球化退火工艺对50CrVA弹簧钢显微组织的影响医疗保健器具
郭玉松;赵红;刘春菱
【摘 要】本文以50CrVA弹簧钢为研究对象,研究其一段式球化退火工艺和两段式球化退火工艺对显微组织的影响.结果显示:二段式退火得到较好的球化组织,工艺参数为780℃保温100 min+720℃保温200 min,再炉冷至600℃,最后空冷至室温.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】左滚右滚2017(038)004
【总页数】5页(P20-24)
【关键词】50CrVA弹簧钢;球化退火工艺;显微组织
【作 者】郭玉松;赵红;刘春菱
【作者单位】江西省科学院应用物理研究所,江西南昌330029;江西五十铃发动机有限公司,江西南昌330200;常州市新城光大热处理有限公司,江苏常州 213164
【正文语种】中 文
【中图分类】TG156.21
·工艺研究·
50CrVA钢具有较高的弹性极限、强度和屈强比及良好的耐疲劳特性，在汽车行业有较广泛的应用[1-3]。50CrVA弹簧钢通常采用控制轧制的方法生产，在轧制过程中，影响弹簧钢性能的主要因素是轧制温度和均热时间。50CrVA的最终热处理是淬火+回火，但是轧制后材料中存在大量的形变应力，直接淬火容易导致开裂。因此，在淬火前需要对50CrVA弹簧钢进行预球化退火处理，消除轧制过程中产生的应力，并为最终的淬火作组织准备[4]。球化退火工艺的选择是50CrVA钢生产过程中关键环节，直接影响淬火、回火后50CrVA钢的性能[5]。本文针对一种50CrVA弹簧钢制备的汽车离合器摩擦片的球化退火工艺进行了研究，出其最佳的球化退火工艺参数，为最终热处理做准备，并对其实际生产给出合理建议。
本文对50CrVA弹簧钢的球化退火工艺进行了研究，通过改变球化退火工艺参数，来寻求50CrVA弹簧钢最佳的球化退火方式。实验材料为50CrVA热轧板，其化学成分见表1。
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一段式球化退火的工艺曲线示意图如图1(a)所示。在一段式球化退火过程中，当电阻炉加热至740、780、820 ℃，将试样放入炉中，分别保温100 min后，随炉冷却至600 ℃，再取出空冷至室温。图1(b)为两段式球化退火工艺示意图，当电阻炉加热至780 ℃后，将试样放入炉中，780 ℃保温100 min，随炉冷至720 ℃，再分别保温100、200、300和500 min后，炉冷至600 ℃，最后空冷至室温。工艺参数如表2所示。
硬度测试采用HMV-1T型维氏硬度计。借助SEM(FEI Quanta 650)扫描电子显微镜对一段及两段球化退火后的试样进行微观组织观察。按国标GB/T 228.1—2010加工试样，在WEW100万能试验机上测试试样的屈服强度(Rp0.2)及抗拉强度(Rm)。
2.1 球化退火温度对显微组织的影响
数据监测
对热轧态50CrVA弹簧钢经740、780和820 ℃等温退火100 min，观察其相应的微观组织，如图2所示。从图2可以看出，热轧态原始试样呈现明显的带状组织，主要由片状珠光体和少量的铁素体组成，同时还观察到了球状碳化物颗粒的存在。740 ℃均热保温后，原始组织中大量的片状珠光体开始溶解转变为球状碳化物，此时组织主要由铁素体、片状珠光体和部分球状碳化物组成，球状碳化物所占比例较小，仍有较多的片状珠光体存在。在均热 玻璃毛细管温度为780 ℃时，球状碳化物所占比例增大，片状珠光体所占比例较小，组织主要由铁素体、珠光体和球状碳化物组成。随着球化温度从780 ℃升高到820 ℃时，片状珠光体含量上升明显，且片状长度增长，而球状碳化物比例则显著降低，且球状碳化物颗粒尺寸减小。
图3给出了50CrVA弹簧钢试样在相应保温条件下退火后的力学性能：伴随退火温度的上升，试样的力学性能(Rp0.2、Rm、HV)存在先降低再上升的趋势，当退火温度为780 ℃时，试样的力学性能处于最低。
2.2 球化退火方式对显微组织的影响
对热轧态50CrVA弹簧钢经780 ℃等温退火100 min后在720 ℃分别进行100、200、300、500 min的二次退火，观察相应的微观组织，如图4所示。二次退火时间100 min时，组织主要由铁素体、球状碳化物和部分片状珠光体组成，但相较于一段式球化退火的试样，片状珠光体含量有所减少，球状碳化物比例有所增加。当二次退火时间增加到200 min后，试样的组织中片状珠光体含量较低，主要为铁素体+球状碳化物；二次退火时间的延长，改变了球状碳化物在基体中的分布，使其愈加均匀、弥散。当二次退火时间达到500 min以后，
试样的组织基本由铁素体及球状碳化物组成，片层状珠光体的含量可以忽略。
