60Si2MnA钢汽车板簧热处理工艺设计

60Si2MnA汽车板簧钢热处理工艺设计
江晨辉
（中国矿业大学材料科学与工程学院，材料科学12-2班14125079）
摘要：在传统60Si2Mn钢成分的基础上，通过添加适量元素进行优化；采用木炭包埋的方法在1035℃保温30min板簧组织无明显恶化的情况下进行860℃余热淬火；随后进行400℃×1.5h回火，再强力喷丸并采取低温时效处理。

通过以上热处理工艺，达到减少
60Si2MnA钢在加热和保温过程中的脱碳倾向，提高板簧的表面硬度、屈服强度和疲劳强度等性能的作用，同时降低成本和能耗。

关键词：60Si2MnA汽车板簧钢；脱碳；余热淬火；回火；强力喷丸；低温时效
0前言
随着汽车工业的快速发展，对汽车钢板弹簧钢的需求量不断增加，对其性能与质量的要求也越来越高。

中型或重型汽车的钢板弹簧，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用。

因此板簧除了具有高的弹性极限，为了防止疲劳和断裂，还应具有高的屈服强度和疲劳强度。

碳素弹簧钢因淬透性较低，只能用于截面12～15mm以下的小弹簧，而合金钢淬透性较高[1]。

60Si2MnA作为合金弹簧钢中代表性钢号，价格低廉，是我国应用最为普遍的硅锰系合金弹簧材料，广泛用于制造汽车、拖拉机和铁路车辆上的螺旋弹簧、板弹簧及其他高应力下工作的重要弹簧[2]。

弹簧钢的力学性能主要取决于热处理工艺[3]。

本文在对传统材料60Si2Mn 成分优化的基础上，再开展60Si2MnA的表面固碳、喷丸、淬火和回火等热处理工艺的有关探究和优化，探索制造高性能板簧的高效、节能新工艺。

1材料与实验方案
1.1材料
60Si2MnA是常用的汽车等截面钢板弹簧材料之一，屈服强度及疲劳强度高，淬透性较好，价格低廉，且与其相关的研究较为成熟。

为了进一步提高其作为板簧的性能，通过向材料内添加V、Cr、B元素对其成分进行调整，其中V、Cr 在钢中可形成稳定的碳化物，细小弥散的碳化物可有效阻碍晶界移动，对晶粒长大起到限制作用。

在制作大截面板簧时，良好的淬透性是得到良好性能的保证，而加入的B元素可大大提高传统汽车钢板弹簧钢的淬透性和有效地提高钢的弹减抗力[4]。

根据理论分析和有关的成分优化实验资料，综合考虑钢材的强度、硬度、疲劳寿命等指标，结合文献[4]确定了表1所示的元素配比。

1.1.1 60Si2MnA的化学成分
表1 材料的化学成分（质量分数，%）
1.1.2 60Si2MnA的临界转变温度[5]
表2 60Si2MnA的临界转变温度/℃
1.2热处理工艺设计
1.2.1汽车板簧加工制作流程
汽车钢板弹簧的主要加工工艺流程为：剪切下料→冲孔→较直→轧制（变截面板簧）→卷耳（包耳）→切边→成形淬火→回火→喷丸→装配→喷漆→质量检测。

因此,弹簧钢的工艺性能包括:冷加工性能(如下料、冲孔、喷丸强化响应等)、热加工性能(主要包括热成形性能如轧制、卷包耳、切边,脱碳倾向,淬裂倾向,淬透性、淬火成形性能等) [6]。

1.2.2 60Si2MnA汽车板簧热处理工艺
1.2.2.1 木炭包埋加热
先将炉温升至1035℃, 然后将试样埋在盒子里的木炭中, 注意试样下面必须垫一层木炭, 不可直接与盒子底部接触, 同时试样上面也必须完全掩埋在木炭中, 且要有一定深度, 装好推入加热炉中加热[7]，保温30min。

