脱碳深度对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响

付成辉 马凤杰

（江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司，淮安223002）

脱碳深度对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响

付成辉 马凤杰

（江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司，淮安223002）

研究60Si2CrVAT弹簧钢在不同加热温度、保温时间下的脱碳行为。结果表明，脱碳层厚度随着加热温度的升高、保温时间的延长而增加。淬火温度为860℃，保温时间为40 min时，脱碳层深度为0.06 mm；保温时间延长至640min时，脱碳层深度增加到0.30 mm。脱碳层厚度加深，则疲劳寿命降低。

弹簧钢；脱碳深度；疲劳寿命

随着我国铁路车辆的提速，特别是货车向高速、重载方向的发展［1］，要求进一步延长弹簧的疲劳寿命，提高弹簧钢的静挠度及强度，以确保铁路运输的高效和安全［2］。60Si2CrVAT是根据铁道部货车提速要求设计的高性能弹簧钢，与GB/T1222-2007标准中的60Si2CrVA对比，铁道部用60Si2CrVAT弹簧钢在化学成分、力学性能以及晶粒度、非金属夹杂等检验项目上均提高了要求，具体对比结果见表1［3］。

表1 铁道部用60Si2CrVAT弹簧钢性能要求与GB/T1222-2007标准中的60Si2CrVA性能对比

疲劳损伤和疲劳断裂通常是承受交变载荷或随机变动负荷的弹簧的主要失效形式。引起弹簧疲劳失效的因素很多，主要受到载荷条件、环境、材料本身缺陷的影响。表面缺陷是影响高强度钢疲劳性能的主要因素之一［4］。根据文献［5］，弹簧钢材表面脱碳0.1 mm就会使疲劳极限明显下降，特别是弹簧钢材表面层出现铁素体，可降低疲劳极限50%，而且随着钢材表面脱碳层深度的增加，疲劳寿命下降。表面磨光材料60Si2CrVA则能够保证弹簧疲劳寿 命 达 到 100万 次 以 上［6］。 由 60Si2CrVA和60Si2CrVAT的主要技术要求可见，60Si2CrVAT更适用于提速用弹簧。本文主要研究60Si2CrVAT的脱碳深度对疲劳性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用弹簧钢60Si2CrVAT为Φ18 mm热轧圆钢，其主要化学成分列于表2。原材料经800℃退火1h后，沿垂直于试验材料的轴线方向切成厚10 mm的圆片，将端面磨平，制成金相试样。

表2 60Si2CrVAT弹簧钢化学成分（质量百分含量）%

1.2 试验方法

淬火温度分别在 860、900、950℃，保温时间为 40、80、160、320、640 min，油冷。 然后从 300号砂纸依次磨至1200号，经机械抛光后，用4%硝酸酒精腐蚀，用金相显微镜观察样品表面脱碳情况。

2 试验结果与讨论

2.1 加热温度、保温时间对脱碳层深度的影响

脱碳层由组织为铁素体的完全脱碳层与铁素体和片状珠光体混合组织过渡层组成。 脱碳深度是完全脱碳层和过渡层之和，即指最大深度。

60Si2CrVAT弹簧钢860℃淬火后为淬火马氏体组 织 。 在 860℃ 分 别 加 热 保 温 40、80、160、320、640min油冷后，其表层组织如图1所示。

图1 60Si2CrVAT弹簧钢淬火后表层组织

60Si2CrVAT在860℃加热40min时，表层已经出现了组织为铁素体的完全脱碳层，随着加热时间的延长，脱碳层厚度增加。当保温时间为40min时，脱碳层厚度约为0.06mm，时间延长到640min脱碳层厚度增加到0.30mm。这表明加热温度相同时，脱碳深度随保温时间的延长而增大。

图2则为弹簧钢60Si2CrVAT保温相同时间，脱碳深度随淬火温度变化的情况。

图2 弹簧钢60Si2CrVAT保温相同时间，脱碳深度随淬火温度的变化

60Si2CrVAT弹簧钢在900℃加热40min时脱碳层厚度约为0.16mm，而在950℃保温40 min时脱碳层厚度增加到0.20 mm，这说明保温时间相同，脱碳深度随加热温度的升高而增大。

2.2 理论依据

所谓脱碳是指弹簧钢在热加工或热处理时，钢材表面在炉内气氛作用下失去了全部或部分碳，造成钢材表面的碳含量比内部减少的现象。 发生表面脱碳是由于金属表面与炉气间存在着化学位梯度，奥氏体中的碳扩散控制着脱碳行为。

60Si2CrVAT弹簧钢含碳量为0.58%，在本试验条件下，假定碳的扩散系数不随其浓度变化，脱碳深度随加热温度和加热时间的变化可以根据Fick第二定律进行讨论。对于扩散物质的浓度随时间变化的非稳态扩散，浓度C与距离x、温度T和时间t的关系表示为：

