究指出[22],同时加入钒和铌时因其复合作用的结果可以收到更好的效果。SAE9260钢中同时加入少量钒(0.09~0.29wt%)、铌(0.04~0.22wt%),钢的淬透性提高,奥氏体晶粒细化,550℃回火时出现明显二次硬化峰,而且显著提高弹减抗力,文献报导[23],研究了在SAE9260钢中加入钒和铌所起的作用。由于钒和铌抑制钢回火时的软化,所以在相同的回火温度下,钒和铌处理的钢强度高于SAE9260。由于屈服强度是发生一定程度塑性变形时的应力,因而可以认为钒和铌处理的钢抗弹减性优于SAE9260,即钒和铌元素提高了钢的抗弹减性。
还有文献报导钒有效降低35SiMnB钢的脱碳敏感性[24],认为这与钒降低钢中有效固溶碳,防止晶粒长大和阻止晶界扩散并提高抗氧化性有关。同时含钒钢的碳活度低于不含钒钢,因而其脱碳敏感性也较低。
(6)其他微量合金元素
近来的研究非常重视微量合金元素在弹簧钢中应用,所涉及的微量元素最多的就是硼。
硼是强烈提高淬透性的元素,0.001~0.003wt%的硼的作用分别相当于0.6wt%Mn、0.7wt%Cr、0.15wt%Mo、1.5wt%Ni[25]。在冶炼过程中,必须加一定量的Ti以固定B。硼以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时,特别容易聚集在位错线附近,阻碍位错运动,抑制变形过程,因而使钢的弹减抗力提高。许多研究表明,当固溶B为某一数值或范围时,对应有最佳的淬透性。最佳固溶B含量取决于在γ相晶界等α相形核位置上B的偏析量。当B量不足时,晶界上B的吸附量很少,使钢的淬透性较低;当B量过多时,则会在晶界上析出硼化物,这会促进γ→α转变,同样降低钢的淬透性。再则,B含量增加,在冶炼时加Ti量也增加,这必然会增加钢中Ti(C,N)夹杂物的量,这对钢的疲劳性能是很不利的,同时也增加了钢的成本[26,27]。由于B吸附在γ晶界上,降低γ晶界自由能,抑制了γ→α的转变,因而提高了钢的淬透性。但是随着B含量升高,当B在奥氏体晶界上偏析的量超过它的固溶度后,在晶界上就会析出硼化物,它会加速珠光体形核,促进γ→P转变,因而降低钢的淬透性。通过淬透性实验得出结论,在不析出硼化物的前提下,B的奥氏体晶界上吸附的量越多,它对提高淬透性所起的作用就越显著;一旦B量超过了它的固溶度以后,一部分B就以硼化物的形式在晶界上析出,从而降低钢的淬透性。所以B量的加入存在一个极大值,对应有最佳淬透性,实验得出是0.0009wt%[28,29]。
在弹簧钢中加硼的目的多数是为了提高钢的淬透性,也有报导硼可以提高钢的塑性、韧性和抗弹减性。对这种现象的解释是[30],硼优先渗透进入晶界,可以控制磷的晶间偏析,从而防止晶界脆化。则Si-Cr-V-Ni-Nb-B弹簧钢的冲击值高于其它常规弹簧钢就是这个原因。在加B的时候,应在保证淬透性的前提下尽量少加。这样不但能够提高钢的内部质量,而且还能降低钢的成本。
(7)磷、硫、铜的作用
化学成分中磷、硫为有害元素,含量应尽可能的低。钢中残余铜也应尽可能的低,因为含铜的钢在氧化气氛中加热,氧化皮下易形成富铜层,当晶界上分布有游离铜时,加热温度高于1100℃,晶界熔化,加热同时产生表面裂纹[31]。
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