1.2.2.2 余热淬火和回火
在达到保温时间，奥氏体化热成型后，立即冷至860℃出炉进行油淬，再以400℃回火温度保温1.5h，喷水冷却[3，8]。

1.2.2.3 强力喷丸工艺
最佳的喷丸工艺参数：时间80s，喷丸速度120m/s，钢丸直径0.6mm，钢丸硬度58～62HRC,入射角45～55°，表面覆盖率120％～150％。

喷丸后再进行低温时效处理（200～300℃保温2h）[3]。

2热处理工艺结果分析和讨论
2.1热处理工艺曲线
2.2 脱碳处理对60Si2MnA 板簧性能的分析
弹簧钢在淬火加热过程中, 与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳缺陷而降低表面硬度和强度,故减少弹簧钢在淬火过程中的脱碳、氧化是必须的。

图2为两个试样经不同方式加热后油淬并回火后的宏观照片, 其中仅仅是防止脱碳措施有所不同。

图2(a)采用木炭包埋进行加热, 基本无脱碳现象; 而无保护措施的试样热处理后宏观脱碳情况明显, 从图2(a)到图2(b), 其脱碳情况明显地由轻到重。

可见, 如果采用比较合适又经济的防脱碳措施, 60Si2MnA 板簧钢热处理表面质量会得到可靠的保证, 尤其是能保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下有高的疲劳极限。

同时也说明, 本实验采用木炭包埋热处理这种防止脱碳的防护措施是非常有效的。

图1 60Si2MnA 板簧钢热处理工艺曲线
Fig.1 Heat treatment technology curve of the 60Si2MnA spring steel
（a ）木炭包埋 图2 不同加热工艺处理后试样的宏观照片 Fig.2 Macroscopy photographs of specimen after different hot-working treatment （b ）空气炉中加热
图3 显微硬度分布曲线 Fig.3 The distribution curve of microhardness
根据文献[7]的实验数据，从图3可以发现，由表层边缘往心部硬度值逐渐增大。

其硬度压痕由大到小如图4所示。

到心部区域后硬度值基本趋于稳定，脱碳后试样从脱碳最严重的表层到基本没脱碳的心部区域，硬度值从低到高，可以间接说明脱碳后试样从表到里（指硬度稳定区域）碳含量变化趋势, 即碳含量由低到高。

2.3 淬火对60Si2MnA 板簧组织和性能的影响分析
2.3.1 淬火温度对板簧组织和性能的影响
在不同奥氏体化温度下保温35min 后淬火的板簧显微组织如图5所示。

可以看出，随加热温度的升高，晶粒有一定的长大，但在1035℃无明显的恶化现象。

表3是不同加热温度下，板簧片淬火后的硬度变化情况。

可看出，加热温度从910℃升高至960℃时，，板簧片硬度升高了1.3HRC ；但从960℃上升至1035℃时，硬度只升0.3HRC 。

可以认为到1035℃时硬度已趋于稳定。

表3 奥氏体化温度对钢板弹簧硬度的影响
Tab .3 Effect of quenching temperature on hardness of leaf spring
温度/℃
硬度（HRC ）
平均硬度（HRC ） 样1
样2 样3 910
56 57 57 56．7 960
58 58．5 57．5 58 1035 58 59
58 58．3
图4 相同载荷下由表面至心部的显微硬度压痕 Fig.4 Microhardness impress from surface to core at different loads
图5 不同加热温度下保温35min 的显微组织 Fig.5 Microstructure at different quenching temperatures for 35 min
由于晶界迁移的过程就是原子扩散过程，温度越高，晶粒长大速度就越
快。

升高奥氏体化温度，奥氏体晶粒会长大，但是随温度升高，杂质和合金元素溶入基体后能阻碍晶界运动，这些被吸附在晶界的溶质原子会降低晶界的界面能， 从而降低界面移动的驱动力，所以温度继续升高对钢板弹簧晶粒大小有一定影响，但晶粒长大幅度较小。

