CN110144438B - 一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法，包括如下步骤：将60Si2CrVA弹簧钢加热至850℃并保温30分钟，然后油冷至室温进行淬火处理；对经过淬火处理的60Si2CrVA弹簧钢施加恒定应力，并在保载条件下使60Si2CrVA弹簧钢随炉升温到回火温度，保载保温一段时间，进行应力辅助回火处理；应力卸载，随后空冷至室温。本方法降低了60Si2CrVA弹簧钢的回火温度，由此抑制了α相和碳化物发生长大，从而达到了通过微观组织晶粒细化而实现强韧化设计的目的。相较于传统回火方法，本发明提供的方法可同时提高弹簧钢的强度和塑性。
Description
技术领域
本发明涉及金属热处理领域，更具体地，涉及一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法。
背景技术
随着高铁、动车等先进动车组的相继问世，中国在快速轨道交通领域己跻身世界前列。提速运行引起复杂而剧烈的车体振动，对转向架减振弹簧提出了苛刻的要求。具有良好综合机械性能的60Si2CrVA弹簧钢材料在先进动车组减振弹簧中得到了成功的应用和长足的发展。随着轨道交通的快速发展，比如预研的600km/h超快高铁，车体在运行中的振动和冲击将变得更加复杂，对减振弹簧提出了更加苛刻的要求，迫切需求进一步提高60Si2CrVA马氏体钢的综合性能。
根据GB/T 1222-1984，60Si2CrVA钢的标准热处理制度为850℃奥氏体化处理+油淬+中温回火，得到回火屈氏体；其由板条状α相和弥散渗碳体相组成，主要的强化机制为晶粒细化强化，也被认为是第二相(α相)强化和弥散析出(碳化物)强化的综合作用。将油淬钢件进行中温回火的目的是减小或消除钢件内应力同时调整材料微观组织，显著改善其延性和塑性。根据金属学原理，考虑到60Si2CrVA钢马氏体中碳元素的过饱和程度及其扩散能力，为促进马氏体的分解和碳化物的析出、并得到良好的微观组织，将回火温度定在410℃。
然而，这个较高的回火温度造成60Si2CrVA钢马氏体中α相和碳化物发生长大、且α相中淬火位错的动态回复而泯灭。这与微观组织晶粒细化强化的设计初衷相悖，会导致材料强度显著下降，比如断裂强度从2100MPa级减低到1800MPa级，屈服强度从1800MPa级降低到1600MPa级。因此，针对下一代快速轨道列车减震弹簧需求，研究并制定一种在较低温度下实现微观相组织调控、并实现材料强韧化设计的回火工艺是非常有必要的。
发明内容
本发明针对60Si2CrVA弹簧钢上述现有回火工艺对其性能的影响，提供了一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法。与传统无应力保载—较高温度回火工艺不同，本方法对油淬60Si2CrVA弹簧钢施加了应力保载—较低温度回火工艺：首先，回火中保载应力与淬火内应力会发生耦合作用，引起后者快速释放；其次，施加应力可以显著提高马氏体中间隙固溶碳元素的化学势，即，提高碳元素的过饱和程度；另外，施加应力可以促进碳元素的定向扩散行为。因此，本发明使60Si2CrVA弹簧钢马氏体的分解和碳化物的析出在更低的温度发生，即，降低了60Si2CrVA弹簧钢的回火温度，由此抑制了α相和碳化物发生长大，从而达到通过微观组织晶粒细化而实现强韧化设计的目的。
根据本发明的一方面，提供了一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法，包括如下步骤：
1)将60Si2CrVA弹簧钢加热至850℃并保温30分钟，然后油冷至室温进行淬火处理；
2)对经过淬火处理的60Si2CrVA弹簧钢施加恒定应力，并在保载条件下使弹簧钢随炉升温到回火温度，保载保温一段时间，进行应力辅助回火处理；
3)应力卸载，随后空冷至室温。
在一些实施例中，所述恒定应力可以为200-350Mpa的压应力。
在一些实施例中，所述恒定应力可以为200-350Mpa的拉应力。
在一些实施例中，步骤2)中，回火温度可以为370±10℃。
在一些实施例中，步骤2)中，保载保温时长可以为50-70min。
特别地，应力辅助回火处理处理后的60Si2CrVA弹簧钢的断裂延伸率为10-15％，断口收缩率为30-40％。
特别地，应力辅助回火处理处理后的60Si2CrVA弹簧钢的断裂强度为1900MPa级，屈服强度为1700MPa级。
特别地，应力辅助回火处理处理后的60Si2CrVA弹簧钢具有细化的微观相组织。
本发明的有益效果：
1)由于本发明采用的回火工艺具有更短的处理时间和更低的回火温度，因而不仅有效抑制了α相和碳化物发生长大，达到通过微观组织晶粒细化而实现强韧化综合设计的目的，而且大幅度降低了生产成本，节省了能源消耗的费用，具有环境友好的特性。
