武懷強(qiáng) （廣東奧賽鋼線有限公司）

油淬火-回火彈簧鋼絲主要用于制作氣門  彈簧、離合器彈簧,、懸架彈簧以及各種機(jī)械用拉  簧,、扭簧和減震簧等［1］。 由于其抗松弛應(yīng)力好,， 屈強(qiáng)比高等優(yōu)點(diǎn)正逐漸受到彈簧行業(yè)的青睞 ,。 彈簧鋼絲油淬火-回火的目的在于消除加工硬  化，獲得回火屈氏體的顯微組織,，以期提高油淬  火-回火后彈簧鋼絲的抗松弛應(yīng)力和屈強(qiáng)比,，從  而滿足GB/T 18983-2017 的要求 ,。鋼絲的力學(xué)  性能與其化學(xué)成分和金相組織存在著密切的聯(lián)  系，油淬火-回火后鋼絲的回火屈氏體組織一般  以金相檢驗(yàn)為判定依據(jù),，但由于金相檢驗(yàn)制樣耗  時(shí)較長(zhǎng),，油淬火-回火后彈簧鋼絲的性能檢驗(yàn)一  般以抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率,、彎曲和纏繞為主,，這  是利用鋼絲力學(xué)性能與金相組織特性的對(duì)應(yīng)關(guān)  系來檢測(cè)。

1    問題提出

圖 1 為彈簧鋼絲普通加熱油淬火-回火生產(chǎn) 線示意圖,，彈簧鋼絲在油淬火-回火過程中,，相 同材質(zhì)、直徑和爐號(hào)的鋼絲在收線速度（在爐時(shí)

間）,、線溫,、油溫和鉛溫均符合工藝規(guī)定下進(jìn)行生  產(chǎn)，一般均能獲得均勻穩(wěn)定的抗拉強(qiáng)度和面縮  率 ,。但相同材質(zhì),、直徑，不同爐號(hào)的鋼絲,，即便所  有生產(chǎn)過程參數(shù)均符合工藝規(guī)定,，有時(shí)鋼絲油淬  火-回火后的抗拉強(qiáng)度卻偏離預(yù)期范圍，為了得  到符合要求的淬回火彈簧鋼絲,，需要調(diào)整鉛溫,。 鉛溫調(diào)整在±10℃以內(nèi)，屬于正常波動(dòng),，當(dāng)調(diào)整鉛  溫超過±10℃的范圍時(shí),，則屬于異常波動(dòng)（這里所  說的鉛溫調(diào)整范圍是指鋼絲油淬火-回火后力  學(xué)性能和工藝性能合格時(shí)的實(shí)際鉛溫與工藝規(guī)  定鉛溫的差），鉛溫的異常波動(dòng)會(huì)直接反映到鋼  絲的抗拉強(qiáng)度上 ,。彈簧鋼絲在油淬火-回火后  獲得均勻穩(wěn)定的力學(xué)性能和工藝性能,，對(duì)后期彈  簧的制作和使用具有重要意義，所以綜合分析影  響油淬火-回火彈簧鋼絲抗拉強(qiáng)度的因素至關(guān)  重要,。

2   彈簧鋼絲油淬火-回火后抗拉強(qiáng)度的影響因 素分析及討論

2. 1   化學(xué)成分

制造油淬火-回火彈簧鋼絲使用的原材料

圖 1   彈簧鋼絲普通加熱油淬火-回火生產(chǎn)線示意圖

——優(yōu)質(zhì)彈簧鋼絲用熱軋盤條是按材質(zhì)供貨的,， 對(duì)于某一材質(zhì)而言，其碳,、硅,、錳、鉻等元素的含  量都有一定的范圍,，而化學(xué)成分對(duì)其力學(xué)性能有  決定性影響,，尤其以鋼中的碳、硅,、錳,、鉻元素的  含 量 影 響 最 為 突 出 ,。 以 55SiCrA 為 例 ，GB/T  19530-2016 規(guī)定 w（C）為 0. 50%~0. 60%,，w（Si） 為 1. 20%~1. 60%,，w（Mn）為 0. 50%~0. 90%，w  （Cr）為 0. 50%~0. 80%,，碳,、硅、錳含量越高,，則油  淬火回火后彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度越高,，同時(shí)隨著  合金元素含量的增加，會(huì)使過冷奧氏體的穩(wěn)定性  增 加 ,，使 C 曲 線 右 移［2 ］,，延 長(zhǎng) 淬 火 過 程 的 轉(zhuǎn) 變  時(shí)間。

