常用弹簧钢奥氏体晶粒长大倾向的比较

苏德达*

    摘要：用高温金相显微镜取了常用弹簧钢（65，65Mn，60Si2Mn及50CrVA）奥氏体晶粒长大的系列显微照片，绘制了晶粒长大的动力学曲线，比较了奥氏体晶粒长大倾向。结果显示65Mn及60Si2Mn钢的长大倾向最大，65钢次之，50CrVA钢最小。对影响奥氏体晶粒长大的各种因素进行了扼要讨论。

关键词：弹簧钢  奥氏体晶粒  高温金相显微镜  真空加热

    65，65Mn，60Si2Mn及50CrVA等弹簧钢在弹簧生产中获得广泛应用，其中65，65Mn及各种高碳钢也是金属制品中大量选用的钢种。在生产中各种热处理（如铅淬火、油淬火、正火及退火等）的首要工序是将钢加热到一定温度、保持适当时间，获得比较匀细的奥氏体组织。弹簧零件或弹簧钢丝只有得到奥氏体后才能通过油冷到Ms点以下获得马氏体组织，再通过回火（铅浴）工序获得所需的匀细的回火马氏体（或回火索氏体）组织，从而使其具备所要求的力学性能。对于铅淬火生产工艺来说，只有通过奥工体组织随即进入铅浴中冷却适当时间，使它在接近恒温条件下转变为细片或极细片珠光体（又叫淬火索氏体），故把铅淬火称为索氏体化处理。由于这种组织具有优异的冷拔性能，再通过深度拉拔（多道次冷拔），使钢丝既达到所需的规格尺寸，又具备了所需求的力学性能。

    由此可见，钢丝制品在热处理工序中的首要任务是加热温度的选择、如何获得合适的奥氏体组织。其中奥氏体晶粒的形成、长大趋势及其影响因素等是金属材料学中的基本理论问题之一。

1、试验材料及试验方法

1.1试验材料

    试验材料为工业用弹簧钢棒：65，65Mn，60Si2Mn及50CrVA等4种，它们的原始组织、夹杂物等级及硬度见表1。

表1  弹簧钢的原始组织、夹杂物等级及硬度

1.2试验方法

    试验方法和文献[1]介绍的相同，即用上述材料制成标准试样，置于MeF-Ⅱ型高温金相显微镜的加热炉中，当真空度达4*10^-4Torr以上时，按设定的热处理规程进行加热，升到不同温度时保温一定时间，由热蚀沟来显示出奥氏体晶粒。连续观察的同时选择其典型视场（暗场或明场）摄取显微照片，便可得到系列的高温金相照片。由这些照片可测出该试样在不同加热温度下的奥氏体晶粒的平均面积，就可绘出该钢奥氏体晶粒长大动力学曲线。

2、试验结果及分析

2.1常用弹簧钢的奥氏体晶粒长大动力学曲线

    由常用的4种弹簧钢65，65Mn，60Si2Mn及50CrVA的奥氏体晶粒长大动力学曲线可知,这4种钢的奥氏体晶粒长大趋势非常类似，其长大倾向强弱顺序：60Si2Mn和65Mn钢最快，65钢次之，而50CrVA钢最慢。产生此种不同现象的原因很多，主要与其化学成分不同有关，也与其炼钢时的脱氧方法、钢的原始组织不同有密切关系。

2.2 4种钢奥氏体晶粒度的比较

    设定奥氏体晶粒的平均面积均长大到10.1⁴μm时，则上述4种弹簧钢所需的加热温度分别为870℃（60Si2Mn），930℃（65Mn），1000℃（65），1100℃（50CrVA）。

    如果加热温度相同，皆为1000℃（保持5-10min），4种钢的奥氏体晶粒度中，以60Si2Mn钢和65Mn钢的晶粒最粗，其次为65钢，50CrVA的最细。

2.3奥氏体显示出孪晶的温度

    从连续观察奥氏体晶粒的长大过程中发现4种钢试样中显露出孪晶的温度也有差异：60Si2Mn钢与65Mn钢约在900-1000℃，65钢及50CrVA钢约在1100-1200℃。

    应当指出，上述钢号奥氏体中出现孪晶线的温度只是一个大概的范围。这个问题在许多文献中都未作介绍，就高温金相来讲，形成热蚀沟来显示出孪晶线也必需有足够的时间，因而可初步判断，此时出现的孪晶线必然将滞后于其孪生变形过程。另一方面，孪生变形时所需的切应力一般远大于滑移变形所需之力，开始形成的奥氏体晶粒很匀细，其强度较高，故不易发生孪生变形，也就不会有孪晶现象。当加热温度升高到使奥氏体晶粒急剧长大时，获得比较粗大的奥氏体晶粒，此时它的强度较低，热膨胀加大，将会诱发孪生变形现象。以上论述与我们的观察结果相符。

