一种60Si2Mn弹簧钢两相区快速球化退火的方法与流程

本发明属于金属热处理领域，具体涉及一种60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火的方法，主要利用两相区球化退火热处理方式球化60si2mn弹簧钢种金相组织。

背景技术

60si2mn弹簧钢是弹簧钢系列中应用最广泛，最具有代表性的弹簧钢钢种，它的质量与发展水平也代表着弹簧钢系列的质量与发展水平。同时也是一个国家机械化水平高低的重要标志之一。弹簧在实际应用中承受各种载荷时表面应力最大，导致表面可能发生变形。弹簧尺寸精度不高可能会造成局部应力集中，导致微裂纹的出现，引起早期破坏，这都是影响弹簧钢寿命的主要因素。同时，为保证弹簧能够持续，稳定的工作，所受应力和变形均匀，要求弹簧钢材使用时必须具有较好的外形和尺寸精度。

60si2mn弹簧钢是应用比较广泛的弹簧钢种，考虑到弹簧钢的使用环境，大部分厂家在生产此种钢材会添加一定量的cr、ni等合金元素，以提高弹簧钢的强度、硬度和耐磨性。考虑到弹簧钢的后续加工，需要在弹簧零件成型前利用球化退火以改变组织，达到降低其硬度、提高塑韧性及便于后续热处理的目的。

通过球化处理工艺，60si2mn弹簧钢将会有一个适宜的切削加工硬度，以及良好的塑韧性便于冲压成型，针对于60si2mn弹簧钢球化退火工艺致力于用快速、简单、有效的方法使金相组织得到弥散、均匀、细小的球化金相组织。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火的方法，针对于60si2mn弹簧钢的合金化学成分制定出快速、简单、有效的球化退火工艺使材料的金相组织得到弥散、均匀、细小的球化金相组织。以便于使60si2mn弹簧钢达到降低其硬度、提高塑韧性及便于后续热处理的目的。

本发明具体技术方案如下：

一种60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火的方法，包括以下步骤：

1)将60si2mn弹簧钢随炉加热至其ac1与ac3温度之间后，控制温度在760±10℃；

2)温度达到后，保温；

3)保温后，进行冷却，控制冷却速率为120±10℃/h；

4)待温度冷却至600℃以下后取出，冷却至室温，完成两相区快速球化退火。

步骤2)中保温时间为30±5min。

进一步的，经过上述方法处理后，60si2mn弹簧钢球状碳化物组织的直径控制在0.28-0.32um；布氏硬度控制在175-185hb；断后延伸率为25-27％；弹性模量值为226-279gpa。

本发明中利用公式计算60si2mn弹簧钢的奥氏体化温度ac3和铁素体开始转变温度ac1。考虑到等温球化退火的加热温度是控制在钢种铁素体转变与完全奥氏体的两相区温度，因此要先计算出60si2mn弹簧钢的奥氏体化温度ac3和铁素体开始转变温度ac1，因此为了两种温度的理论值计算如下：

①60si2mn钢种金属元素含量的测量：利用金属试样进行光谱测量，确定c元素及各类合金元素的含量；

②根据碳当量经验公式测算数焊缝金属碳当量：

ce＝c+a(c){si/24+mn/16+cu/15+ni/20+(cr+mo+v+nb)/5+5b}。

③根据计算的碳当量及合金元素的含量，套用经验公式，计算60si2mn钢种完全奥氏体化温度ac3及铁素体转变形成奥氏体温度ac1，公式如下：

ac3＝910-203c0.5-13.2ni+44.7si+104v+31.5mo+13.1w

ac1＝723-10.7mn-16.9ni+29.1si+16.9cr+290as+6.38w

ac1温度为727℃，ac3温度为791℃，针对两个温度的区间，选择此温度区间的若干温度作为加热温度，为避免若干温度因试验误差重合，若干温度选择之间要相差最低20℃；本发明选择760℃加热主要原因在于：

“片状碳化物”(pl)—“粒状碳化物”(carb粒)的转变过程被为粒化过程，它是在加热过程中实现的，这里称之为第一阶段。在这个阶段中组织的主要改变是在加热过程中以界面能减少为驱动力，借助于碳化物与铁素体a相界面的某些部位界的张力局部不平衡及碳化物内的缺陷，使得片状碳化物破损进而断开得到短棒状、角状、蠕虫状等非圆形的粒状碳化物；

