60Si2Mn彈簧鋼減震器脫碳研究
科學進步
作者：周運傑 沈新建 徐偉 湯文龍
摘 要：通過對彈簧生產的各個熱加工工藝過程進行分解和綜合模擬試驗，檢測各個熱加工工藝過程的脫碳情況，討論研究60Si2Mn彈簧鋼的脫碳機理。結果表明，彈簧生產中熱整形工序為主要脫碳工序，其中引起總脫碳層最主要的因素為相變以上溫度和停留的時間，引起全脫碳最主要的因素為冷卻速度。
關鍵詞：60Si2Mn；彈簧；脫碳
1 前言
公司某型機車柴油機在UIC試驗及樣車線路運行返廠拆檢時，減震器彈簧組有斷裂現象。斷裂簧片金相檢驗發現表麵存在嚴重脫碳。彈簧脫碳層的存在會明顯降低彈簧的疲勞極限特別是表麵出現鐵素體全脫碳層時，可使彈簧的疲勞極限降低50%，嚴重損害彈簧的疲勞壽命。另外全脫碳層與部分脫碳層的膨脹係數不同，之間的過渡區容易引起應力集中而產生微裂紋，給柴油機的正常運用帶來隱患。60Si2Mn彈簧鋼是我國常用Si-Mn係鋼種，有很強的脫碳傾向，使得彈簧在熱加工生產中更容易脫碳。通常情況下鋼在氧化氣氛裏加熱到一定溫度後脫碳和氧化會同時存在，兩者的共同作用決定最終的脫碳層深度。本文通過模擬試驗得出彈簧組生產中影響脫碳最嚴重的工序，並討論脫碳機理，為優化生產工藝減少脫碳提供理論依據和數據支持。
2 試驗材料及方法
原卷簧組主要生產工藝為：備料→退火→冷卷→熱整形→淬火→回火→拋光，熱處理設備采用無保護氣氛的箱式電爐。其中回火溫度低於500℃不造成脫碳，對脫碳層可能存在影響的熱加工工序隻有退火、熱整形、淬火。
試樣原材料取自同爐熱軋板料，經刨、磨減薄去除脫碳層。共製成五組試樣，每組10個共5×10=50個，其中三組分別進行退火、熱整形、淬火單工序處理，第四和第五組分別進行退火+熱整形、退火+熱整形+淬火組合工藝處理。前三組試樣按長×寬40mm×30mm截取，第四和第五組試樣按長×寬40mm×60mm截取，試樣用阿拉伯數字依次標識。
3 試驗結果及分析
試驗結果
60Si2Mn彈簧鋼的Ac1溫度為755℃、Ac3溫度為810℃。五種試驗方案其中第一種方案退火的加熱溫度低於相變溫度Ac1時，材料中碳在珠光體基體中主要以FeC3形式存在。在此溫度下難以擴散，因此鐵的氧化而無明顯脫碳現象。
淬火、整形、退火+整形以及退火+整形+淬火四種試驗方案的加熱溫度都在Ac3溫度以上，均出現了不同程度的脫碳層，其平均總脫碳層深度分別為0.103mm、0.117mm、0.128mm、0.166mm，深度依次遞增，增加幅度較為明顯，特別是退火+整形+淬火。按表2試驗熱加工工藝處理，分析其原因Ac3溫度上加熱冷卻過程中發生α鐵→γ鐵→α鐵相變，其相應組織發生P+F→A→M或P+F的組織轉變，由於此溫度下碳在奧氏體中的擴散速度遠比在珠光體中快，在奧氏體時間段脫碳會明顯加快，淬火、整形、退火+整形保溫溫度和時間差別不大，因此總脫碳差別不大。又由於其加熱和冷卻速度的差異，導致實際在相變溫度以上時間略有差異，所以其平均總脫碳厚度又依次遞增。退火+整形+淬火工藝有兩次在相變溫度以上加熱冷卻所以其平均總脫碳深度明顯大於其它三種方案。因此脫碳主要發生在奧氏體時間段，相變溫度以上時間和溫度高低決定脫碳層的深度。