关于60Si2CrVAT弹簧钢脱碳的研究

关于60Si2CrVAT弹簧钢脱碳的研究

杨俊松

中车贵阳车辆有限公司

摘要：60Si2CrVAT弹簧钢性能优异，但是脱碳敏感性较高。本文针对该牌号弹簧钢生产弹簧过程中的脱碳机理进行了研究试验，验证了行业内关于该弹簧钢脱碳机理的相关结论，结合完全脱碳判定标准，制定了弹簧生产过程中的优化工艺，避免了该牌号弹簧钢在弹簧生产过程中产生严重的完全脱碳层

。

关键词：60Si2CrVAT弹簧钢；弹簧；完全脱碳；工艺。

引言

60Si2CrVAT弹簧钢属于铁路行业专用弹簧钢，由于Si含量较高，其脱碳敏感性也较高，钢材在热处理过程中表面容易产生脱碳层。而弹簧表层的完全脱碳层相较于正常弹簧组织其力学性能会大大降低，会影响弹簧在工作过程中的疲劳寿命，因此弹簧生产制造过程中要尽可能的避免完全脱碳层的产生。

一、轨道交通用热卷弹簧生产工艺及影响脱碳因素分析

弹簧生产过程中产生脱碳的工序主要在弹簧钢加热、弹簧卷制整形、弹簧二次均温加热，根据行业内关于弹簧钢脱碳的相关文献资料可知，弹簧钢的脱碳影响因素可以分为内因影响与外因影响。

外因第一个影响因素是高温下与外界的氧化性气体进行反应导致流失，产生氧化性脱碳，金相显微镜下的形态主要以点状脱碳为主。外因第二个影响因素是：高温下脱碳的过程中表面也同时发生着铁的氧化反应，这一反应的存在减少了弹簧表层脱碳层的比例。

内因第一个影响因素为弹簧钢加热过程中在弹簧钢表层产生了低含碳量的铁素体，形成了在金相显微镜下看见的柱状铁素体完全脱碳层。内因第二个影响因素是弹簧钢升温至脱碳层组织两相区温度之上后，材料内部的碳元素继续向外部的奥氏体相变区扩散，使脱碳层组织重新转化为了正常的弹簧组织。

二、试验验证分析

为了验证上述影响弹簧脱碳因素的正确性，分别针对外因影响因素与内因影响因素进行了大量脱碳试验，相关试验验证分析过程如下：

（一）外因脱碳试验

外因影响试验一（验证氮气压力的影响）：首先验证了制氮机的氮气纯度及氧含量，确保充入转炉内的氮气能够起到保护作用。调整不同的氮气压力进行多次弹簧卷制、试棒烧制试验，试验发现不同氮气压力对试验结果没有较为明显的影响，弹簧依旧存在较多完全脱碳层。

外因影响试验二（空气加剧弹簧氧化，消除脱碳）：向转炉内充入空气或空气与氮气的混合气体进行试验，试验试样的完全脱碳层并未完全消除或有明显的减少迹象，说明充入空气并未使试样发生剧烈的氧化作用。

外因影响试验三（充入碳粉减少炉内氧化性气体）：为进一步减少炉内氧化性气体含量，想到了利用虹吸原理，从氮气管道中输送碳粉进入转炉，通过碳粉在炉内燃烧持续消耗炉内氧化性气体，减少弹簧的氧化脱碳倾向。多次试验发现，该措施能有效的降低弹簧完全脱碳层的产生概率，完全脱碳层的产生概率由60%-80%降低至10%-20%。

（二）内因脱碳试验

内因影响试验一（验证不同棒料加热温度）：试验设定了800度、850度、900度三个加热温度，分别采用了试棒与弹簧棒料卷制弹簧实物进行。通过对试验试棒及弹簧进行取样，发现850度加热的试棒产生完全脱碳的比例远大于800度及900度两个试验条件，结合脱碳研究论文中测定的60Si2CrVAT两相区温度区间（783.6℃-829.8℃）及当钢表层碳浓度降低时两相区温度区间上移的理论，说明弹簧钢在850度加热时位于两相区组织中，脱碳倾向更加明显。

内因影响试验二（验证棒料加热后不同空冷时间的影响）：分别设定感应加热后立即淬火、感应加热后空冷约90s淬火（一个弹簧卷制调簧时间）、感应加热后空冷至室温、感应加热转炉均温出炉后立即淬火、感应加热转炉均温出炉后空冷15s淬火共5个条件，试验结果表明弹簧钢加热后的不同阶段的不同空冷时间对脱碳的影响均不大，说明弹簧空冷过程产生的脱碳极少。

三、工艺优化要点及优化方向分析

对于弹簧钢加热温度的控制，根据弹簧钢加热至不同温度后余温淬火的脱碳试验结果分析，弹簧钢加热应尽量快速，加热温度应尽量控制在930±20℃，弹簧钢快热加热至该温度区间内可避免弹簧钢在棒料加热阶段产生完全脱碳层。

对于弹簧均温加热温度及均温时间的控制，根据脱碳试验的结果以及当前的热处理设备特点，弹簧二次均温加热的温度控制在940℃，均温时间控制在40min，弹簧产生完全脱碳层的几率较小。

对于保护性气体N2气的输入及还原性物质（C粉）的输入，则建议N2控制在6m³/h，C粉输入电机设定为每4s工作4s，电机频率设定为1.2Hz，综合上述其余控制项点，可对弹簧完全脱碳产生的产生较好的抑制作用。

四、工艺优化后试验结果及结论

通过近一年半121次脱碳试验，对多达800余个试样的观察，关于防治弹簧产生完全脱碳层已取得了丰富的试验经验，最终得到了上述防止弹簧完全脱碳产生的较为良好的工艺，应用于弹簧批量生产验证之后，弹簧完全脱碳的几率由60%-70%降低至了5%以内，避免了弹簧大面积的完全脱碳层的产生。虽然弹簧局部仍有少量的点状完全脱碳层存在，但其相对整个弹簧而言所占的面积是极小的，对材料组织整体性能影响较小，对弹簧使用基本不会造成危害。

另一方面通过大量的试验，明晰了弹簧生产过程中完全脱碳的影响因素、完全脱碳产生的行为机理，为后续的脱碳攻关试验、生产设备升级指明了方向，为后续彻底避免弹簧产生完全脱碳层奠定了坚实的基础。

五、后续弹簧脱碳优化思路及探索

弹簧完全脱碳防治消除的最终目标是完全避免弹簧产生完全脱碳层，后续工艺优化的思路将主要基于以下两方面进行：（1）第一是继续进行弹簧均温温度及均温时间对弹簧脱碳影响的试验，进一步优化弹簧均温工艺。（2）第二是了解真空热处理设备的应用，寻找外部具备条件的厂家在真空条件下进行弹簧均温加热淬火热处理的试验，为后期更新真空热处理设备消除弹簧脱碳储蓄经验。

参考文献

【1】史显波，赵连玉，王 威等，几种高速列车用弹簧钢的脱碳敏感性【J】.材料热处理学报,2013-7，34（7）.

【2】薛顺，田俊，成国光等，新型高铁弹条用弹簧钢的表面脱碳及氧化性能【J】.钢铁研究学报，2013-10，25（10）.

【3】吴华林，王福明，李长荣等，提速列车用弹簧钢60Si2CrVAT的热处理工艺优化【J】.材料热处理学报，2011，32（9）：35-41.