孫 銘

（江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223001）

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)革新發(fā)展中，機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造技術(shù)得到了優(yōu)化探索，其中60Si2Mn系Si、Mn合金彈簧鋼作為一種廣泛運(yùn)用的產(chǎn)品，不僅是機(jī)械裝置和自動(dòng)控制中心的重要組成部分，實(shí)際質(zhì)量還直接決定了系統(tǒng)裝置的應(yīng)用功能和時(shí)間。從本質(zhì)上講，彈簧的質(zhì)量和材料的熱處理工藝有緊密關(guān)系，因此要想得到高質(zhì)量的彈簧產(chǎn)品，必須要在實(shí)踐生產(chǎn)制造中對(duì)的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化探索，只有這樣才能獲取更為優(yōu)質(zhì)的材料產(chǎn)品。

1 熱處理分析

（1）物理工藝。簡(jiǎn)單來(lái)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(tài)金屬中獲取工程技術(shù)。出現(xiàn)這種變化的原因在于，固態(tài)金屬在改變溫度的情況下，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組織也會(huì)發(fā)生變化，如果可以在這一過(guò)程中根據(jù)具體變化規(guī)律，選擇特殊的處理方式，那么就能得到所需組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)用性能。傳統(tǒng)意義上的熱處理工藝包含四種類(lèi)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(jìn)行加熱和保溫，并按照適宜的速度進(jìn)行冷卻，以此提升淬火鋼材料的韌性和塑性，清除內(nèi)部殘余的應(yīng)力，全面保障鋼材料的穩(wěn)定性。如果淬火零件沒(méi)有經(jīng)過(guò)回火處理直接使用，那么并不符合當(dāng)前技術(shù)處理要求。部分含碳量過(guò)高的鋼制零件或復(fù)雜零件，在淬火之后等待回火期間經(jīng)常出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，由此證明淬火之后的鋼材料存在較多殘余的應(yīng)力，實(shí)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(nèi)空氣完成自然冷卻。這樣不僅能細(xì)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(jīng)常被看作是預(yù)備熱處理工藝，為后續(xù)熱處理工作奠定基礎(chǔ)保障；第三，淬火。這項(xiàng)工藝會(huì)將鋼材料加熱到臨界溫度以上，在保溫一定時(shí)間之后實(shí)現(xiàn)奧氏體化，再利用超過(guò)臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻處理。經(jīng)過(guò)處理之后的材料組織大都屬于馬氏體，部分情況下也會(huì)產(chǎn)生貝氏體或兩者的混合物[1]。通常情況下，在這項(xiàng)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(yōu)化材料的強(qiáng)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(jīng)過(guò)保溫處理，并按照規(guī)定速度進(jìn)行冷卻，最終改善材料的組織結(jié)構(gòu)，提升實(shí)際加工性能。

（2）化學(xué)工藝?；瘜W(xué)熱處理的工藝技術(shù)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(shì)介質(zhì)中加熱，一直到出現(xiàn)奧氏體狀態(tài)后進(jìn)行保溫處理，這樣能讓材料表層構(gòu)成富碳層[2]。根據(jù)所使用介質(zhì)的物理狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，可以將這種處理分成氣體、液體、固體三種狀態(tài)，其中氣體具有條件好、生產(chǎn)率高、可控性等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)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(lái)提升材料的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、硬度等性能，目前主要運(yùn)用在航天工程中，具有極強(qiáng)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(shù)需要根據(jù)材料性能有針對(duì)性地選擇。

2 60Si2Mn熱處理與性能之間的關(guān)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(shí)踐發(fā)展中獲取60Si2Mn材料的潛在優(yōu)勢(shì)，持續(xù)提升機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用質(zhì)量，科研學(xué)者在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)60Si2Mn熱處理工藝進(jìn)行了深層研究，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）力學(xué)性能。一方面，在不同加熱條件下進(jìn)行退火處理，同時(shí)經(jīng)過(guò)440℃進(jìn)行回火處理。最終發(fā)現(xiàn)，在不同淬火溫度下，使用相同回火溫度的材料力學(xué)性能雖然發(fā)生變化，但對(duì)抗拉強(qiáng)度、殘留的伸長(zhǎng)應(yīng)力和硬度影響不大，對(duì)疲勞極限的影響更大。隨著淬火溫度的不斷增加，奧氏體經(jīng)歷也會(huì)持續(xù)長(zhǎng)大，可以對(duì)材料性能進(jìn)行全面優(yōu)化。具體結(jié)果如表1所示。另一方面，在870℃實(shí)施淬火處理，并經(jīng)過(guò)不同溫度完成回火處理。最終發(fā)現(xiàn)，不同的回火溫度會(huì)對(duì)材料的疲勞性能和拉伸性能產(chǎn)生較大影響。400℃回火的試樣雖然提高了抗拉強(qiáng)度和殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，但實(shí)際疲勞性能并不穩(wěn)定。具體結(jié)果如表2所示。

