汽车悬架弹簧用55SiCrA线材的热模拟显微组织研究

赵良群， 童为硕， 蒋跃东， 杨 伟， 刘继雄

(江苏冶金技术研究院， 张家港 215600)

0 引言

弹簧钢在汽车、航空航天以及工程机械等领域发挥着不可替代的作用，作为装备制造业的关键零部件，在服役过程中需要承受复杂的交变应力，因此对其性能要求十分严苛。汽车工业是弹簧钢的最大用户，约消耗弹簧钢产量的60%。弹簧钢约占汽车用钢材重量的5%～6%，其典型用途为悬架弹簧和气门弹簧，其中悬架簧约占汽车用钢总量的1.5%左右。随着我国汽车和铁路行业的飞速发展，对高强度、高性能的汽车悬架簧用弹簧钢的需求日益增加。国外对气门簧的疲劳寿命要求达 5×107次，实际失效率小于百万分之一，而我国二汽要求国产气门簧的疲劳寿命为 2.5×107次，但实际失效率却高达百万分之二十三[1]。我国钢厂生产的悬架簧用弹簧钢与日本、韩国及德国等一流产品比还有较大差距。

弹簧使用的最主要特性为抗疲劳性和抗弹性减退能力，有一定的耐磨性和抗蚀性等[2]，并且具有良好的冶金工艺性能和成形性。弹簧钢盘条的组织结构对所制造弹簧的使用性能影响极大，因此对线材组织有特定的使用要求，弹簧钢线材中组织是索氏体+微量珠光体+极少量铁素体，国外的优质弹簧钢的索氏体含量≥93%，并且有效地控制了索氏体中的渗碳体片层间距[3]。弹簧中不允许有网状铁素体、贝氏体和马氏体组织的存在，良好均匀的组织形态是保证弹簧具有较高疲劳寿命的基础[4]。

为获得较为理想的显微组织，有必要对弹簧钢盘条的冷却制度进行研究，确定其对盘条组织形态的影响，以制定合理的控制冷却制度[5]。现阶段，优质弹簧钢55SiCrA 盘条已有多家国内钢铁企业能够生产，但关于该钢种线材生产工艺与显微组织的热模拟研究鲜有报道[6-7]。通过热模拟实验得到的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT) 曲线能精确地反映不同冷却速度下材料的转变温度、转变时间和转变量之间的关系，是制定弹簧钢 55SiCrA 线材热处理参数的重要理论依据。

本文采用的试样55SiCrA(日本牌号SUP12)是一种高强度的轿车悬挂弹簧用钢，钢丝的强度高达1700 MPa以上，弹簧的设计应力达到1100 MPa以上。利用热力模拟试验机模拟线材轧制过程中温度和冷速的变化，绘制CCT曲线图，对高强度优质悬架弹簧钢的相变规律、显微组织进行研究，以尽可能地细化珠光体团，获得更多的索氏体组织，抑制网状铁素体的析出，确保钢材强韧性稳定提高。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为某厂生产的悬架弹簧用55SiCrA线材，其化学成分(质量分数)见表1。将棒料车削加工成圆柱形(Φ8 mm × 15 mm) 热模拟试样。在THERMECMASTOR-Z热加工模拟试验机上，分别以不同冷却起始温度和不同冷却速度对样品进行热模拟试验。热模拟实验后的试样从中心剖开，经磨平、抛光后，再利用 3%硝酸酒精对剖面进行侵蚀，以获得不同热模拟条件下样品的金相组织。

表1 55SiCrA线材的化学成分要求(wt%)

1.2 试验设计原理与思路

弹簧钢盘条的组织结构对所制造弹簧的使用性能影响极大，为获得较为理想的显微组织，很有必要对弹簧钢盘条的冷却制度进行研究，确定其对盘条组织形态的影响，以制定合理的控制冷却方案，从而为制定轧制工艺提供理论依据。

线材轧后控冷可分为三个阶段：第一阶段为控制吐丝温度，目的是为相变作组织准备，一般采用快速冷却，冷却至相变前温度，使钢中晶粒尽量细小；第二阶段为相变过程，控制冷却速度，以便得到最终产品的终控组织；第三阶段为相变结束，由于转变产物已定，一般采用空冷[8]。

控制冷却主要是控制奥氏体的分解转变温度、时间及析出温度。相变区冷却速度决定奥氏体的分解转变温度和时间，也决定最终的组织形态，它是控冷工艺的核心问题。一般弹簧钢属于亚共析钢，成分接近共析点，冷却速度对钢的组织及性能的影响效果显著。

在缓慢冷却时，奥氏体分解的过冷度很小，由于有足够的时间进行扩散分解，可得到铁素体加珠光体的平衡态组织。在相同的工艺条件下，随着冷却速率的增加，钢中的铁素体量逐渐减少，组织也从珠光体向马氏体变化，硬度值增加。冷速过快还会导致退火珠光体的出现，并且其含量随相变区冷速的加快而明显增多。轧后加速冷却还能够抑制相变前奥氏体晶粒长火，减小晶粒尺寸。所以，生产优质弹簧钢的相变区冷速应在不产生低温转变组织的前提下，尽可能地加大以细化组织、提升性能。

本试验主要是研究冷却工艺对组织的影响，在55SiCrA线材上切取并加工成热模拟试样，THERMECMASTOR-Z热加工模拟试验机。模拟不同轧制温度、冷却速度等工艺条件，研究55SiCrA钢的显微组织变化过程。