文献[8]提及淬火温度不能超过930℃， 本文材料正是加入了其他元素， 限制了晶粒的长大， 从而使淬火温度升至1035℃时，但晶粒并无明显恶化。

随奥氏体化温度的升高， 合金元素溶入基体越来越完全，硬度会有所增大。

根据文献[10]，在加热过程中，60Si2MnA 板簧钢脱碳在900～1000℃之间存在极小值，温度过高或过低脱碳反而增大。

60Si2MnA 钢碳和硅的含量较高，高温长时间加热易发生脱碳现象；另一方面硅促进脱碳倾向，锰增大了钢的过热敏感性，导致容易产生淬火裂纹[9]。

因此，对60Si2MnA 弹簧钢重新加热淬火将造成钢的氧化脱碳缺陷明显增加，考虑到实际生产提高效率、节约能源的需要，采用余热淬火处理更有利于保证60Si2MnA 弹簧钢的强韧性。

当淬火温度低于820℃时，硬度值较低，满足不了弹簧使用对硬度的要求，造成屈强比过低；淬火温度高于870 ℃ 时，由于60Si2MnA 钢过热敏感性强，晶粒粗大，造成性能恶化。

因此，选择860℃余热淬火，得到板条马氏体组织。

2.3.2 保温时间对板簧组织和性能的影响
图6是1035℃保温不同时间时板簧片的显微组织。

可以看出，随加热时间的延长，晶粒有所长大，但幅度并不大，时间延长至50min 后，晶粒长大才略为明显。

表4 保温时间对钢板弹簧硬度的影响
Tab .4 Effect of holding time on hardness of leaf spring
温度/℃
硬度（HRC ）
平均硬度（HRC ） 样1
样2 样3 20
56 59 59 58 35
58 59 58 58．3 50
57
57 58 57．3 图6 1035℃保温不同时间的显微组织
Fig.6 Microstructure at 1035℃ for different holding time
表4是不同保温时间时板簧片的硬度变化情况。

可以看出，不同保温时间时，硬度差别极小，说明保温时间对硬度的影响并不大。

在较高的奥氏体化温度下，晶粒长大速度较快，所以从图6中可以看出，在较短的时间内，晶粒就长大。

但在一定温度下晶粒长大到一定尺寸后就不再长大，或者长大趋势很缓慢。

这是因为当晶粒长大到一定尺寸后，界面能降低，晶界逐渐处于平衡状态，移动缓慢，晶粒长大也就变慢。

只有当保温时间超过50min 时，才能看到稍明显的晶粒长大。

随保温时间的延长，由于溶入基体的合金元素浓度变化不大，所以硬度变化较小。

因此，为了节约能源及减少脱碳，保温时间可以选择30min。

2.4回火对60Si2MnA板簧组织和性能的影响分析
60Si2MnA弹簧钢余热淬火后不同回火温度下的力学性能见表5。

由表5可知，在余热淬火后360～440℃范围内回火，60Si2MnA弹簧钢的力学性能指标均满足要求。

随回火温度的升高，试样的屈服强度、抗拉强度和硬度值显著降低，而伸长率和冲击韧度显著升高。

表5 60Si2MnA弹簧钢经余热淬火后不同温度回火的力学性能
Table.5 Mechanical properties of 60Si2MnA spring steed by
heat quenched and tempering at different temperatures
回火温度
℃
σs
MPa
σb
MPa
δ
%
a k
J
硬度
HRC
曲强比
36014201655 5.814.051.00.86 400136514907.220.246.50.91 420132514657.321.345.10.905 440123013857.619.642.80.90 60Si2MnA弹簧钢经余热淬火和不同温度回火后的显微组织如图7所示。

从图7可以看出，在360～440℃回火时，得到的回火组织均为粒状渗碳体和针状铁素体构成的回火屈氏体。

当回火温度为360℃时，回火组织中的马氏体边界已开始
图7 60Si2MnA弹簧钢不同温度回火保温1.5h的显微组织
Fig.7 Microstructure of 60Si2MnA spring steel tempered at different
temperature for 1.5 hours
变得模糊，但仍保持了马氏体板条的位向。

