加热温度对60#弹簧钢表面脱碳影响规律的实验研究.pdf

弹簧钢在热加工过程中容易发生脱碳现象，使得弹簧钢表面形成一层脱碳层，降低弹簧钢产品的疲劳性能和使用寿命，严重影响相关产品的质量。根据钢材脱碳规律及主要影响因素设计了脱碳试验平台，制定了加热温度对脱碳过程影响的实验方案，针对6 0#弹簧钢在不同加热温度下的脱碳实验结果进行了分析总结。结果表明，弹簧钢加热温度在7 0 0-110 0 时均会发生脱碳过程，但在不同温度下弹簧钢的脱碳类型不同，在8 50 以下时为全脱碳层，当加热温度超过8 50 后开始发展为半脱碳层，9 50 以后脱碳层基本都为部分脱碳层。实验过程随着弹簧钢加热温度的升高，C原子扩散系数增大，扩散速率加快，钢坏总脱碳层厚度随着加热温度的增加而增大，其脱碳层深度的增长速率随温度升高而增加，与加热温度大致成指数关系。关键词：弹簧钢；脱碳；加热温度中图分类号：TF704.5Experimental Study on Effect of Heating Temperature on Surface Decarburization of 6O#Spring Steel2.School of Energy and Environmental engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:The spring steel is prone to decarburization during Hot working,which forms a decarburization layer on the surface of spring steel,reduces the fatigue performance and service life of spring steel products,and seriously affects the quality of related products.designs a decar-burization test plaform based on the decarburization laws and main influencing factors of steel is designed,and an experimental plan for the in-fluence of heating temperature on the decarburization process is developed.The decarburization experimental results of 60#spring steel at dif-ferent heating temperatures are analyzed and summarized.The results show that decarburization occurs in spring steel at heating temperaturesranging from 700 to 1 100 C,but the decarburization types of spring steel vary at different temperatures.Below 850 C,it is a fully decar-burized layer,and when the heating temperature exceeds 850 ,i t b e g i n s t o d e v e l o p i n t o a s e mi d e c a r b u r i z e d l a y e r.A f t e r 9 50 ,t h e d e c a r-burization layer is basically a partially decarburized layer.As the heating temperature of the spring steel increases,the diffusion coefficient ofC atoms increases and the diffusion rate accelerates.The total decarburization layer thickness of the steel billet increases with the increase ofheating temperature,and the growth rate of the decarburization layer depth increases with the increase of temperature,which is roughly expo-nential with the heating temperature.Key Words:spring steel;decarburization;heating temperature弹簧在使用过程中要经历高周次的交变载荷，因此对疲劳性能要求特别高。