2)由于本发明处理的弹簧钢的微观组织为细化板条状α相—弥散渗碳体组织，因而其强度和塑性同时得到改善，断裂强度从1800MPa级提高到1900MPa级，屈服强度从1600MPa级提高到1700MPa级，断裂延伸率从8-10％提高到10-15％，断口收缩率从20-25％提高到30-40％。
3)由于本发明处理的弹簧钢符合《铁路客车转向架用钢制螺旋弹簧暂行技术条件》(TJ/CL 334-2013)、《机车车辆悬挂装置钢制螺旋弹簧》(TB/T2211-2010)等高速轨道列车标准，并具有更优异的强韧综合性能，因而具有应用在下一代快速轨道列车减震弹簧的潜力。
4)由于本方法是在不进行合金化设计的前提下、仅利用应力辅助回火处理方式细化微观组织实现了强韧化综合设计，所以所制弹簧产品的表面耐蚀性能与相应的表面处理需求基本不变，因而大部分工艺环节可以移植传统工艺流程，实现快速的产业化推广与应用，具有显著的经济效益性。
附图说明
图1为本发明的应力辅助回火工艺的示意图。
图2为本发明的60Si2CrVA油淬弹簧钢件在410℃下保载2小时的蠕变应变随保载应力的变化而变化的散点图。
图3为本发明的60Si2CrVA油淬弹簧钢件在200MPa保载60分钟回火处理后的断裂强度、屈服强度、断裂延伸率和断口收缩率随回火温度的变化而变化的散点图。
图4(a)和(b)分别为经传统410℃/90分钟中温回火处理后的60Si2CrVA弹簧钢的微观组织透射电镜明场图像和透射电镜选区衍射斑点图像。
图5(a)和(b)分别为本发明的应力辅助回火处理后的60Si2CrVA弹簧钢的微观组织透射电镜明场图像和透射电镜选区衍射斑点图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
在本发明的应力辅助回火工艺中，如果保载应力选择过大，材料在回火过程中将发生一定程度的塑性变形，影响钢件尺寸的精确调控，同时，如果回火温度选择不合理，则无法实现微观组织的调控和强韧化综合设计。
为确定以上两个关键技术参数，本发明进行了如下实验。
首先针对保载应力的确定，本发明进行了60Si2CrVA钢油淬钢件的410℃蠕变实验，经测定，60Si2CrVA钢油淬钢件在410℃的屈服强度为900MPa级。根据金属学原理，材料在恒定温度和低于弹性极限的恒定载荷作用下发生缓慢的塑性变形称之为蠕变行为。以压应力为例，图2示出了60Si2CrVA钢油淬钢件在410℃下保载2小时的蠕变应变随保载应力的变化而变化的散点图，从图中可以看出，当应力小于400MPa时，材料不发生蠕变塑性形变。根据金属细晶材料力学行为的拉—压对称原则，因此，优选地，本发明的保载拉应力或压应力为200-350MPa。
其次针对回火温度的确定，图3示出了60Si2CrVA钢油淬钢件在200MPa的保载应力下保载60分钟进行回火处理后的断裂强度、屈服强度、断裂延伸率和断口收缩率随回火温度的变化而变化的散点图。由图可知，随着回火温度的升高，材料的塑性逐步提高，同时伴随着强度的下降。这种“牺牲强度以改善塑性”的现象是马氏体钢回火工艺的共性，主要原因是温度升高导致了α相和碳化物发生长大、且α相中淬火位错的动态回复而泯灭。考虑到强韧化综合设计目标，即，1900MPa级断裂强度、1700MPa级屈服强度、断裂延伸率>10％和断口收缩率>30％，优选地，本发明的回火温度为370±10℃。
在本实例中，本发明所用60Si2CrVA弹簧钢材料主要含有以下重量百分数元素：0.56-0.64％C、1.40-1.80％Si、0.40-0.70％Mn、0.90-1.20％Cr、0.10-0.20％V，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
将60Si2CrVA弹簧钢加热至850℃，保温30分钟；然后油冷至室温，形成具有淬火马氏体组织的淬火钢件；将淬火钢件进行应力辅助回火处理，本实施例中对淬火钢件施加恒定压应力，之后在保载条件下将弹簧钢随炉升温到回火温度370±10℃，保载保温50-70分钟后，应力卸载，将钢件空冷至室温。本实施例中各样品选用的保载压应力和回火温度如表1中所示，其中的对比例选用传统410℃/90分钟的中温回火工艺参数。
表1为实施例和对比例的回火工艺参数
| 编号 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 对比例 |
| 保载压应力(MPa) | 200 | 300 | 350 | 300 | 300 | 0 |
| 回火温度(℃) | 370 | 370 | 370 | 360 | 380 | 410 |
