51CrV4弹簧钢热处理工艺的研究.pdf

7 4 5 1 C R V 4弹簧钢热处理工艺的研究 潘广明， 卫广智， 朱海宁 ( 贵州大学 材料与冶金学院， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 3 ) 摘要： 本文测试了不同热处理后 5 1 C r V 4弹簧钢的力学性能， 并对其微观组织进行 了分析。通过正交试验得出， 实验用 5 1 C r V 4弹簧钢的最佳热处理工艺为： 8 8 0 油淬4 6 0 回火保温2 h空冷。 关键词：力学性能5 1 C r V 4 热处理回火 中图分类号： T G 1 6 2 7 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 一 O 0 7 4 0 3 Th e s t u a y o n He a t Tr e a t me n t Pr o ce s s o f s p r i ng S t e e l 5 1 Cr V4 PAN Gu an g min g，W EI Gu a ng z hi，ZHU Hain in g Ab s t r a ct ： Me ch a n ica l p r o p e r t ie s a n d t h e mi cr o s t r u ct u r e o f d i f f e r e n t h e a t t r e a t me n t s p r i n g s t e e l 5 1 Cr Y 4 we r e s t u d i e d B y t h e me t h o d o f o r t h o g o n a l，t h e b e s t h e a t t r e a t me n t p a r a me t e r s o f s p r i n g s t e e l 5 1 C r V 4 a r e a s b e l o w，8 8 0 o i l q u e n ch i n g一4 6 0 t e mp e r e d a i r co o le d h e a t f o r 2 h o u r s Ke y wo r d s ： me ch a n ica l p r o p e r t ie s ；5 1 C r Y4；h e a t t r e a t me n t ；t e mp e r in g 近几年 ， 我国铁路行业的发展极为迅猛 ， 从 1 9 9 7 至今 我国铁路经历 了多次全面提速 ， 这意味着我国对高性能的 弹簧钢的需求将会有质的提高。目前我 国列车用弹簧钢 主要有 6 0 S i2 M n 、 6 0 S i 2 C r A等， 这几种钢 已经逐 渐不能满 足提速后的要求 ， 所以我 国的高速 、 重载列车所用弹簧钢 材料改为5 1 C r V 4 。但是该种钢国内只有少数生产厂家 在尝试生产， 主要依靠进口， 并且现阶段我国对于该钢种 的研究尚少， 对其生产工艺还未很好的掌握 。 由于高速、 重载列车弹簧用钢除要求较高的强度外， 同时要求具有 良好的塑性 。如何平衡二者之间的关系 ， 这就需要通过热处理来 调整 ， 以获得较 佳的力学性能。 本文先测试了实验用 5 1 C r V 4 材料在不 同热处理工艺条件 下 的力学性能， 然后通过正交试验找出最佳热处理工艺。 1 实验材料及方法 1 1实验材料的成分 本实验选用的5 1 C r V 4弹簧钢的化学成分见表 1 。 表 1 化学成分( 质量分数， ) C S i Mn S P Cr N i C u V 0 5 3 0 2 5 0 9 5 0 0 0 9 0 0 1 5 1 0 3 0 0 5 0 1 2 0 1 4 1 2试验方法 将实验材料加工成两组试样， 一组加工成拉伸试样， 通过拉伸实验分析其力学性能； 另一组加工成金相试样， 用于分析组织及晶粒度。 1 ) 按 G B T 2 2 8 2 0 0 2拉伸试样国家标准， 加工9个拉 伸试样。