热处理工艺对52CrMoV4高强度弹簧钢力学性能的影响

赵 磊，姜 超，常志远，张金鑫，李 泽

（中信泰富青岛特殊钢铁有限公司中特研究院青钢分院，山东 青岛 266000）

1 前言

随着社会经济发展和生活条件的改变，人们对车用材料提出更高的要求。车用材料在保证轻量化的同时，需要更高的安全性能。52CrMoV4 弹簧钢作为主要的汽车减振器件，长期处于受迫振动中，对其弹性极限、强韧性和弹性模量的要求较高。有研究发现，通过热处理的方式改变合金内奥氏体晶粒的大小和分布，从而提高合金的性能指标。随着合金钢内部奥氏体晶粒细化，合金钢的强度和塑性等性能指标均随之升高。本研究通过不同淬火处理和中温回火方案对52CrMoV4 钢的调质处理，选择最佳热处理温度对合金的组织和力学性能进行研究分析，从而根据最佳热处理工艺参数进行相关产品进行工艺优化，以满足所需钢材的性能要求［1-4］。

2 试验部分

2.1 试验材料

选用52CrMoV4 弹簧钢作为试验材料，其化学成分见表1。

表1 52CrMoV4弹簧钢的化学成分（质量分数） %

2.2 淬火处理和中温回火工艺

选取规格为300 mm×150 mm×200 mm 的热轧态52CrMoV4 弹簧钢进行淬火和回火处理。对52CrMoV4 弹簧钢进行860、880 和900 ℃的淬火处理［5］，加热时间为40 min，油淬后进行400 ℃回火处理加热时间为90 min，保温冷却后对试样金相组织及力学性能进行对比观察确定最佳淬火温度。

选择最佳淬火温度后对52CrMoV4弹簧钢进行380、400、420 ℃的回火处理，加热时间为90 min，保温冷却后对试样金相组织及力学性能进行对比观察，选择最佳回火温度。

采用淬火处理可以获得少量的贝氏体组织的钢材。在淬火处理过程中由于贝氏体中铁素体和奥氏体保持共格联系并沿着母相奥氏体特定的晶面依靠切变而长大。同时在进行淬火处理的过程由于加热温度不均及冷却介质等原因容易造成钢材产生残余应力，造成淬火后钢材发生变形或开裂等缺陷，影响钢材的正常使用。为了进一步提升钢材的塑性和韧性等性能，在淬火工序完成后必须对钢材再次进行回火处理，调整钢材内部组织。同时通过控制钢材冷却时间可以在强化合金钢的同时，保持其较高的韧性。

基于前期试验得到最佳淬火温度，研究中温回火温度对材料组织和性能的影响［6］。分别采用380、400、420和440 ℃对52CrMoV4进行热处理，消除淬火应力。通过获得回火屈氏体使钢具有高的弹性极限，以及较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。

3 结果与讨论

3.1 淬火温度确定

52CrMoV4 弹簧钢在不同淬火温度、相同回火温度下的洛氏硬度值。860、880和900 ℃的洛氏硬度值分别为50.5、50.9 和51.0 HRC。可以看出，在900 ℃的淬火时，钢的硬度值最高。如表2 所示，52CrMoV4弹簧钢不同淬火温度下的拉伸数据。可以看出，随着温度的升高钢的强度随之增加，但钢的伸长率下降，脆性增大，在一定程度上导致钢提前失效断裂，从而导致900 ℃淬火时力学性能较880 ℃有所降低。因此在880 ℃的淬火时，52CrMoV4弹簧钢的抗拉强度值最高为1 788 MPa，断后伸长率值最小为10%，说明塑性下降。

表2 52CrMoV4不同淬火温度下拉伸性能

3.2 回火温度的确定

淬火过程由于加热温度不均及冷却介质等原因，容易造成钢材产生残余应力，造成淬火后钢材发生变形或开裂等缺陷影响钢材的正常使用。为了进一步提升钢材的塑性和韧性等性能，在正常试验情况下均采用淬火完成后必须对钢材进行回火处理。基于880 ℃的力学性能最佳，选定880 ℃作为淬火温度，调控中温回火工艺。

380、400、420 和440 ℃的硬度值分别为52.1、51.5、50.3 和49.0 HRC。可以看出在380 ℃的回火时，钢的硬度值最高。

如表3所示为52CrMoV4弹簧钢不同回火温度下的拉伸数据。从表3中可以看出，当回火温度为380 ℃时，抗拉强度值最大为1 820 MPa，度随着回火温度的不断升高逐渐降低，而随着回火温度的升高断后伸长率并无明显变化。

表3 52CrMoV4不同回火温度下拉伸性能

图1为52CrMoV4弹簧钢在不同回火温度下的金相组织。图1a、b、c、d 分是380、400、420 和440 ℃回火后金相组织。回火后组织为回火屈氏体。淬火后进行回火，马氏体含量逐渐减少，马氏体开始向回火屈氏体转变，回火屈氏体组织由于其对钢材的特殊影响，使钢材具有良好的弹性性能的同时兼备较其他弹簧钢更好的强度和韧性。通过中温回火对钢材进行处理后，C 和Mn 等元素从马氏体中向外扩散，在晶界中富集，为奥氏体形核提供位置。基体中的超细晶铁素体数量随着回火温度的升高而增加。同时，在形成回火屈氏体的过程中，由于钢材内部的碳原子随着回火温度的提高不断向外扩散的能力增加，处于过饱和状态的固溶体在回火处理过程中不断转变为铁素体，在渗碳体转变过程中由亚稳定的ε 碳化物逐渐发生并进行稳定转变。在转变过程中，转变组织与母相失去共格联系导致由于淬火处理过程中产生的残余应力在转变过程中大部分消除，最终通过中温回火，使钢材内部组织由马氏体逐步转变为稳定的回火屈氏体。其中马氏体起到阻碍位错运动、析出的碳化物对位错产生钉扎的作用。超细晶铁素体作为软韧相，并在一定程度上改善钢的性能特点，使得钢的硬度和强度下降，塑性和韧性提高。

图1 52CrMoV4钢的回火金相组织

结合以上分析，52CrMoV4弹簧钢的最佳热处理工艺为880 ℃和380 ℃，此时钢的力学性能最佳。

4 结论

4.1 通过对热轧态52CrMoV4 弹簧钢的淬火特性研究，随着淬火温度升高，钢中马氏体数量增多，导致硬度数值得到提高，在880 ℃达到峰值硬度值达到最高，后随温度上升钢的伸长率下降、脆性增大，在一定程度上导致钢提前失效断裂导致硬度值下降，随着温度提高塑性下降。

4.2 通过本次试验研究表明，在880 ℃的淬火处理条件下，随着回火温度的不断升高，钢的回火屈氏体含量增多，合金的强度和硬度下降，塑性和韧性提高。

4.3 在880 ℃的淬火处理和380 ℃的中温回火条件下，钢材的综合性能最好。