65Mn钢弹垫贝氏体等温淬火工艺

王意忠，张 纳，张先鸣

(1.广东史特牢紧扣系统有限公司，广东 阳江 529500； 2.威卢克斯(中国)有限公司，河北 廊坊 065000)

常用的弹垫材料是碳素结构钢或低合金弹簧钢，含碳量一般在0.50%～0.75%范围，主要采用的钢材有65、70、65Mn和60Si2Mn等。

弹垫是利用其弹性变形来吸收和释放外力，要求成品具有较高的弹性极限、较高的屈强比、高的疲劳强度和足够的塑韧性[1]。如GB/T 1972(DIN2093)碟形弹簧垫圈和DIN9250防松垫圈，技术要求硬度为40～52 HRC，钢材牌号为65Mn钢，采用常规热处理工艺为淬火+中温回火，淬火温度控制在Ac3+(30～50 ℃)，一般选择800～820 ℃，回火温度控制在410～430 ℃。淬火+中温回火工艺，常常可以显著提高材料的强度，但却损失了塑性、韧性。然而，0.5～1.6 mm厚的弹垫在生产过程中更易产生各种缺陷，导致弹垫质量不稳定，甚至成批报废。

1 弹垫常见缺陷

1.1 硬度偏差

弹垫技术要求硬度控制在42～47 HRC，但在生产实践中最常见的弹垫缺陷就是硬度偏差、硬度不均匀、不足或过高。

1.2 氧化与脱碳

氧化与脱碳是热处理加热过程中的缺陷，也是弹垫生产中常见质量问题之一。弹垫脱碳不仅使表面硬度降低，且会大大降低弹垫的疲劳强度。

1.3 热处理裂纹

弹垫的热处理裂纹并不常见，在金相显微镜下观察到的裂纹形状如图1所示，裂纹呈横向沿晶断裂特征。

图1 裂纹形状Fig.1 Crack shape

1.4 脆断

脆断是弹垫常见缺陷之一，大致可以分为热处理(回火脆性)脆断和电镀锌后产生的氢脆。在实际生产中，弹垫的强度和塑韧性通常是相互矛盾的。淬火+中温回火合理控制加热温度和保温时间，且用连续式网带加热炉较好地解决了同一批次硬度不均匀、氧化或脱碳等问题，但仍不能满足市场和客户对产品质量日益增长的要求。

2贝氏体等温淬火工艺

在中碳钢和低合金钢中，热处理后获得贝氏体/马氏体复相组织会明显改善钢的强韧性；与马氏体组织相比，含有适量贝氏体/马氏体复相组织不仅能够改善钢的韧性，还能提高其强度[2]。对弹垫类产品，减少在生产过程中出现质量问题，防止早期失效或氢致延迟断裂，采用贝氏体等温淬火热处理技术[3]，在保证强韧性的同时，还可提高弹性、耐磨性和抗疲劳、抗氢脆性能。为此，对弹垫开展贝氏体等温淬火和相关技术研究很有必要。

3实验材料及方法

实验材料选用直径φ12 mm 的65Mn钢弹垫，其化学成分见表1。锰钢的淬透性好，在油中可以淬透，抗拉强度和抗弯强度有所增加，而塑性、韧性有所下降。但表面脱碳倾向比硅钢小，因而经热处理后的综合力学性能要优于普通高碳钢。

65Mn钢中Mn、Si为脆化元素，具有过热敏感性和回火脆性。因此，淬火后其回火温度范围应避开第一类回火脆性区间。本文研究等温淬火对弹垫性能和组织的影响，其实验方案见表2。并与常规淬火后产品性能和组织进行对比分析。

表1 65Mn钢的化学成分(质量分数，%)

表2 65Mn钢弹垫热处理工艺方案

采用DMI3000M徕卡倒置式金相显微镜观察热处理后65Mn钢弹垫的显微组织，腐蚀剂选用4%硝酸酒精溶液。脱碳层表面形貌观察用100倍放大倍数，显微组织用500倍。

65Mn弹垫厚度一般在0.5～1.6 mm左右，采用HXD-1000TMC/LCD自动转塔显微硬度计对试样进行硬度检测，洛氏硬度换算成维氏硬度，弹垫的硬度控制在430～460 HV0.2，每件试样测3～5个点，求取三个试样的平均值作为试验最终结果。

