加热温度对弹簧钢脱碳层影响实验研究

刘天强

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

弹簧钢在周期性弯曲和扭转交变应力作用下，工作条件恶劣。使用过程中弹簧截面应力是沿径向从中心向表面逐步增加的，表面所受应力最大，故而强度要求最高。而弹簧钢表面常常出现脱碳层，造成表面强度明显降低，容易产生裂纹，过早出现疲劳失效。故而弹簧钢表面脱碳层的控制具有重要意义。研究发现弹簧钢脱碳主要发生在加热和轧制两个过程中，加热温度、加热时间对钢坯脱碳影响比较明显，一般来说温度比时间影响更为显著，因此本文主要研究加热过程中温度对脱碳的影响[1]。

1 实验设计

（1）试样来源及表面处理：试验材料为55SiCrA 弹簧钢铸坯，从铸坯上切取15*15*12（mm）金相试样若干，并采用不同目砂纸打磨试样的两个邻面，试样中0#为未打磨样品，1#为28 目砂纸打磨后样品，2#为600 目砂纸打磨后样品，3#为200 目砂纸打磨后样品。本实验在750℃时共选择了0#，1#，2#，3#四种不同表面粗糙度的试样进行实验，850℃及之后的试样选取0#，1#两种粗糙度试样进行实验。分别进行不同工艺的热处理实验，从砂纸打磨面中间将试样切开，测量不同热处理温度及保温时间后试样截面的脱碳层厚度。以探寻热处理工艺与脱碳层的关系。所有实验加热气氛均为空气气氛。

图1 热处理工艺曲线图

（2）热处理工艺：实验使用箱式电阻炉进行加热，保温温度为750℃～1150℃，在低温段温度间隔区间为100℃，950℃之后温度间隔区间为50℃，保温时间分别为10min，30min，60min，90min，120min。实验时先将电阻炉加热至实验温度，再将试样放入炉内，开始保温计时，到达保温时间后，从炉内取出相应试样空冷至室温，未到时间的试样继续保温。电阻炉由室温升至实验温度的时间随实验温度升高大约需要0.5h ～1.5h 不等。热处理工艺曲线如下图1 所示。

2 实验结果

（1）750℃实验结果。实验发现，加热温度为750℃，保温10min时，几乎没有脱碳现象（图2），随着保温时间延长，脱碳层基本为全脱碳（图3），脱碳层厚度整体上呈逐渐增大的趋势，脱碳层厚度与试样表面粗糙度没有发现有明显的规律性关系（图4）。

图2 在750℃下进行实验，弹簧钢未出现脱碳图

图3 将保温时间延长，弹簧钢出现全脱碳图

图4 750℃不同试样脱碳层厚度

（2）850℃实验结果。实验发现，加热温度为850℃时，随着保温时间延长，脱碳层厚度明显增加，且保温时间在90min 以内时，均出现全脱碳与半脱碳现象（图5），当保温时间为120min时，几乎没有全脱碳层（图6），全脱碳与半脱碳层厚度均呈增大趋势（图7），全部为半脱碳现象。脱碳层厚度与试样表面粗糙度没有发现有明显的规律性关系。

图5 保温时间在90min，弹簧钢出现全脱碳与半脱碳图

图6 保温时间为120min 时，弹簧钢没有出现全脱碳层图

图7 850℃不同试样脱碳层厚度

（3）950 ℃实验结果。实验发现，加热温度为950 ℃时，随着保温时间延长，脱碳层厚度明显增加，且保温时间从10min ～120min，主要都为半脱碳。经处理后的金相照片发现部分试样边缘有极薄的疑似全脱碳层区域，但经照片放大仔细辨认后该疑似全脱碳区基体组织仍为铁素体+珠光体组织，且晶粒均为等轴晶，并未出现全脱碳层典型的柱状晶区，因此可认定950℃保温时，试样均为半脱碳（图8）。并且脱碳层厚度与试样表面粗糙度没有发现有明显的规律性关系。

图8 温度为950℃保温时，弹簧钢出现半脱碳图

（4）1000℃实验结果。实验发现，加热温度为1000℃时，随保温时间的延长，脱碳层总体呈增加趋势。且除保温时间为10min 之外，其他试样均为全脱碳和半脱碳同时出现。全脱碳层与半脱碳层厚度之间没有明显规律，脱碳层厚度与表面粗糙度也没有出现明显规律。

（5）1050℃实验结果。实验发现，加热温度为1050℃时，保温时间从10min ～120min 时，脱碳层厚度随着保温时间的延长逐渐增加。

（6）1100℃实验结果。保温温度在1100℃时，随保温时间延长，脱碳层的总厚度呈增加趋势。

（7）1150℃实验结果。保温温度在1150℃时，随保温时间延长，脱碳层的总厚度呈增加趋势。

（8）脱碳层厚度与加热温度关系趋势图见（图9、图10）。

图9 加热温度对总脱碳层厚度的影响

3 实验结论

（1）55SiCr 弹簧钢在750℃～850℃保温时出现全脱碳，且随着保温时间延长，脱碳层厚度不断加深；850℃时，总脱碳层出现局部峰值，这与全脱碳层的快速增厚有关。

（2）950℃以上时，试样以部分脱碳层为主；脱碳层厚度随保温时间延长和温度的升高而整体上呈增加趋势。

（3）仅在1150℃时打磨处理的样品脱碳层厚度小于未打磨样品，其他温度下粗糙度与脱碳程度并无明显关系。