弹簧的疲劳性能除取决于材料本身的疲劳性能外,还取决于弹簧的表面状态。制造弹簧通常是在加热条件下加工成形，随后进行淬火及回火处理。弹簧的加工成形以及淬火处理往往在加热炉中进行，炉内气氛和钢材表面所存在的碳势差收稿日期:2 0 2 2-0 7-15基金项目：国家重点研发计划“冶金、化工炉窑及系统节能减排关键技术 资助（2 0 18 YFB0605900）作者简介：蒋国强（19 6 9 一），男，首席工程师，主要从事轧钢加热炉和热处理炉热工工艺开发工作：文献标志码：AJIANG Guoqiang,MO Jiehui,SUN Yingjun,SU Fuyong”(1.Baowu Jiefuyi Special Steel Co.Ltd.,Shaoguan 512123,China;文章编号：10 0 2-16 39(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 4会导致弹簧钢表面发生脱碳现象1-4。而弹簧钢表面脱碳将严重损害弹簧的疲劳性能，特别是表面出现铁素体的全脱碳时，弹簧钢的疲劳极限可降低50%。而且全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区在交变应力作用下容易产生微裂纹，引起弹簧的失效或断裂。从本质上看，脱碳实际上是碳原子在钢材内部扩散的结果，加热温度影响了碳原子的扩散速度，从而对脱碳层的厚度产量了影响5-8 。研究结果表明，加热温度一定时，钢材脱碳层深度随着保温时间的增加而增加9-1氧化速度小于脱碳速度时，脱碳层深度随着加热温度的增加而增加12 。这是由于保温时间一定时，碳原子的扩散系数随着温度的增加而增加；温度一定时,随着工業加熟.2.INDUSTRIALHEATING保温时间的增加，碳原子向外扩散与炉气反应越多。本文针对6 0#弹簧钢在不同加热温度下的脱碳现象进行研究，得到了加热温度对6 0#弹簧钢脱碳层的厚度影响规律，为优化弹簧钢的加热工艺奠定了一定的基础。1实验装置及实验方案本文搭建了弹簧钢脱碳实验平台，实验过程中通组分浓度设置电脑及监控信号钢坏温精密多组分加热度信号配气系统程序设置信号N2双柱塞泵高压气瓶去离子水2实验材料的选取和试样加工本文所使用的实验材料为某厂生产的规格为直径30mm的6 0#弹簧钢棒材。首先利用线切割将原材料切成大小为10 mm10mm15mm的小长方体,然后材料w(C)60#0.6283实验方案本实验以温度对6 0#弹簧钢脱碳的影响作为研究目的,分析不同温度热处理后试样的脱碳情况。加热气氛采用含有1%H,0(g)的氮气,实验过程中氮气流速为9.9 L/min,水蒸气含量通过双柱塞泵控制。保温时间恒定为40 min，加热温度分别为：7 0 0、7 50、8 0 0、850、9 0 0、9 50、10 0 0、10 50、110 0，热处理后的试样经过冷却、镶嵌、打磨、抛光和4%硝酸酒精腐蚀后，利用LEICADM4M型金相显微镜观察脱碳情况并根据GB/T2242008测量脱碳层厚度，探究加热温度对6 0#弹簧钢脱碳的影响。4脱碳实验结果及分析使试样按照试验方案在含有1%H,0(g）的氮气中在各加热温度下保温40 min，待试样冷却后进行镶样、打磨、抛光和腐蚀处理，然后在金相显微镜下观测试样的脱碳情况，具体情况如图2 所示。2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023过电脑设置管式加热炉的加热曲线，且用K型热电偶实时监测试样的加热温度，确保试样实际加热温度与实验方案一致；本实验通过精密多组分配气系统控制纯氮气的流量，然后利用双柱塞泵将去离子水输送到蒸汽发生器中实时蒸发，与纯氮气混合来提供实验所需要的气氛条件。实验装置图如图1所示。一支架K型热电偶管式炉试样蒸汽发生器电加热保温管88日O.0.0O000000图1实验装置示意图利用磨床将表面打磨光滑,并在距离上表面2.5mm处开直径为3mm的通孔用于悬挂试样。加工好的试样放人无水乙醇中，利用超声波清洗机去除表面污渍以备实验使用。利用ARL8860直读光谱仪测定其成分及含量，结果如表1所示。表16 0#弹簧钢的化学成分w(Mn)w(Si)0.6510.237%w(P)w(S)0.0200.003从图2 中可以看出，在加热温度为7 0 0 时,6 0#弹簧钢试样表面没有观察到脱碳现象，如图2（a）所示，说明7 0 0 以下时，试样基本不发生脱碳反应。这主要是由于温度较低时，C原子扩散系数较小，C原子很难从基体内部扩散到表面。加热温度为7 50 时，试样边缘已发生明显的脱碳现象，基本都为铁素体组织的全脱碳层，且铁素体组织连续均匀地呈柱状垂直于脱碳表面,与基体组织界限分明,如图2(b）所示；随着温度升高，试样表面脱碳程度加剧，如图2（c）所示，在8 0 0 时，脱碳层厚度明显增大。当加热温度为7008 0 0 时，随着加热温度的升高，C原子扩散系数增大,扩散速率加快，钢坏总脱碳层厚度不断增加。且随着脱碳进行,试样表面C含量低于初始C浓度,基体内部与表面形成C浓度梯度。