弹垫的脆性断裂检测在平口钳上进行，将弹垫夹于平口钳和扳手之间，平口钳与扳手之间的距离等于弹垫外径的1/2，以一定力和速度将弹垫顺时针缓慢扭90°不得断裂。

4 实验结果与分析

4.1 保温时间对贝氏体含量的影响

采用金相显微镜观察等温淬火贝氏体含量，在硝盐槽内保温80、95、120 min，观察贝氏体含量分别为82.5%、86%、90%。当保温时间较短时(保温时间80～95 min)，贝氏体的转变量较少；随着在硝盐槽内保温时间的延长(保温95～120 min)，贝氏体转变量明显增加，但在转变结束时间的后期，贝氏体转变量的增长速度会随着保温时间的延长而逐渐变缓。

4.2 维氏硬度检测

不同的加热温度对65Mn钢弹垫等温淬火维氏硬度影响见表3。可以看出，等温淬火与常规普通油淬相比，硬度和强度有所降低，但是弹性、韧性指标提高明显。等温淬火贝氏体对强韧性的影响主要归结：一是贝氏体转变初期存在少量贝氏体时，能有效分割奥氏体晶粒，起到细化晶粒作用，从而获得均匀细小的马氏体，有利于力学性能的提升[4]；二是在贝氏体的周围存在马氏体的挤压作用，有利于强度、硬度的提高，而当贝氏体的含量超过一定量时，冲击韧性将提高明显。弹垫在疲劳试验机上同等载荷轴向的加载试验，弹性疲劳寿命可从5万多次，提高至200万次，甚至更高。

表3 不同热处理工艺下65Mn钢弹垫维氏硬度

4.3 金相组织

贝氏体组织的组成相对较为复杂，它以贝氏体、铁素体为基体，其组织上可能分布着碳化物、残余奥氏体、马氏体等相。合金钢中贝氏体组织还会存在残余奥氏体和M/A岛，并涉及到贝氏体、铁素体的变化、马氏体的转变、贝氏体碳化物的变化以及残余奥氏体的转变等问题，因而淬火贝氏体组织往往不进行回火处理。文献[5]研究发现，等温淬火后合金钢主要为“下贝氏体+少量马氏体+残余奥氏体以及铁素体的混合物”组成的复相组织。本实验采用830 ℃油淬和430±10 ℃回火工艺，获得马氏体位向的回火托氏体+未溶铁素体组织，见图2(a)。采用贝氏体等温淬火工艺，830 ℃加热→330+5 ℃等温80 min，获得粗大下贝氏体+马氏体、残余奥氏体以及铁素体的复相组织，见图2(b)；在830 ℃加热→320+5 ℃等温90 min，获得较粗大下贝氏体+少量马氏体、残余奥氏体以及铁素体复相组织，见图2(c)；在820 ℃加热→320+5 ℃等温95 min，获得较细小下贝氏体+少量马氏体、残余奥氏体以及铁素体的复相组织，见图2(d)；在810 ℃加热→320+5 ℃等温120 min，获得细小下贝氏体+适量马氏体、残余奥氏体以及铁素体的复相组织，见图2(e)。

(a)1#工艺；(b)2#工艺；(c)3#工艺；(d)4#工艺；(e)5#工艺图2 不同热处理工艺下65Mn钢弹垫的金相组织(a) 1# process; (b) 2# process; (c) 3# process; (d) 4# process; (e) 5# processFig.2 Microstructure of 65Mn steel spring pad under different heat treatment processes

5 结论

1)等温加热温度对65Mn钢弹垫的金相组织和硬度有直接影响。随着等温时间的延长，贝氏体等温淬火组织中残余奥氏体以及铁素体含量会减少，弹性疲劳寿命提高明显。

2)过高、过低的等温温度都不利于贝氏体组织的形成，因此需要选择合理的等温温度，原则上以控制获得约92%下贝氏体，且不低于320 ℃等温温度为宜。

3)65Mn钢弹垫采用810 ℃加热→320+5 ℃等温120 min的贝氏体等温淬火工艺，可获得细小下贝氏体+适量马氏体、残余奥氏体以及铁素体的复相组织，能满足用户的使用要求。因此将该工艺推广至其它紧固件产品具有一定的参考价值。