保温阶段保温30min,是由碳化物转变成过冷奥氏体的过程中，借助于片层状珠光体向过冷奥氏体转变的相变驱动力，可以使得短棒状，蠕虫状碳化物的凸出、棱角部位快速溶解来实现它的进一步粒化和初步球化，减少非粒状碳化物。因此保温时间的长短也是个关键工艺参数。为使60si2mn钢种在加热过程中，组织中的碳化物有充分时间依附于原有的碳化物颗粒非均匀形核形成球状的颗粒，而又不因时间过程影响生产能耗和加工速率，保温时间从10min，依次以10min为递增，确定试验保温时间为10min、20min、30min。

冷却是第三阶段，本发明中冷却速度为120℃/h，碳化物的球化过程是在这一阶段完成，过冷奥氏体的分解(γ——α+carb粒)使得碳化物颗粒不断的生长，从而达到球状的颗粒。如果这种分解按照正常的共析分解机制，又会重新形成片层状碳化物(pl)组织。这样就要求抑制分解产物两个相的相互激发，形核及随后的合作，协调长大。在这种分解中，碳化物和铁素体α分别独自形核，互不合作，协调，匹配以球状形态长大。球化加热奥氏体化时，过冷奥氏体γ中剩余的碳化物颗粒便成为了现存的碳化物核心，在过冷奥氏体分解时分解出来的碳化物就直接沉积在这些现存的碳化物核心表面上的凹陷处和表面曲率半径大的部位，这样便使剩余碳化物的成长逐渐趋于球状。因此冷却速度的控制是碳化物的球化长大的关键。

对于60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火的主要技术是利用试件加热到钢种铁素体与奥氏体的两相区，在金相组织中存在着未完全溶解的细小的碳化物颗粒，在随后的转变过程中碳化物依附于原有的碳化物颗粒非均匀形核形成球状的颗粒，从而得到球状碳化物组织。细小均匀、圆形的碳化物分布在铁素体基体上将使耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性得到改善与提高。为提高球化退火效率，缩短球化时间，再控制工艺提高铁碳原子的扩散速率。此种两相区快速球化退火是一种方便快捷的球化退火工艺，相比较与传统的球化退火工艺，两相区快速球化退火俱有热处理周期短，能源消耗少，工艺操作简单的优点。

本发明通过两相区快速球化退火技术方案，计算出了60si2mn钢种完全奥氏体化温度ac3及铁素体转变形成奥氏体温度ac1，再通过热处理工艺的制定，确定了最佳的两相区快速球化退火试验，利用此种工艺可以得到弥散、均匀、细小的球化金相组织。这就保证了60si2mn弹簧零件其硬度降低、塑韧性提高及便于后续热处理的条件。并且，此种两相区快速球化退火俱有热处理周期短，能源消耗少，工艺操作简单的优点。

与现有技术相比，采用本发明工艺处理后的工件金相试样如图3和图4所示，本发明工艺可以有效的球化60si2mn弹簧钢组织中的碳化物，得到了细小、弥散的球状碳化物组织。其球状碳化物组织的直径控制在0.28-0.32um；还可以有效的降低60si2mn弹簧钢的硬度，提高其塑韧性，有利于其后续的机械加工。球化退火后的布氏硬度控制在175-185hb，断后延伸率为25-27％，弹性模量值为226-279gpa。

附图说明

图1为本发明热处理工艺示意图；

图2为60si2mn钢原始组织；

图3为实施例1处理后的60si2mn钢金相组织；

图4为实施例1处理后的60si2mn钢金相组织局部扫描电镜图像。

具体实施方式

实施例1

本发明所用60si2mn弹簧钢材料的含有以下重量百分元素：c0.56～0.64％、si1.60～2.00％、mn0.60～0.69％、cr≤0.30％、ni≤0.40％、s≤0.030％、p≤0.035％，余量为fe和不可避免的杂质。

一种60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火的方法，包括以下步骤：

1)将60si2mn弹簧钢随炉加热至其ac1与ac3温度之间后，控制温度在760℃；

2)温度达到后，保温30min；

3)保温后，进行冷却，控制冷却速率为120℃/h；

4)待温度冷却至600℃以下后取出，冷却至室温，完成两相区快速球化退火。

设计思路：

先利用公式计算60si2mn弹簧钢的奥氏体化温度ac3和铁素体开始转变温度ac1。考虑到等温球化退火的加热温度是控制在钢种铁素体转变与完全奥氏体的两相区温度，因此要先计算出60si2mn弹簧钢的奥氏体化温度ac3和铁素体开始转变温度ac1，因此为了两种温度的理论值计算如下：