3、讨论

    弹簧钢正常加热淬火温度（油淬火或铅淬火等）的选择应为A_c3+（20-30）℃，这是在缓慢加热条件下得到的结果；若在快速加热条件（生产上常用）时，其合适的淬火加热温度应适当提高。

    高温金相试验时采用的方法是缓慢加热（用热蚀沟来显露奥氏体晶粒度），试验结果表明，只有在上述正常加热温度、适当保温的条件下才能得到比较匀细的奥氏体晶粒。对于65钢，合适的淬火加热温度应低于900℃（但要高于A_c3点）；对于65Mn钢，由于锰降低临界点，促使奥氏体晶粒长大，更应严格控制淬火加热温度，钢丝应控制在（850±10）℃范围内；对于60Si2Mn钢，由于含有较多的Si，它提高的临界点，故可选择较高的淬火加热温度，例如870-880℃；对于50CrVA钢，它含有合金元素铬和钒，而且含碳量较低，故其淬火烟叶热温度可选880-900℃。钢丝热处理生产时一般采用快速加热（例如提高炉温，特别是感应加热），为了获得合适的奥氏体化要求，必须适当提高其淬火加热温度。铅淬火加热奥氏体化时应避免混晶，如果发生混晶（即奥氏体晶粒大小不匀），铅淬火后得到的索氏体组织也不均匀，它将影响其冷拉拔性能；尤其是粗大晶粒的奥氏体，在其冷却转变过程若不能全部转变为索氏体，余留部分的奥氏体，由于稳定性较高而在后续冷却时转变为脆性相马氏体，少量马氏体组织的出现不仅使钢丝的冷拔性能恶化，而且将直接影响钢丝、钢丝绳的使用寿命^[2]。

    除了上述加热温度及保温时间等影响钢的奥氏体晶粒度的主要因素外，还有如下几方面因素。

（1）加热速度的影响。加热速度越快时将使钢完成相变的临界点(A_c1，及A_c3，)越高，则所需的淬火加热温度应适当提高。另一方面，加热速度(在一定范围内)越高，奥氏体形核率越大、而其长大速率增加较小，热处理后的制品可获得更加匀细的组织。

（2）脱氧方法的影响。炼钢时使用铝脱氧时可得到细晶粒钢；只用硅、锰元素脱氧时将得到细晶粒钢。

（3）化学成分的影响。依合金元素的不同主要有如下几种情况：如加入强碳化物形成元素V，Ti，Nb等，容易获得匀细的奥氏体晶粒；如加入Cr，Mn等元素，由于其阻碍奥氏体晶粒长大的作用不显著故影响不大；而加入那些非碳化物形成元素，如Si及Ni等，对奥氏体晶粒的长大不起作用。但是，Cr，Mn，Mo，Si，Ni等元素的加入都对钢的淬透性有重要影响。

    实际上，钢中含碳量多少也是影响奥氏体晶粒度的重要因素。如加热温度为900℃，钢中碳的质量分数在1.2%以内时，则含碳量越高时使奥氏体晶粒度增大。

（4）原始组织的影响。钢的原始组织越匀细时(或渗碳体分散度越高)，奥氏体的起始晶粒越
小，但此时其长大趋势将越显著，容易得到混晶或粗大晶粒。如采用快速加热技术(加热温度略超过A_c3），亦可得到匀细的组织。

4、结论

（1）4种常用弹簧钢奥氏体晶粒长大倾向最显著的是60Si2Mn和65Mn钢，其次为65钢，50CrVA
钢的长大倾向最小。加热温度为1000℃时对奥氏体晶粒度比较，以60Si2Mn及65Mn钢者最粗，65钢者次之，50CrVA钢者最细。

（2）若设定的奥氏体晶粒的平均面积为10．1⁴μm²时，则4种钢所需的加热温度分别为870℃
(60Si2Mn)，930℃(65Mn)，1000℃(65)和1100℃(50CrVA)。

参考文献
1 苏德达．65Mn钢奥氏体晶粒长大与孪晶的动态观察．金属制品，2002(6)：55-59

2 曹国洲，王珉．港口装卸用钢丝绳的质量分析．金属制品，2002(6)：44-46

作者简介
苏德达 1925年生，天津大学材料学院教授，已退休。