2 实验结果及分析2.1 冷却起始温度对组织的影响

利用热模拟试验机开展了1000℃、900℃和800℃三种冷却起始温度并分别以15℃/s、10℃/s、5℃/s和1℃/s 四种冷却速度的控冷实验，分析了不同的工艺条件下55SiCrA钢的显微组织变化过程。试验工艺及结果见表2。从表2中可以看出，在800～1000℃热处理后，冷速大的条件下，钢中出现了较多马氏体组织。而在800℃热处理后，四种冷却速度下，基本都没有马氏体产生。

表2 冷却起始温度与组织的变化对应表

不同冷却速度下得到的显微组织图片如图1～图3所示。

试验结果显示，当冷却起始温度在1000℃时，钢在四种冷却速度下均会出现马氏体和贝氏体，两者均是影响弹簧钢性能的显微组织，且随着冷速的增加，钢中组织由铁素体+珠光体向贝氏体+马氏体的转变也增多，组织结构变化明显。在900℃的冷却起始温度及其不同冷却速度下的表现与1000℃类似。

在800℃的冷却起始温度及其不同冷却速度下，其组织变化较小，基本上都是索氏体(图3)，只是冷速较快时其晶粒更小更均匀[图3(a)]。在这一条件下制备的钢，其组织更符合弹簧钢要求。

2.2 连续冷却速度对组织的影响

通过改变冷速来研究不同冷却条件下对钢的组织性能影响。热加工模拟实验工艺见表3。试样以恒定的速率加热到 950℃进行奥氏体化后，分别以 40℃/s、20℃/s、10℃/s、5℃/s、2℃/s、1℃/s、0.5℃/s和0.2℃/s的冷却速度冷至室温。得到55SiCrA 弹簧钢的相变临界点温度(Ac1、Ac3、Ar1、Ar3 和Ms)和CCT曲线。

图1 冷却起始温度1000℃时不同冷速的组织

图2 冷却起始温度900℃时不同冷速的组织

图3 冷却起始温度800℃时不同冷速的组织(注：F：铁素体；P：珠光体；M：马氏体；T：屈氏体；S：索氏体；B：贝氏体)

表3 冷却工艺的设计(℃/s)

根据试验得到的T-D曲线，对数据进行处理和分析得到55SiCrA弹簧钢的连续冷却转变(CCT)曲线(图4)，其中Ac3=788℃，Ac1=693℃，Ms=245℃。55SiCrA弹簧钢的CCT曲线上存在铁素体转变区、珠光体转变区、马氏体转变区和贝氏体转变区。作为亚共析钢，冷却速度增加，钢的开始转变温度在下降，冷速越快，下降越明显。

在相同的热处理温度、不同冷却速度条件下，各试样的金相显微组织含量占比如图5所示。

当冷却速度小于2℃/s时，钢中的组织主要为珠光体与铁素体(图6)。当冷却速度为5℃/s时，钢中开始有马氏体出现，马氏体含量约占65%，随着冷速的加大，钢中马氏体量增加，达到100%。由此可见，冷却速度对55SiCr钢的组织影响非常明显。实验结果显示，马氏体产生的临界冷却速度约为3℃/s以内。

图4 55SiCrA钢的CCT曲线

图5 不同冷却速度的金相组织含量

当冷却速度为10℃/s时，钢中开始有贝氏体的出现，但是贝氏体含量较少。这是因为合金元素的加入，会明显地改变弹簧钢的CCT曲线图。对于贝氏体的形成来看，C、Si和Cr都是推迟贝氏体转变的元素。Si是非碳化物形成元素，它能强烈地阻止贝氏体转变时碳化物的形成，促使未转变的奥氏体富碳，从而延迟贝氏体的形成。由于贝氏体的形成过程与过饱和铁素体的脱溶难以分开，所以较高Si元素的存在是阻止贝氏体转变的主要因素。同时，Cr元素的加入使弹簧钢 55SiCrA的CCT曲线明显右移，缩小了铁素体和珠光体转变冷速范围和转变温度区间。

弹簧钢55SiCrA要求的显微组织为索氏体+少量的珠光体和铁素体，不允许出现马氏 体组织。因此，在模拟起始温度为950℃时，相变区的冷速控制在1～2℃/s，此冷速范围内得到的珠光体开始转变温度约为 788℃，转变结束温度约为 693℃。此时得到的显微组织更符合弹簧钢的组织要求。

3 结论

(1)在热模拟实验条件下，提高冷却起始温度，55SiCrA钢中原始奥氏体晶粒增大。相比较而言，温度愈高，晶粒尺寸愈大。且在较高的冷却起始温度及较低的冷却速度下，钢中晶界出现大块铁素体的数量也增多。

(2)当冷却起始温度为1000℃，冷速大于5℃/s时，钢中出现马氏体和少量屈氏体，当冷却起始温度为900℃，冷速大于10℃/s时，钢中出现马氏体和少量屈氏体，且两者的含量随着冷速的增加而增多，当冷却起始温度为800℃，在四种不同冷速下，其组织变化较小，基本都是索氏体。

(3)在冷却起始温度950℃时，当冷却速度小于2℃/s，钢中的组织主要为珠光体与铁素体。当冷却速度为5℃/s时，钢中开始出现马氏体，其含量约占65%，随着冷速的加大，钢中马氏体量增加。当冷却速度为10℃/s时，钢中马氏体的含量接近100%，伴有少量贝氏体的出现。

(4)本实验结果表明，变形温度在950℃时，冷却速度在3℃/s以内时，55SiCrA钢的显微组织为索氏体+珠光体+极少量铁素体，符合弹簧钢的终控组织要求。该项实验可为生产现场的工艺调整提供指导方向，并能为所希望得到的产品性能提供组织保障。