在回火过程中马氏体板条内部、板条边缘和奥氏体晶界上析出碳化物。

其中在马氏体板条内部有大量弥散析出的碳化物质点，并逐渐转变为稳定的渗碳体[11]。

随着回火温度的升高，马氏体中析出的细小粒状渗碳体会不断向马氏体晶界聚集长大。

当回火温度升高到440℃时，渗碳体明显粗化，基本失去原析出时的片状形态。

因此60Si2MnA 弹簧钢性能的变化与回火过程中的马氏体的分解、碳化物的转变密切相关。

随回火温度的升高，大量粒状渗碳体的球化和聚集长大，是造成钢强度和硬度下降、塑性韧性增加的主要原因。

但板条马氏体的断裂韧性随着回火温度的升高而急剧下降。

这是由于板条马氏体断裂韧性很高，随着回火过程的进行，逐渐有针状碳化物析出和长大，而使钢的断裂韧性受到损害。

只有在碳化物团聚的时候钢的断裂韧性才能再次升高。

从图7还可看出，400℃回火60Si2MnA 弹簧钢得到的组织细小而均匀，屈强比最高，能更好地满足弹性零件的性能要求。

考虑到60Si2MnA 的抗回火性能，回火温度应为400±10℃，回火后应喷水冷却以抑制第二类回火脆性的发生，其组织是保持马氏体位向的屈氏体。

2.5 喷丸对60Si2MnA 板簧组织和性能的影响分析
由图8可以看出，经强力喷丸的试样，其表层压应力比未喷丸试样可提高50％～65％，最大残余压应力距表面约0.6mm 附近。

其原因是：喷丸使得表层金属产生局部压塑性变形而产生强烈的加工硬化；表层残留奥氏体经喷丸形变诱发而转变为马氏体，且马氏体的亚结构得以细化；喷丸将造成金属表层晶格崎变，位错密度增加，表层残余压应力值明显提高。

通过强力喷丸，试样表面得到显著强化，提高了其抵抗交变应力破坏的阈值，推迟了疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹也难以扩展[12,13]。

但应注意的是，喷丸强度不能过高，否则会产生表面缺陷；另外，喷丸一般会影响工件表面粗糙度，因此工件最好在喷丸前先进行打磨，喷后再进行抛光处理[14]。

图9喷丸后低温时效处理对残余应力的影响。

由图9可知，喷丸后的低温时
图8 60Si2MnA 板簧钢喷丸与
不喷丸的残余压应力分布
Fig.8 Residual stress distribution of the
60Si2MnA spring steel by power shot and no 图9 60Si2MnA 板簧钢喷丸后 残余压应力低温时效曲线分布 Fig.9 Low temperature aging curves of the 60Si2MnA spring steel by power shot
效处理使得应力场产生了不同程度的松弛，试样表层形变的组织结构发生回复，避免工件在以后的疲劳加载中造成材料的损伤。

时效时间越长，松弛量越大。

时效一定时间后，残余应力将趋于平衡，具有良好的稳定性。

因此，低温时效的喷丸弹簧在疲劳寿命上有所延长。

3结论
1)采用木炭包埋加热可以有效防止60Si2MnA板簧脱碳在热处理加热时的脱碳,
使淬火回火后的硬度不至于降低。

2)普通的62Si2Mn钢，如果添加适量的有益元素，其淬火加热温度可提高至
1035℃，且晶粒无明显恶化。

3)60Si2MnA板簧钢适用余热淬火热处理工艺。

1035℃加热保温30min奥氏体
化热成型，随后冷至860℃出炉进行油淬，回火温度为400±10℃，保温时间为1.5h时得到的62Si2MnA弹簧钢的综合力学性能最佳。

4)62Si2MnA板簧钢经强力喷丸的表面残余压应力大幅增加50％～65％。

5)62Si2MnA板簧钢喷丸后的低温时效处理可使应力场松弛，残余应力趋于平
衡，疲劳寿命有所延长。

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