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高性能钢热处理工艺探索

2020/03/24 阅读:

摘要:高性能钢铁材料能够满足当前社会工业产业高速发展要求,而它所涉及的技术处理内容也愈加丰富,这其中就包括了热处理工艺技术。热处理本身能够改变钢铁材料的内部显微组织,进而改善钢的性能以满足实际需要。在本文中主要以60Si2CrVAT弹簧钢组织为例探讨了它的基本性能与相关热处理工艺技术。

关键词:弹簧钢组织;高性能;性能要求;热处理工艺

针对金属的热处理就是根据金属或合金在固态状态下的组织进行转变调整,将金属材料加热到一定温度,并在保温一段时间后以相对合适的方式冷却金属材料。在热处理过程中,金属材料内部组织发生变化,材料性能得以优化。就钢组织材料而言,它的内部组织结构会发生以下几种变化:第一,钢的机械性能显著提高,延长了它的使用时间;第二,消除了钢在热加工过程中所可能存在的各种缺陷问题,同时可满足晶粒细化、组织均匀性提升要求;第三,可辅助机械零件加工工作优化展开;第四,确保工件表面的抗磨损与耐腐蚀性能提升,具有特殊物理化学性能。

1、弹簧钢组织的基本性能要求

弹簧钢属于高性能钢,它专门用于制造弹簧与弹性元件,可在扭转、弯曲等周期性交变力作用下正常工作,在一般工作环境中更需要承受瞬时突然加入的高载荷作用力,它目前被广泛应用于汽车、铁道车辆以及航空飞机等等交通运输行业产业中。目前我国客运专线列车与汽车的轻量化发展趋势已经愈发明显,针对车辆零配件的技术品质要求也越来越高,因此它就要求所采用到的弹簧钢材料必须拥有更高的耐疲劳强度、抗拉伸强度等等优质化性能,有效满足车辆质量要求。但是,由于我国在弹簧钢生产方面的技术不够成熟,所生产出的弹簧钢产品质量参差不齐,这也导致它依然无法有效配合车辆优质化生产过程。本文中将要提到的60SiCrVAT弹簧钢属于铁路专用高性能钢,这种钢材料拥有专门的转向架圆柱螺旋弹簧高性能,可根据我国铁道部货车提速要求进行设计。但是由于转向架在长期冲击、交变与突变载荷作用下是容易出现疲劳锻炼问题的,因此它还需要采用相对合适且稳定的热处理工艺进行二度加工,提高60SiCrVAT弹簧钢的整体品质与工作质量。针对弹簧钢的性能要求方面,需要它具有较高的抗拉强度、硬度、塑形与较强的弹性极限,保证弹簧在交叉应力与相对严苛的条件下依然能够正常服役。采用热加工处理工艺也能有效提升疲劳极限与抗弹性减退能力,令其能够在低温条件、高温条件中也能拥有较好的耐受性能,且对它的淬透性也推出了较高要求,保证做到热处理、抗腐蚀性以及抗氧化性优化。

2、60SiCrVAT弹簧钢的热处理工艺与性能影响研究

针对60SiCrVAT弹簧钢组织的热处理工艺一般会对弹簧钢的力学性能产生重要影响,它也是弹簧钢的关键生产工艺之一。目前比较常见的弹簧钢热处理工艺主要为回火,它也是热处理的最后一道工序,可实现对钢材料组织与性能的有效影响。考虑到60SiCrVAT弹簧钢为我国铁道部指定的提速列车转向架专用高性能钢,对列车提速与安全稳定性提升非常有帮助,因此需要对60SiCrVAT弹簧钢原钢组织结构的强度不稳定、塑性偏差、易于产生疲劳断裂等等问题进行处理调整,保证其能够符合国家规定性能指标,合理化规避弹簧失效问题。针对这一点,对60SiCrVAT弹簧钢的热处理工艺操作应当围绕改变热处理工艺中的回火温度为根本,深度研究钢组织的内部变化、表面脱碳与非金属夹杂物相关问题,对弹簧钢的硬度变化规律进行分析,例如分析它的抗拉强度与断面收缩率不达标等等问题,实现对生产工艺的有效改善[1]。