表1 不同淬火溫度下的力學(xué)性能分析

表2 不同回火溫度下的力學(xué)性能分析

（2）淬透性。這項(xiàng)性能是選擇材料和工藝的有效依據(jù)。假設(shè)工件已經(jīng)完成淬透，那么它的表層與內(nèi)部性能就具有一致性和均衡性，可以充分展現(xiàn)材料的機(jī)械性能；但若是沒(méi)有完全淬透，那么材料的性能便會(huì)出現(xiàn)差異，特別是在回火之后，內(nèi)部的強(qiáng)韌性將會(huì)低于表層。需要注意的是，由于各類(lèi)零件的受力狀況和處理工藝存在差異，所以它們對(duì)淬透性的要求也有不同。比如說(shuō)，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(shí)發(fā)生斷裂等問(wèn)題。

（3）等溫處理。首先，等溫淬火。這項(xiàng)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(guò)Ms點(diǎn)的淬火介質(zhì)中，在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)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(diǎn)的淬火介質(zhì)中，在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變成馬氏體，而后取出在空氣中冷卻。其次，加熱溫度。在這項(xiàng)處理中，因?yàn)榈葴責(zé)峤橘|(zhì)的溫度過(guò)高，冷卻力較低，所以為了預(yù)防轉(zhuǎn)變成珠光體或貝氏體，要注重提高穩(wěn)定性，實(shí)際加熱溫度要比普通淬火高30℃到80℃。再次，等溫溫度。一般來(lái)講，等溫的溫度差距通常控制在5℃左右，原因在于其對(duì)性能影響非常顯著，如果數(shù)據(jù)差異過(guò)大，很難滿足預(yù)先設(shè)定的技術(shù)要求。最后，等溫介質(zhì)。在生產(chǎn)制作期間，最常運(yùn)用的介質(zhì)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(guò)程中，要為零件的厚度設(shè)定限制條件，如果超出這一范圍，那么零件的性能將達(dá)不到預(yù)期要求。一般來(lái)講，實(shí)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(xué)性能。對(duì)60Si2Mn來(lái)說(shuō)，根據(jù)自身的變形力學(xué)行為，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)為流變應(yīng)力和應(yīng)變條件之間的關(guān)系構(gòu)建研究模型，可以從中發(fā)現(xiàn)更多有價(jià)值的工藝參數(shù)。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(yōu)化產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能，還可以提升產(chǎn)品的表層質(zhì)量，有效控制能源消耗。同時(shí)，大部分零件在變動(dòng)載荷影響下會(huì)發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，因此在研究60Si2Mn的力學(xué)性能時(shí)，要根據(jù)影響因素和破壞過(guò)程，為疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和材料選擇提供有效依據(jù)。

（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(jìn)一步提升材料的硬度和強(qiáng)度，因此可以看作是第二相的強(qiáng)化作用。需要注意的是，因?yàn)闈B碳體比較粗大，整體呈現(xiàn)片狀，所以實(shí)際強(qiáng)化作用有限，可以提升的硬度和強(qiáng)度不多，但能有效控制材料的韌性和塑性。發(fā)生這種轉(zhuǎn)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(guò)程中不僅完成了原子擴(kuò)散，還進(jìn)行了點(diǎn)陣重建，因此可以將珠光體轉(zhuǎn)變看作是以擴(kuò)散為基礎(chǔ)的一種機(jī)制。在等溫退火中，如果溫度和完全退火時(shí)一致，在冷卻時(shí)溫度處在Ar以下，那么就可以出現(xiàn)珠光體轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，最終拿出冷卻到室溫狀態(tài)。