2. 2   原始顯微組織

油淬火-回火用彈簧鋼絲是用具有索氏體  顯微組織的熱軋盤條經(jīng)表面處理后拉拔而成,， 盤條的索氏體化均勻程度對(duì)鋼絲的拉拔及后  續(xù)的熱處理強(qiáng)度均有重要影響,，其中尤其以組  織 偏 析 的 影 響 最 為 嚴(yán) 重 。 圖 2 所 示 為 60Si2  MnA Ø10. 0 mm 熱軋盤條的偏析照片,，沿鋼絲的  軸向方向分布著一條寬度約 0. 60 mm 的深黑色  條帶,，即為盤條的偏析區(qū)域 。存在偏析的盤條經(jīng)  較小壓縮率和少量拉拔道次后進(jìn)行油淬火-回  火處理,，鋼絲的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)明顯不均勻現(xiàn)象,。

圖 2    60Si2MnA Ø10.0 mm 熱軋盤條偏析宏觀照片

圖 3   55CrSiA Ø8.0mm 熱軋盤條全脫碳層金相組織

此外，即便使用索氏體化均勻的熱軋盤條,， 若采用不同的拉拔工藝生產(chǎn)油淬火-回火用彈  簧鋼絲時(shí),，由于冷拉塑性變形程度的不同,，其抗  拉強(qiáng)度存在一定幅度的散差,，因鋼絲在拉拔過程  中儲(chǔ)存了大量的形變能，故而金屬內(nèi)部原子的內(nèi)  能也存在一定的差異 ,。 由于奧氏體,、鐵素體、滲  碳體之間的含碳量存在差異,，鋼絲奧氏體化過程  中必然有碳原子的擴(kuò)散,，而原子的擴(kuò)散速度受其  內(nèi)能高低的影響，當(dāng)采用不同投料直徑的盤條拉  拔相同直徑的鋼絲時(shí),，經(jīng)較大總壓縮率變形的彈  簧鋼絲,，其原子內(nèi)能較高，有利于奧氏體化過程  中的形核,，并得到細(xì)化的晶粒,，在油淬火-回火  生產(chǎn)工藝完全相同的情況下,，具有較大總壓縮率  的鋼絲熱處理后具有較高的抗拉強(qiáng)度。

由于油淬火-回火用彈簧鋼絲的組織均勻 性和總壓縮率存在差異,，勢(shì)必會(huì)造成鋼絲油淬 火-回火后抗拉強(qiáng)度存在差別,，可能會(huì)造成部分 鋼 絲 熱 處 理 后 的 抗 拉 強(qiáng) 度 偏 低 并 超 出 GB/T 18983-2017 的下線要求，造成產(chǎn)品不合格 ,。把 不合格的彈簧鋼絲和冷拉彈簧鋼絲同時(shí)進(jìn)行油 淬火-回火生產(chǎn)時(shí),，不合格鋼絲（返燒線）的抗拉 強(qiáng)度會(huì)明顯低于冷拉彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度，一般 低于 10~40MPa,。

所以,，同一批次的油淬火-回火用彈簧鋼絲

應(yīng)該盡可能用同一爐號(hào)、同一規(guī)格和同一型號(hào)設(shè) 備按相同的拉拔工藝組織生產(chǎn),，這樣便于油淬 火-回火過程中工藝的調(diào)整,，有利于彈簧鋼絲獲 得均勻穩(wěn)定的抗拉強(qiáng)度。

2. 3   全脫碳

若熱軋盤條的表面存在全脫碳層（圖 3）,，其  拉拔至一定規(guī)格后鋼絲表面仍然會(huì)存在全脫碳  層（全脫碳層所占的百分比不變）,，把具有全脫碳  的彈簧鋼絲進(jìn)行油淬火-回火熱處理后，鋼絲表  面仍可能會(huì)存在全脫碳,，這樣勢(shì)必會(huì)造成彈簧鋼  絲油淬火-回火后的抗拉強(qiáng)度存在較大差異 ,。 把同一材質(zhì)，同一投料拉拔后的鋼絲在相同的油  淬火-回火工藝下進(jìn)行生產(chǎn),，若油淬火-回火后  鋼絲表面仍存在全脫碳層,，則彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)  度會(huì)明顯低于表面無全脫碳層的鋼絲 。 以  55CrSiA Ø3. 8mm 彈簧鋼絲為例,，其化學(xué)成分和  油淬火-回火后的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分別見表 1  和表 2,。