分别对其进行 不同的热处 理( 表 2 ) ， 然后采用 C M T 5 1 0 5电子拉伸试验机测试它们 的抗拉强 度、 屈服 强 度 、 断面收缩率 、 断面伸长率和屈强 比。根据实验数据建 立 ( 3 ) 的正交试验 ， 分析热处理对 5 1 C r V 4弹簧钢力学 性能的影响， 找出最佳的热处理工艺。 表 2 试样淬火保温时间均为 3 0 mi n ， 油淬， 回火后空冷 表 3 正交试验的因素水平表 淬火温度( c c ) 回火温度( ) 回火保温时间( h ) 8 8 0 9 0 0 0 4 6 0 4 8 0 ， 0 2 2 5 9 2 0 5 0 0 3 2 ) 将金相试样分成 3 组分别以 8 8 0 C、 9 0 0 C、 9 2 0 C 保 温 3 0 m in油淬， 然后 每一组分别以 4 6 0 C、 4 8 0 、 5 0 0 C回 7 5 火空冷。采用H R一 1 5 0 A洛氏硬度计测量试样淬火和回 火后的硬度值； 金相试样淬火后 ， 经预磨 、 抛光然后用 1 5 盐酸酒精溶液腐蚀 ， 在金相显微镜下观察并分析晶粒度 ； 将试样回火后， 经预磨、 抛光然后用 2 硝酸酒精溶液腐 蚀 ， 在 O L Y M P U S P M G 3 倒置金相显微镜下观察组织形貌。 2 试验结果及分析 2 1 热处理后试样的力学性能分析 5 1 C r V 4钢试样在热处理后 的力学性能如表 4所示。 从表4可以看出， 强度较高的试样塑性较低， 但是塑性与 其它试样相 比差距并不明显。对于弹簧来说钢材 的屈强 比越大 ， 其可靠性越好 。因为钢材受力在没有超过屈服点 时， 它的变形是线型的 ， 也就是 卸载后它会还原到原来的 形态。受力如果超过屈服点 ， 钢材就产生塑性变形 在 同 样的荷载增量下 ， 过了屈服点的钢材产生的变形要 比没有 过屈服点的钢材产生的变形大。所 以对于机械构件来说 ， 当然是变形小的钢材好。那么钢材 的屈服强度就应该 以 接近钢材 的极限破坏 强度为佳 ， 也就 是说 ， 屈强 比大 的 5 1 C r V 4钢用来做弹簧可靠性高。 表 4 5 1 C r V 4弹簧钢机械性能检测值 根据 5 1 C r V 4弹簧钢机 械性 能检测值建立正交试验 表 ， 如表 5 。我们用部分试验来代替全面试验。通过极差 分析法， 我们可以看出对于抗拉强度和屈服强度来讲， 最 佳 的热处理工艺都是 8 8 0 油淬4 6 0 o C回火保温 2 h空 冷。 2 2热处理后试样的硬度、 组织分析 2 2 1回火处理对 5 1 C r V 4钢硬度的影响 5 1 C r V 4 钢在经过不 同热处 理后 的硬 度值如表 6所 示。可以看出， 未回火试样 的硬度很高 ， 为 6 0 H R C左右 ； 而试样经过 4 6 0 、 4 8 0 、 5 0 0 保温 2 h回火后硬度显著 降低 ， 并且回火温度为 4 6 o 5 0 0 C时， 试样的硬度会 随 着回火温度的升高而降低。 表 5 正交试验表 L ( 3 ) 表 6 不 同淬火温度下回火后的硬度( HR C) 未回火 4 6 0 4 8 0 q C 6 o 1 4 2 8 4 2 2 4 1 0 5 9 9 4 2 5 4 2 2 4 1 6 6 0 4 4 3 1 4 2 7 4 2 0 2 2 1回 火试样 组 织分析 5 1 C r V 4 钢淬火后得到的马氏体组织是一种碳过饱和 并含有较高畸变能的不平衡组织， 其机械性能较差 。在回 火过程中， 基体中的畸变能会释放出来， 同时由于碳原子 的扩散能力增强， 马氏体会发生分解 ， 并 自发地 向铁素体 + 渗碳体的稳定状态转变。回火温度和回火时问均能影 响马氏体分解的程度， 且温度的影响更大并决定材料的性 能 。如图 1 所示 ( a ) 、 ( b ) 和 ( c) 分别为在 4 6 0 o C、 480 o C 和 5 0 0 o C回火后的组织形貌。结合表 6 及组