3 60Si2Mn的熱處理工藝優(yōu)化分析

（1）常規(guī)處理。根據(jù)實(shí)踐累積經(jīng)驗(yàn)分析顯示，60Si2Mn的常規(guī)化熱處理要在油中淬火，在中溫時(shí)回火。具體操作過(guò)程分為：第一，預(yù)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(shí)間要根據(jù)所選爐具進(jìn)行調(diào)整，其中鹽浴爐的時(shí)間是0.5到0.6min/m，箱式爐的時(shí)間是1.0到1.2min/m。由于淬火保溫的時(shí)間直接影響了處理工藝的均衡性，所以若是沒(méi)有正確管控，那么很難全面溶解鐵素體。在超過(guò)溫度的條件下進(jìn)行保溫冷卻，最終可以得到奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的過(guò)程。

冷鐓模具在淬火后回火，只能清除淬火之后出現(xiàn)的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。從本質(zhì)上講，油淬回火的過(guò)程是指，將60Si2Mn鋼材料加熱到理想溫度之后，經(jīng)過(guò)急劇冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體，最終獲取的晶粒和組織并不符合要求。對(duì)淬火馬氏體組織進(jìn)行回火處理，可以獲取其他組織，比如說(shuō)索氏體、屈氏體等。如果沒(méi)有有效控制淬火加熱、冷卻、回火溫度等內(nèi)容，那么很容易出現(xiàn)部分或所有索氏體。根據(jù)實(shí)踐生產(chǎn)顯示，在60Si2Mn冷鐓模材料尺寸設(shè)計(jì)低于φ24mm或超過(guò)φ26mm的情況下，選用常規(guī)化的熱處理工藝，雖然不會(huì)出現(xiàn)過(guò)于嚴(yán)重的淬火裂紋，但因?yàn)榇阃感源嬖诓町悾瑢?dǎo)致材料的耐磨性并不高，這就證明常規(guī)工藝已經(jīng)不符合處理需求，需要在實(shí)踐探究中選用更加先進(jìn)的工藝技術(shù)。

（2）亞溫和高溫。從本質(zhì)上講，亞溫淬火屬于目前科研探討的全新工藝，既能細(xì)化晶粒，利用少量沒(méi)有溶解的鐵素體控制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散，又可以改善雜質(zhì)元素的分布情況，提升60Si2Mn的強(qiáng)鋼性。與此同時(shí)，還可以有效控制60Si2Mn鋼材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，避免60Si2Mn出現(xiàn)可逆回火脆性，因此主要用來(lái)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(yōu)化軸套的機(jī)械性能，保障實(shí)際工藝取得一定效果。實(shí)踐結(jié)果顯示，60Si2Mn彈簧鋼在930℃到950℃之間進(jìn)行高溫淬火，金相組織中的板條馬氏體數(shù)量會(huì)持續(xù)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(chǔ)上利用制作冷鐓螺帽的沖模，在經(jīng)過(guò)920℃淬火之后，產(chǎn)品的使用時(shí)間要比正常淬火的更高，通?？梢蕴嵘齼杀丁?/p>

（3）等溫與分級(jí)淬火。為了進(jìn)一步提升冷鐓模的應(yīng)用時(shí)間和韌性，科研學(xué)者還在實(shí)踐探究中提出了更多先進(jìn)的淬火方法，比如說(shuō)等溫淬火、分級(jí)淬火等。在當(dāng)前產(chǎn)品生產(chǎn)制作中，基于貝氏體提出的等溫淬火方式應(yīng)用更多，這種工藝既可以提升冷鐓模的彈性和強(qiáng)度，又可以改善產(chǎn)品的韌性和塑性。在等溫淬火之后，模套還會(huì)擁有更為穩(wěn)定的抗松弛性能，實(shí)際組織應(yīng)力和熱應(yīng)力也會(huì)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(shí)，前者要加熱，后者要等溫。相比常規(guī)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(zhì)量和使用時(shí)間得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）鍛后余熱。這種熱處理工藝是指形變加相變的綜合強(qiáng)化方法，不僅能有效提升冷鐓模的剛性，還可以增加實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)用壽命，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用到科研探索和生產(chǎn)制作工作中。比如說(shuō)，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(jī)械油中停留3到5分鐘，在550℃的爐中回火3到4小時(shí)，而后對(duì)表層進(jìn)行噴風(fēng)處理，硬度要控制在37HRC到42HRC之間，這樣不僅能提升產(chǎn)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(chǎn)品的使用時(shí)間提升了二到三倍，因此這也是目前冷鐓模熱處理工藝優(yōu)化的主要方向。需要注意的是，因?yàn)殄懞笥酂岬奶幚碛捕冗^(guò)高，實(shí)際機(jī)械加工的難度較大，所以會(huì)影響整體生產(chǎn)應(yīng)用效率和質(zhì)量。