①60si2mn钢种金属元素含量的测量：利用金属试样进行光谱测量，确定c元素及各类合金元素的含量；

②根据碳当量经验公式测算数焊缝金属碳当量：

ce＝c+a(c){si/24+mn/16+cu/15+ni/20+(cr+mo+v+nb)/5+5b}。

③根据计算的碳当量及合金元素的含量，套用经验公式，计算60si2mn钢种完全奥氏体化温度ac3及铁素体转变形成奥氏体温度ac1，公式如下：

ac3＝910-203c0.5-13.2ni+44.7si+104v+31.5mo+13.1w

ac1＝723-10.7mn-16.9ni+29.1si+16.9cr+290as+6.38w

ac1温度为727℃，ac3温度为791℃，本发明选择760℃加热主要原因在于：

热处理工艺制定：

根据步骤1确定60si2mn钢种完全奥氏体化温度ac3及铁素体转变形成奥氏体温度ac1后，针对两个温度的区间，选择此温度区间的若干温度作为加热温度，为避免若干温度因试验误差重合，若干温度选择之间要相差最低20℃；因此选定三个加热温度740℃、760℃、780℃。

保温阶段，本发明选在在760℃左右保温30min，是由碳化物转变成过冷奥氏体的过程中，借助于片层状珠光体向过冷奥氏体转变的相变驱动力，可以使得短棒状，蠕虫状碳化物的凸出、棱角部位快速溶解来实现它的进一步粒化和初步球化，减少非粒状碳化物。

因此保温时间的长短也是个关键工艺参数。为使60si2mn钢种在加热过程中，组织中的碳化物有充分时间依附于原有的碳化物颗粒非均匀形核形成球状的颗粒，而又不因时间过程影响生产能耗和加工速率，确定加热到由①确定的温度后保温时间从10min，依次以10min为递增，确定试验保温时间为10min、20min、30min；

冷却是第三阶段，本发明中冷却速度为120℃/h，碳化物的球化过程是在这一阶段完成，过冷奥氏体的分解(γ——α+carb粒)使得碳化物颗粒不断的生长，从而达到球状的颗粒。如果这种分解按照正常的共析分解机制，又会重新形成片层状碳化物(pl)组织。这样就要求抑制分解产物两个相的相互激发，形核及随后的合作，协调长大。在这种分解中，碳化物和铁素体α分别独自形核，互不合作，协调，匹配以球状形态长大。球化加热奥氏体化时，过冷奥氏体γ中剩余的碳化物颗粒便成为了现存的碳化物核心，在过冷奥氏体分解时分解出来的碳化物就直接沉积在这些现存的碳化物核心表面上的凹陷处和表面曲率半径大的部位，这样便使剩余碳化物的成长逐渐趋于球状。因此冷却速度的控制是碳化物的球化长大的关键。因此选定三个试验冷却速率60℃/h、120℃/h、240℃/h。

因60si2mn弹簧钢在727℃以下就不会发生相变，为了确保试验成功，因此工件随炉冷却到600℃出炉。

金相组织观察确认热处理工艺：

①将不同两相区球化退火参数组合的工艺的工件制作金相试样。

②金相组织互相比对并与原金相组织比对，观察最佳的球化金相组织。

通过试样金相组织对比，确认制定的工艺中两相区快速球化退火的加热温度控制在760℃最佳。保温时间控制在30min最佳，随着冷却速度的降低球化效果越好，冷却速度控制在120℃/h球化效果最佳。并且通过测量碳化物球状组织的平均直径为0.32um，效果较好。

图3和图4可见，60si2mn弹簧钢两相区快速球化退火工艺前的金相组织为片层状的珠光体碳化物组织，两相区快速球化退火工艺后片层状的珠光体碳化物组织完全转变为了细小、弥散的球状碳化物组织。针对局部碳化物分布，拍摄了显微倍数更大的扫描电镜照片，可见采用此种工艺的快速球化退火可以较好的球化碳化物，片层状的碳化物组织基本上都已达到球化效果。

利用实施例1处理后的试样1、试样2和试样3及原始试样性能对比如下表1：

表1

由表1可见，60si2mn弹簧钢通过两相区快速球化退火后，材料的硬度下降，塑韧性得到大幅提升。