式中：D—扩散系数；D0—扩散常数，D0=2.0×10-5m2/s；C0—初始浓度]—误差函数；Q—扩散激活能，Q=140×103J/mol［7］；R—气体常数；T—绝对温度。

由方程（2）计算可得，860℃和960℃碳的扩散系数分别为 D860=8×10-6mm2/s和 D950=2.1×10-5mm2/s，相差一个数量级，因此与860℃相比，950℃加热时脱碳严重。

2.3 脱碳层深度对疲劳性能的影响

图3为保温时间与脱碳层厚度之间的关系。随着淬火温度的升高、保温时间的延长，脱碳层的厚度逐渐加深。从图中可以看出860℃淬火时完全脱碳层的硬度为250HV，而无脱碳组织的硬度约为550 HV。950℃淬火时完全脱碳层的硬度为150 HV，无脱碳组织的硬度约为500HV。 硬度对弹簧钢的疲劳性能有着直接的影响，硬度越高，疲劳寿命就越长。距离表面为0.25mm左右时硬度基本达到了无脱碳淬、回火组织硬度。这是由于表面脱碳使表面马氏体组织碳含量降低，回火后表面硬度将明显低于心部，表面脱碳层达不到所要求的硬度及强度。 在交变应力作用下弹簧截面上的应力是沿径向从中心至表面逐渐增加的，表面所受的载荷最大，故而易产生裂纹，使弹簧过早疲劳失效。另外表面层不同部位淬火时冷却速度不同，引起应力集中，致使部件完全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区产生微裂纹。这些可见的或不可见的微裂纹成为应力集中区，并作为裂纹继续发展的起源，引起弹簧疲劳失效。

图3 不同保温时间的脱碳层深度

由图3可以看出，保温时间为 40min时，脱碳厚度最低仅为0.06 mm，已经出现完全脱碳层。

60Si2CrVAT弹簧钢是根据铁道部货车提速要求设计的，疲劳试验应符合TB/T2211-91《机车车辆圆柱螺旋弹簧疲劳试验》及运装货车［2004］342号文的要求，要求疲劳寿命在500万次以上。根据试验，Φ18mm的60Si2CrVAT弹簧钢随着保温时间的延长，脱碳层厚度加深，疲劳寿命降低。由图3可知，当保温时间延长至160 min时，脱碳层厚度约0.18 mm，疲劳寿命渐趋于集中。这说明当脱碳层达到一定厚度时，脱碳层厚度是影响疲劳寿命的主要因素，其他因素不予考虑时，疲劳寿命比较稳定但寿命较短。

3 结 语

（1）60Si2CrVAT弹簧钢脱碳深度随着加热温度的升高、保温时间的延长而加深。

（2）860℃和 960℃碳的扩散系数分别为 D860=8×10-6mm2/s和 D950=2.1×10-5mm2/s，相差一个数量级，因此与860℃相比，950℃加热时脱碳严重。

（3）表面脱碳层达不到所要求的硬度及强度，脱碳层厚度加深，疲劳寿命降低。

[1]徐德祥，尹钟大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势[J].钢铁，2004，39(1)： 67-71.

[2]李英,聂爱诚，吴小林，等.淬回火工艺对弹簧钢60Si2CrVAT力学性能的影响[J].特殊钢，2006，27(4)：61-62.

[3]张春红，黄平惠，田巧丽.60Si2CrVAT弹簧钢的生产实践[J].中国冶金，2006，16(7)： 13-15.

[4]田兴，黄威.60SiMn和5160H弹簧钢的脱碳行为[J].大连铁道学院学报，2002，23(2)：66-70.

[5]周盛波，王春祥，郑春云，等.非金属夹杂物、脱碳对弹簧疲劳失效的影响[J].一重技术，2003(3)：37-38.

[6]田中健.原材料对铁路货车弹簧疲劳性能的影响[J].机车车辆工艺，2000(5)：9-11.

[7]胡赓祥，钱苗根.金属学[M].上海：上海科学技术出版社，1983：113.

Effect of Practical Decarburized Depth on Fatigue Property of 60Si2CrVAT Spring Steel

FU Cheng-huiMA Feng-jie
(Huaigang Iron and Steel Co.Ltd.,Jiangsu Shagang Group Co.，Huaian 223002)

Decarburation of 60Si2CrVAT spring steel and its effect on fatigue property are studied at different heat treatment temperatures and holding times.The results show that practical decarburized depth is increased with the increase in holding time.When the steel is treated at 860℃ for 40 min，the decarburation depth is 0.06mm.After the holding time prolong to 640min，the decarburation depth increases to 0.30mm.Its fatigue life is reduced remarkablely as the decarburation of 60Si2CrVAT spring steel with a diameter of 18mm reaches 0.2 mm.Fatigue life of spring steel is decreased with the practical decarburized increase.

spring steel；practical decarburized depth；fatigue life

TG113

A

1673-1980（2011）06-0124-03

2011-07-21

付成辉（1970-），男，四川达州人，工程师，研究方向为冶金工程。