远程定向强声扩音系统图5给出了50CrVA弹簧钢试样在相应二次退火保温时间条件下的力学性能：随退火时间的增加，试样的力学性能(Rp0.2、Rm、HV)缓慢降低，当二次退火保温时间由100 min增加到200 min时，力学性能存在明显降低趋势，当二次退火保温时间大于200 min，力学性能呈基本稳定状态。
2.3 50CrVA弹簧钢的球化退火工艺
50CrVA弹簧钢的球化退火工艺是将其加热到Ac1以上稍高于珠光体转变的温度进行短时均热保温，由于片层状珠光体的表面能较高，致使其逐渐断裂、溶解，转变成球状碳化物；另外奥氏体化程度的不均一性，产生的未溶碳化物作为球化核心非自发形核，促进球状碳化物的形核长大，最终使材料获得较好的球状组织[6]。
对于一段式退火，在保温时间为100 min不变的情况下，当球化退火温度为740 ℃时，所得组织含有较多片状珠光体和少量粒状碳化物。而当球化温度为780 ℃时，所得组织含有较多粒状碳化物，仍存在少量片状珠光体。这是由于退火温度较低时，组织中奥氏体化程度
偏低，片状珠光体未能发生溶解及断裂，此时组织中有部分或较多的片状碳化物，降低了球化均匀度。当退火温度由780 ℃升高到820 ℃时，所得组织含有片状珠光体开始增多，球状碳化物则相应降低，这是由于：过高的均热温度，使奥氏体化程度较高，此时奥氏体中未溶碳化物数量急剧减少、碳浓度趋于平衡、球状碳化物的形核核心也相应减少；共析转变中碳化物以片状析出，曲率半径较大，界面能低，不易溶解，处于较稳定的状态，在随后的冷却过程中不易球化长大，从而使得退火后材料容易获得片状珠光体。因此在保温时间为100 min的情况下，一段式工艺最佳球化退火温度为780℃左右。
对于两段式球化退火工艺，球状碳化物所占比例相较于一段式退火明显增多。但是，如果二次退火时间过短，试样组织中的片状珠光体不能充分溶解、断裂，从而导致组织中片层状珠光体含量较高；增加二次退火时间，实验钢组织中的片状珠光体趋于断裂、溶解形成形核核心，进而球化形成球状碳化物。此外，二次退火保温时间的延长，能够改善球状碳化物的分布，使其更加均匀、弥散，实验钢的力学性能也变得愈加优良。但如果二次退火阶段保温时间过长，虽然有助于球状碳化物的形成，但却极大降低了50CrVA热轧钢板的生产效率，致使制造成本升高。因此，综合考虑，二次退火时间最好不要超过200 min。
由球化退火方式不同的试样显微组织及力学性能可知，两段式退火的微观组织及性能明显优于一段式退火，因此本实验的最佳退火工艺为780 ℃保温100 min+720 ℃保温200 min，再炉冷至600 ℃，最后空冷至室温。
通过研究球化退火温度及球化退火方式对50CrVA弹簧钢显微组织及力学性能的影响，可以得出：50CrVA弹簧钢在一段式球化退火工艺条件下，球化退火时间为100 min时，最佳球化退火温度在780 ℃左右；两段式退火试样的组织及性能明显优于一段式；因此本实验的最佳退火工艺为780 ℃保温100 min+720 ℃保温200 min，再炉冷至600 ℃，最后空冷至室温。
热处理小知识
3)炉衬。炉衬是炉膛和炉壳间的保温层，使炉膛内的高温尽可能不外泄。炉温越高对炉衬的要求越高，也是影响炉子热效率的关键部位。以前用耐火砖、轻质砖、蛭石粉、石棉等耐热材料，现在改用质轻，保温优良的纤维材料。一般保温层材料要复合使用，分几层，壳体钢板内用硅酸铝纤维，接着是轻质浇注料或轻质保温砖，内层的工作炉衬用重质浇注料。
陶瓷纤维是纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，在许多行业中得到广泛应用。比传统耐火材料节能达10%～30%。普通陶瓷纤维又称硅酸铝纤维，主要成分之一是氧化铝，它是瓷器的主要成分，所以叫做陶瓷纤维。再添加氧化锆(可耐1425 ℃)或氧化铬可以进一步提高陶瓷纤维的使用温度。陶瓷纤维有棉、毯、毡、板、布、带、绳等形态，还有模块、折叠块、管壳、等异型构件。辅助材料有各种304、310锚固件、岩棉、石棉、玻璃纤维、矿渣棉等。硅酸铝纤维是由高岭土(A12O3)或高品位氧化铝和石英砂的混合物做原料，经熔炼、喷吹、水洗加入粘接剂压制并烘干制成。纤维直径 2～ 10 μm，长度10～100 μm，真比重2.56～3.13，容重90～200 kg/m3，常用160 kg/m3。常见普通硅酸铝纤维制品长期工作温度均不超过1000 ℃。长丝超轻硅酸铝耐火纤维是精选优质焦宝石经2000 ℃以上电炉熔化，喷吹成纤维，加入特制的粘结剂、防油剂、憎水剂经加热固化而成。丝长为普通硅酸铝纤维的5～6倍，同等密度下导热率可降低10%～30%。具有性能稳定，纤维长、抗拉强度大，抗震性能强、渣球少、容重轻、导热系数低、隔热性能好，化学稳定性强，绝缘性能好，吸音性优，抗急冷急热性能好，得到广泛应用。缺点是既不耐磨又不耐碰撞，不能抵抗高速气流的冲刷，不能抵抗熔渣的侵蚀。
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