表 1   55CrSiA Ø3.8 mm彈簧鋼絲化學(xué)成分

w /%

表2   55CrSi A Ø3.8 mm油淬火-回火彈簧鋼絲抗拉強(qiáng) 度檢測(cè)

2. 4   鋼絲加熱速度及線溫

在化學(xué)成分一定的情況下，彈簧鋼絲的性能 主要取決于組織特征,，細(xì)化的晶粒組織可以使鋼 絲油淬火-回火后獲得較高的抗拉強(qiáng)度 ,。彈簧 鋼絲的奧氏體化過程采用快速連續(xù)加熱，即增加 過熱度,，縮短孕育期,，增加形核率，從而得到細(xì)小 的奧氏體晶粒［3］,。鋼絲奧氏體化過程中,，在加熱 爐內(nèi)大致經(jīng)過預(yù)熱、加熱和保溫三個(gè)階段,，當(dāng)加 熱爐具有較高的熱效率和較好的保溫效果時(shí),，根 據(jù) Hall-Petch 公式（ 1）以及經(jīng)驗(yàn)公式（2）可知，鋼 絲的抗拉強(qiáng)度與奧氏體晶粒大小呈線性關(guān)系，在

保證鋼絲奧氏體化均勻的前提下,，較快的加熱速 度和較高的線溫,，有利于奧氏體的快速形核并增 加形核率，這樣可以得到較小的奧氏體晶粒,，有 利于鋼絲獲得較高的力學(xué)性能,，并提高熱處理爐 的 Dv 值。

1

- 2

Re=Ri+k1d                           （ 1）

Rm=K2Re                        （ 2）

鋼絲的收線速度決定了其在爐,、在鉛時(shí)間,。 由經(jīng)驗(yàn)公式（3）可知，鋼絲的在爐時(shí)間與鋼絲直  徑有關(guān),，加熱時(shí)間過短,，組織轉(zhuǎn)變不完全，也不  均勻,，加熱時(shí)間過長(zhǎng),，不僅造成能源上的浪費(fèi)， 而且往往造成鋼絲的晶粒長(zhǎng)大,，降低鋼絲的力  學(xué)性能 ,。較快的車速可以提高生產(chǎn)效率，降低  成本,，但是鋼絲奧氏體化必須充分,，不能有未溶  解的鐵素體或滲碳體的存在 。車速的確定一般  以實(shí)踐的方法獲得,，它比按照一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)  算的速度更具合理性,、實(shí)用性，即通過檢驗(yàn)鋼絲  油淬火-回火后抗拉強(qiáng)度 ,、顯微組織,，確定生產(chǎn)  某一材質(zhì)、直徑鋼絲的最快速度［4 ］,，然后依次確  定車速的范圍 ,。在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，收線線速  度的適量降低會(huì)提高彈簧鋼絲油淬火-回火后  的抗拉強(qiáng)度,。

T=K3D                           （ 3） 其中,，公式（ 1）中的 Re 為鋼絲的屈服強(qiáng)度,，Ri 為鋼  絲的比例強(qiáng)度,，k1 為材料常數(shù)，d 為晶粒平均截  距,；公式（2）中的 Rm  為彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度,，K2

為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)油淬火-回火鋼絲一般取 0. 80   0. 95；公式（3）中的 T 為鋼絲的在爐時(shí)間,，D 為鋼 絲直徑,，K3 為加熱系數(shù)，與鋼絲的化學(xué)成分,、組織 狀態(tài)和拉拔量有關(guān),，一般取 0. 65~0. 85。

2. 5   油淬火冷卻系統(tǒng)

彈簧鋼絲的油淬火循環(huán)冷卻系統(tǒng)的主要作 用是對(duì)奧氏體化的鋼絲進(jìn)行淬火處理,，以期得到 細(xì)小的針狀馬氏體顯微組織,，確保鋼絲淬透 。因 油淬火鋼絲的直徑一般比較細(xì)小,，所以淬火過程 在很短時(shí)間內(nèi)即可完成 ,。然而，油溫的高低會(huì)對(duì)