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(tǒng)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(wěn)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(jié)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(xiàn)明顯的脫碳。較深的脫碳層，尤其是完全脫碳層的出現(xiàn)會顯著降低板簧表面強度，造成服役時表面過早出現(xiàn)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(guī)律對優(yōu)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(huán)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(qū)、兩相區(qū)和奧氏體單相區(qū)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(qū)和兩相區(qū)加熱

圖1為未相變區(qū)750 ℃加熱樣品和兩相區(qū)800 ℃加熱樣品的表面形貌。750 ℃加熱樣品由于尚未發(fā)生相變，僅發(fā)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(fā)生了比較明顯的球化。兩相區(qū)800 ℃加熱時，樣品表面出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)域，造成板簧使用壽命顯著下降。

板簧在兩相區(qū)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(qū)，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?yōu)殍F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(qū)加熱時會出現(xiàn)完全脫碳層[3]。因此板簧在生產時應避免兩相區(qū)加熱或者兩相區(qū)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(qū)加熱

圖2為60Si2CrV在奧氏體單相區(qū)(900 ℃和1100 ℃)加熱樣品的表面形貌?？梢钥闯?，加熱溫度進入奧氏體單相區(qū)后，板簧基本上只發(fā)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(qū)和兩相區(qū)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(qū)和鐵素體單相區(qū)。同時在空氣中加熱時不僅會發(fā)生板簧的脫碳現(xiàn)象，還會發(fā)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(guī)律?？梢钥闯黾訜釡囟仍?00 ℃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(xiàn)象是鋼鐵材料熱加工和熱處理過程中不可避免的現(xiàn)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(fā)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(xiàn)。因此如何在空氣環(huán)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(qū)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(qū)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(qū)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(xiàn)脫碳層的全流程控制。1000 ℃和1100 ℃是60Si2CrV脫碳的敏感溫度區(qū)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(xù)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(xiàn)輕微的部分脫碳，深度為20 μm；當溫度到達AC1-AC3兩相區(qū)的800 ℃時，只發(fā)生完全脫碳，深度為35μm；在AC3以上的900，1000，1100，1200 ℃分別加熱均發(fā)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(qū)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(qū)長時間保溫。