3、60SiCrVAT弹簧钢的热处理工艺试验分析

3.1试验过程

针对60SiCrVAT弹簧钢的热处理工艺试验过需要采用到规格直径为覫12.5~13.5mm的钢棒,它的主要化学成分应该如表1。表160SiCrVAT该试验过程参考我国的《钢中废金属夹杂物含量的测定方法》标准展开测定过程。首先从弹簧钢棒上截取相应试样,在磨制抛光后采用金相显微镜评定试验钢中的夹杂物具体等级。然后通过《金属材料拉伸试验》中的室温试验方法进行拉伸试验分析。一般来说,试验过程中保证退火温度在730℃,淬火温度保证在920~930℃,冷却方式采用油冷方式,回火温度控制在510~620℃左右,始终保持线速度在7m/min左右。试验中提取弹簧钢棒配合电子显微镜对其表面中心组织变化与表面脱碳情况进行分析,例如可采用金相法对其脱碳层深度进行测量。在电子显微镜下可观察到其端口处应该存在夹杂物与断裂情况[2]。

3.2试验结果

对60SiCrVAT弹簧钢试验钢结果进行分析,主要分析它的力学性能,在热处理工艺应用下对试样表面到中心的硬度变化进行分析,如图1。对60SiCrVAT弹簧钢采用了3种热处理工艺,分别观察不同处理工艺背景下试样从表面到中心的硬度变化状况。结合图1可以看到,在回火温度逐渐提升的过程中,钢组织试样的硬度也在逐渐下降,且试样最表层与中心附近的硬度变化差别较大。结合3种工艺进行逐一分析,工艺1试样中的最表层硬度最高达到381.13MPa,它的中心附近硬度平均可达到540~560MPa左右,另外1/2半径位置到中心的试样硬度也有大幅度下降。再看工艺2,工艺2中钢组织试样中的最表层硬度可达到253.36MPa,中心附近硬度平均可达到520MPa左右。工艺3中钢组织试样中的最表层硬度可达到279.79MPa,中心附近硬度平均可达到500MPa左右。综上所述,上述3种热处理工艺是都存在脱碳层的,且脱碳过程中钢组织结构的表层硬度会大幅度下降[3]。在上述3种工艺试验应用背景下,60SiCrVAT弹簧钢的组织结构硬度发生变化,由此可大概测量出脱碳层大小,其中像工艺2、3的试样中1/2半径到中心附近的硬度相对较为均匀,这也说明1/2半径到中心附近的组织也是比较均匀的,且3种热处理工艺背景下试样的断面收缩率与抗拉强度也会发生变化。由此可以判断伴随着回火温度的逐渐提升,60SiCrVAT弹簧钢试样的抗拉强度是会逐渐下降的,而其断面收缩率可通过上述3种热处理工艺进行调校,但暂时无法确定其变化规律,需要进行进一步的试验分析才可能获得结果。总结来讲,3种热处理工艺针对60SiCrVAT弹簧钢试样的抗拉强度与断面收缩率分别如表2[4]。

4、总结

本文针对高性能钢———60SiCrVAT弹簧钢的硬度与抗拉强度问题进行了分析,采用到回火热处理加工工艺技术,希望通过试验分析其试样断面收缩率始终确保在可接受范围内,并同时分析其变化趋势,对试样表面硬度变化与1/2半径到中心附近硬度进行规范,以确保它能满足当前的交通运输车辆生产发展需要。

参考文献:

[1]熊涛.高性能5%Ni低温钢组织性能与热处理工艺研究[D].湖北:武汉科技大学,2019.

[2]郭海滨.高性能钢热处理工艺研究[D].河南:郑州大学,2016.

[3]张扬,宫心勇,赵宏敏.60Si2CrVA弹簧钢热处理工艺及性能研究[J].天津理工学院学报,2003,19(1):69-72.

[4]朱杰,欧梅桂,姜云,等.回火工艺对60Si2CrVAT弹簧钢组织及性能的影响[J].材料科学与工程学报,2016,34(2):316-320.

作者:窦小鹏 吕泮功 马骋天 王东飞 单位:郑州机械研究所有限公司

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