在C浓度梯度驱动下，基体内部渗碳体开始溶解，C原子向表面扩散，必然有新的铁素体析出，其优先在奥氏体晶界或未转变铁素体表面优先生长。但C的流失不断进行，体系不断通过奥氏体向铁素体相变的方式寻求平衡，最终形成厚度均匀的铁素体脱碳组织。晶粒的长大与扩散有关，w(Ni)0.010w(Cr)0.070w(Cu)0.015w(Mo)0.009工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023垂直于脱碳表面的C原子扩散方向成为铁素体生长的优势方向，铁素体脱碳层晶粒呈现为粗大柱状晶形貌。当加热温度为8 50 时，试样出现了部分脱碳层，脱碳层由全脱碳层和部分脱碳层组成，造成这种现象的原因是在此温度下，钢材的组织发生了转变，一部分铁素体转变为奥氏体，一部分未完成转变，就形成了完全脱碳层和部分脱碳层。到了9 0 0，全脱碳层的厚INDUSTRIALHEATING碳层。对试样脱碳层厚度进行测量，测量值如表2 所示，加热温度分别为7 0 0、7 50、8 0 0、8 50、9 0 0、9 50、10 0 0、1050、110 0，每种加热温度下脱碳层厚度测量5次。度明显减小了，试样主要以部分脱碳层为主。9 50 以后,钢的组织基本奥氏体化,脱碳层基本都为部分脱200m200m(a)700 200m(b)750 (c)800 200m200um(d)850 200um(e)900(f)950200 m加热温度/7007508008509009501 00010501100将各试样的总脱碳层的平均深度整理如图3所示。由图3可以看出，在固定保温时间下，脱碳层深度200um(g)1000 图2 6 0 弹簧钢在不同加热温度下的脱碳情况表2 脱碳层厚度测量值脱碳层厚度/um120085.09892.561109.56105.31129.77127.64151.05161.68164.92177.63208.48208.65265.92239.33339.41318.03200m(h)1050 3082.970110.62125.51145.78179.78210.60258.47315.99随着加热温度的增加,增长速度越来越快，与加热温度大致成指数关系。(i)1100 450095.73397.855115.98117.01127.65125.62140.42151.04163.80170.20195.72196.78257.40271.23314.85319.09平均值/um090.843111.69127.24149.99171.26204.05258.47321.472023年第52 卷第6 期工業加熟INDUSTRIALHEATING350-o-平均值300一最小值m/直250一最大值200150100500700图3不同温度下6 0 弹簧钢的平均脱碳层厚度5结 论本文针对6 0#弹簧钢在不同加热温度下的脱碳现象进行研究，设计了脱碳试验平台，制定了不同加热温度下的实验方案。实验结果显示，试样在7 0 0 以下基本不发生脱碳；7 50 能发生较为明显的全脱碳；850时开始发生部分脱碳；到了9 0 0，全脱碳层的厚度明显减小，试样主要以部分脱碳层为主；9 50 以后，脱碳层基本都为部分脱碳层。且脱碳层厚度随着加热温度的增加，增长速度越来越快，与加热温度大致成指数关系。参考文献1赵中英.高速线材生产的弹簧钢盘卷的表面脱碳分析J.宝钢技术,2 0 0 3（3）：55-58.Vol.52No.620232王以华.弹簧钢6 0 Si2Mn温锻工艺参数的研究J.锻压技术,19 9 7(6):7 -11.3史显波，赵连玉，王威，等.几种高速列车用弹簧钢的脱碳敏感性J.材料热处理学报，2 0 13,34（7）：47-52.【4唐劲松.轿车悬架簧用线材的市场需求与质量要求J.宝钢技术,2 0 0 6(6):9 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年创刊，由西安电炉研究所有限公司主管主办，中国机械工程学会工业炉分会、中国电工技术学会电热专业委员会、中国电器工业协会电炉及工业炉分会协办。是报道国内外电炉、工业炉及热能工程技术为主要内容的专业技术类刊物。报道范围：电炉、工业炉及热能工程技术领域的最新理论研究、科技成果、新技术、新材料、新工艺、新装置；国内外工业加热领域内各种类型工业炉及配套设备的研究及发展趋势；各种电炉及工业炉的设计、引进技术与技术改造方面的新成果及应用实践等相关内容；工业炉学会及协会动态报道等。主要栏目：综述、热能研究、加热设备、模拟仿真、工艺研究、炉用材料、节能减排、自动控制、材料科学、技术交流、行业信息等。国内统一刊号：CN61-1208/TM国际刊号：ISSN1002-1639邮发代号：52-41地址：陕西省西安市朱雀大街南段2 2 2 号电话：[phone] 12 59邮箱：网址:http:/全国工业炉学会会刊全国电炉及工业炉协会会刊开本:大16 开刊期：月刊定价：15元/期；18 0 元/年