| 回火时间(分钟) | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 90 |
根据GB/T228金属材料室温拉伸试验方法，检测上述实施例所得弹簧钢的断裂强度、屈服强度、断裂延伸率和断口收缩率，如表2所示。
表2为实施例和对比例所得弹簧钢的机械性能检测结果
| 编号 | 断裂强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 断裂延伸率(％) | 断口收缩率(％) |
| 1# | 1977 | 1789 | 10.7 | 32.2 |
| 2# | 1953 | 1764 | 12.3 | 35.7 |
| 3# | 1923 | 1702 | 15.4 | 38.9 |
| 4# | 1965 | 1769 | 11.4 | 33.5 |
| 5# | 1910 | 1718 | 14.3 | 37.1 |
| 对比例 | 1866 | 1650 | 8.0 | 21.1 |
由表1可知，本发明相对于对比例具有更低的回火温度和更短的回火时间，说明本发明的热处理方法节省了能源消耗的费用，降低了生产成本，具有环境友好的特性。由表2可知，经本发明提供的压力辅助回火热处理后的弹簧钢机械性能均优于对比例，断裂强度从1800MPa级提高到1900MPa级，屈服强度从1600MPa级提高到1700MPa级，断裂延伸率从8-10％提高到10-15％，断口收缩率从20-25％提高到30-40％，这说明本发明的热处理方法同时改善了钢材的强度和塑性。
由图4(a)和图5(a)可见，经传统410℃/90分钟中温回火处理和本发明所述应力辅助回火处理后，60Si2CrVA弹簧钢的主体微观组织均为板条状α相。通过透射电镜选区衍射技术观察晶粒尺寸，相较于图4(b)中离散的衍射斑点，图5(b)中斑点更多、更密，特定晶面间距对应的衍射环更清晰，这表明在等面积区域内，由本发明所制得的弹簧钢具有更多的晶粒个数，这说明本发明实现了通过微观组织晶粒细化而实现强韧化设计的目的。
因此，通过本发明提供的应力辅助回火工艺，可以同时改善材料的强度和塑性，达到通过微观组织晶粒细化而实现强韧化设计的目的。实施本发明后的弹簧钢材料实现了强韧化综合设计目标，即，1900MPa级断裂强度、1700MPa级屈服强度、断裂延伸率>10％和断口收缩率>30％，各项性能均符合使用要求、且优于传统回火钢件，具有显著的环境友好特性和经济效益性。
初步试验表明，该工艺也适用于需要进行中温回火处理的马氏体钢材料，如各类弹簧钢、轴承钢和高性能结构钢，均可以一定程度的实现同时提高材料强度和塑性的目标。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (3)
1.一种60Si2CrVA弹簧钢应力辅助回火的方法，所述60Si2CrVA弹簧钢主要含有以下重量百分数元素：0.56-0.64％C、1.40-1.80％Si、0.40-0.70％Mn、0.90-1.20％Cr、0.10-0.20％V，余量为Fe和不可避免的杂质元素，其特征在于，包括如下步骤：
1)将60Si2CrVA弹簧钢加热至850℃并保温30分钟，然后油冷至室温进行淬火处理，形成具有淬火马氏体组织的淬火钢件；
2)对经过淬火处理的60Si2CrVA弹簧钢施加200-350Mpa的恒定压应力或拉应力，并在保载条件下使60Si2CrVA弹簧钢随炉升温到回火温度370±10℃，保载保温50-70min，进行应力辅助回火处理，经过应力辅助回火处理后的60Si2CrVA弹簧钢具有细化的微观相组织；
3)应力卸载，随后空冷至室温，
其中，确定所施加的200-350Mpa的恒定压应力或拉应力的方法为：进行60Si2CrVA钢油淬钢件410℃蠕变实验，考察钢件在410℃下保载2小时所积累的蠕变应变随保载应力的变化规律，选择材料不发生蠕变塑性形变所对应的应力范围中较高应力水平的值作为应力辅助回火工艺的施加应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应力辅助回火处理后的60Si2CrVA弹簧钢满足同时改善强度和塑性的综合目标，断裂强度达到1900MPa级，屈服强度达到1700MPa级，断裂延伸率>10％，断口收缩率>30％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应力辅助回火处理后的60Si2CrVA弹簧钢的断裂延伸率为10-15％，断口收缩率为30-40％。
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