4 實(shí)驗(yàn)分析

（1）確定方案。根據(jù)上述對(duì)60Si2Mn性能和熱處理工藝的分析內(nèi)容，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方案，在正式實(shí)驗(yàn)之前，要準(zhǔn)備好厚度是8毫米的60Si2Mn，并將其加工4×8cm的實(shí)驗(yàn)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(shí)，要準(zhǔn)備箱式電阻爐進(jìn)行熱處理分析，將準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)樣品放在1120℃的電阻爐中加熱，等到樣品完全熱透后開(kāi)始計(jì)時(shí)，在保溫后跟隨爐子冷卻到300℃以下，最終冷卻到室溫狀態(tài)。

退火作為60Si2Mn熱處理工藝中應(yīng)用最為廣泛的內(nèi)容之一，需要將60Si2Mn加入到規(guī)定溫度，在保溫處理之后利用適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行冷卻，以此改善60Si2Mn的組織結(jié)構(gòu)，提升實(shí)際應(yīng)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(zhuǎn)變成奧氏體。需要注意的是，這項(xiàng)操作的臨界溫度會(huì)根據(jù)所選材料發(fā)生偏差；正火是指將60Si2Mn要加熱到Ac3或Acm以上，30℃到50℃之間進(jìn)行保溫，最終在室溫的靜止空氣中自動(dòng)冷卻。

本文研究實(shí)驗(yàn)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(jìn)行室內(nèi)靜止空氣的自動(dòng)冷卻。在處理之后，利用600Cw、1200Cw、2000Cw的砂紙從粗到細(xì)進(jìn)行打磨，一直到表層沒(méi)有劃痕為止。再利用金相拋光機(jī)進(jìn)行拋光，確保表層的微小劃痕全部消失。而后運(yùn)用一百倍的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，判斷表層劃痕是否處理完善。同時(shí)，利用4%的硝酸酒精溶液對(duì)式樣進(jìn)行腐蝕，如果金相顯微鏡下的圖像變黑，那么就證明腐蝕過(guò)于嚴(yán)重；如果顯微鏡下的圖像不清晰，那就證明腐蝕較淺。

（2）結(jié)果分析。一方面，顯微組織。選用金相法對(duì)各種狀態(tài)下的纖維組織進(jìn)行觀察研究，在1120℃的條件下，退火組織發(fā)生了較大變化，因此可以將退火看作預(yù)備的熱處理操作，主要用來(lái)優(yōu)化研究材料的切削加工性能，控制材料內(nèi)部應(yīng)力，保障材料組織結(jié)構(gòu)具有均勻化，以此為后續(xù)研究提供有效依據(jù)。另一方面，硬度分析。本文研究對(duì)不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的硬度進(jìn)行測(cè)試，得到了如下表3所示的結(jié)果，從中分析發(fā)現(xiàn)材料性能可知，1號(hào)和2號(hào)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(hào)、5號(hào)、7號(hào)在220℃下等溫1、2、4小時(shí)，隨著時(shí)間的不斷增加，實(shí)際硬度數(shù)值會(huì)持續(xù)下降；9號(hào)屬于退火狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)樣品，10號(hào)屬于正火狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)樣品，前者的硬度數(shù)值更低，后者的硬度數(shù)值更高，原因在于后者材料包含碳元素和合金元素的數(shù)量更多，實(shí)際淬透性更高。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，60Si2Mn作為新時(shí)代各行領(lǐng)域生產(chǎn)制作的重要材料，在實(shí)踐探究中持續(xù)優(yōu)化熱處理工藝，可以保障其在實(shí)踐應(yīng)用中充分發(fā)揮自身的潛在性能，提升生產(chǎn)制作產(chǎn)品的使用壽命和安全質(zhì)量。