鈮微合金化2000MPa級(jí)高強(qiáng)度彈簧鋼研究.pdf

1、近年來，高速鐵路得到了快速發(fā)展，設(shè)計(jì)時(shí)速已高達(dá)400Km/h。為了保證列車安全、舒適運(yùn)行，設(shè)計(jì)者對(duì)彈簧材料提出了更高的性能要求。因此，高強(qiáng)度彈簧鋼材料的研究越來越得到重視。研究證實(shí)，采用鈮微合金化結(jié)合控制軋制技術(shù)可有效提高鋼的強(qiáng)度及韌性，然而，當(dāng)前關(guān)于鈮微合金化技術(shù)的研究主要集中在低碳鋼領(lǐng)域，對(duì)含鈮中高碳鋼研究的公開報(bào)道還很少，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)缺少必要的理論基礎(chǔ)。
　　本文以現(xiàn)有的60Si2CrVAT彈簧鋼為基礎(chǔ)研究對(duì)象，采用單雙道次

2、壓縮實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)、透射電鏡觀察、材料性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)方法研究了Nb元素對(duì)60Si2CrVAT彈簧鋼相變特征、脫碳敏感性、組織與性能、再結(jié)晶行為、碳化物析出動(dòng)力學(xué)、晶粒粗化溫度等材料特性的影響。另外，本文還采用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究了含鈮高強(qiáng)度彈簧鋼鑄態(tài)組織中鈮偏聚行為及碳化物溶解行為。
　　結(jié)果表明，添加微量Nb元素在一定程度上改變了60Si2CrVAT彈簧鋼的相變特征。與不含Nb彈簧鋼相比，含Nb鋼CCT

3、曲線向下方移動(dòng)；在冷卻速率相同的條件下，鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變溫度被推遲約15℃；Nb元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變影響不大；Nb元素顯著降低珠光體片層間距；在冷卻速度為1℃/s時(shí)，珠光體片層間距由209nm被細(xì)化至198nm；當(dāng)冷卻速度為2℃/s時(shí)，珠光體片層間距由194nm細(xì)化至179nm；Nb元素改變了珠光體形貌，使?jié)B碳體片界面呈現(xiàn)彎曲，斷續(xù)狀態(tài)。Nb元素對(duì)60Si2CrVAT鋼組織與性能有顯著影響，含Nb鋼具有精細(xì)的熱軋態(tài)組織及淬火回火組織，最終

4、表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度及塑性，其中，含Nb彈簧鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊功分別達(dá)到2024MPa、1815 MPa、12％、38%、33J，與不含Nb鋼相比較，分別提高了約100MPa、90 MPa、2.5%、7.5%、18J。實(shí)驗(yàn)鋼的疲勞極限σ-1為775MPa。與其它高強(qiáng)度彈簧鋼相比，含 Nb鋼產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度與韌性，疲勞極限與D701、ND120S相近。另外，實(shí)驗(yàn)鋼在高應(yīng)力條件下，疲勞斷裂首先起源于表面缺陷；在低應(yīng)

5、力條件下，疲勞斷裂起源于近表面存在的非金屬夾雜物。
　　研究結(jié)果還表明，Nb元素對(duì)提高60Si2CrVAT鋼的抗表面脫碳能力有利。在相同加熱條件下，含Nb鋼的脫碳層深度要小于不含Nb鋼。主要原因?yàn)镹b降低了碳原子在奧氏體中活度和擴(kuò)散系數(shù)，增大了碳原子擴(kuò)散激活能，進(jìn)而提高了抗表面脫碳能力。實(shí)驗(yàn)鋼的脫碳層深度隨加熱溫度、加熱時(shí)間的提高而逐漸增加。另外，實(shí)驗(yàn)鋼的脫碳敏感性較強(qiáng)的溫度區(qū)間為950~1000℃。Nb元素對(duì)60Si2CrVAT

6、彈簧鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶行為有明顯的抑制作用。采用峰值應(yīng)力法計(jì)算了含Nb鋼與不含Nb鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能分別為354.27KJ/mol、319.56KJ/mol。含Nb鋼的激活能大于不含Nb鋼34.71 KJ/mol。鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的PTT曲線是一種C型曲線，鼻子端溫度為900℃。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)鋼碳化物析出開始時(shí)間要慢于低碳鋼，主要是由于實(shí)驗(yàn)鋼含有較高的C含量及其它合金元素，最終導(dǎo)致Nb活度被降低。透射電鏡觀察證實(shí)應(yīng)

7、力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。另外，在當(dāng)前變形溫度范圍內(nèi)，析出物均為含C、Nb、V及Ti的復(fù)合碳化物，其中，碳化物主體為（Nb、V）C，還含有微量TiC。在900℃以下，析出物呈彌散分布，在950℃以上，析出物呈帶狀分布在位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷位置。
　　此外，結(jié)果還表明，鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的奧氏體晶粒粗化溫度為1050℃，添加Nb使鋼的晶粒粗化溫度提高約50℃。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，含Nb彈簧鋼中的C、Nb含量對(duì)Nb偏析有著重要影響，

8、Nb偏析程度隨著C、Nb含量的增加而不斷提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果一致，鑄態(tài)組織中的含Nb析出物呈現(xiàn)粗大條狀及不規(guī)則形狀，寬度大約1~3μm，長(zhǎng)度大約2~40μm；基體中存在兩個(gè)明顯的析出物聚集區(qū)，一個(gè)聚集區(qū)在晶界位置，經(jīng)分析主要為Nb、V、Ti的碳氮化物；另一個(gè)聚集區(qū)隨機(jī)分布在基體中，經(jīng)分析，該區(qū)域的析出物可能是Fe2Nb共晶體。加熱實(shí)驗(yàn)表明，含Nb碳化物隨加熱溫度升高而逐漸溶解，但在1250℃時(shí)仍不能完全溶解。
　　根據(jù)研

9、究結(jié)果，本文提出了一種鈮微合金化高強(qiáng)度彈簧鋼的工業(yè)生產(chǎn)方案。經(jīng)實(shí)踐，工業(yè)生產(chǎn)方案合理、可行，產(chǎn)品具有精細(xì)組織及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其中抗拉強(qiáng)度平均值為1996.9MPa；屈服強(qiáng)度平均值為1791.7MPa；延伸率為9.9%；斷面收縮率為34.9%；將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室鋼的性能相比，工業(yè)產(chǎn)品性能要略低于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，其中，抗拉強(qiáng)度低約30 MPa；屈服強(qiáng)度低20MPa；延伸率低2%；斷面收縮率低3%。結(jié)合拉伸斷口分析、偏析斑形貌、顯微硬度分析、元