加热过程中弹簧钢55SiCr表面脱碳研究

加热过程中弹簧钢55SiCr表面脱碳研究

陈建洲

宝武杰富意特殊钢有限公司  广东省  韶关市  512000

摘要：在试验室内,经过研究了温度、保温时间和加热温度对弹簧钢脱碳层材料的作用后,用55SiCr的温度测量进行了脱碳反应。试验结果表明,在700℃-1250℃的温度区域内,弹簧钢所有脱碳层厚度都因为1200℃温度的增加而前增大后减小,从而所有脱碳层材料均得到了价值。在1250℃,由于热氧化速率远大于了脱碳速率。所以,弹簧钢整体脱碳层的厚度随着预热水温的提高而扩大,由于气体中超临界二氧化碳含量的增加、周围空气浓度的提高,以及水的浓度分别增大。在室温为950℃时,空气中的氧气浓度约为百分之一,在升温持续时间为35min内,才能避免整体脱碳层的产生。

关键字：弹簧钢、加热、表面脱碳、研究

一、弹簧钢55sicr

弹簧钢是重要机械的基本材质,主要使用在航空航天、工程车辆、轨道交通汽车等众多领域。由于簧片主要是运用它的弹性形状来吸引和释放外力, 所以,弹簧钢应该具备较高的强度极限、较良好的抗弹性减量、较好的屈服比;并避免在交变应力下疲劳和破坏。弹簧钢还需要带有较大的疲劳强度以及适当的塑性和强度。另外,那些在高热和腐蚀性环境下工作的弹簧也需要同时带有良好的耐热性和抗腐蚀性。

55 SiCr是一种用于汽车悬挂弹簧的高级钢。悬吊弹簧由于在汽车行驶过程中产生的不断挤压效应,故而需要产生热缓冲和降噪的效果,同时,对其稳定性也有相应的要求。在弹簧钢热加工过程中的一项主要现象是,在弹簧钢高温表面脱碳过程中,有较大的机率损坏簧片的表面疲劳效果,特别是在弹簧钢的表层铁素体浓度不高时。完全脱碳后,热阻尼弹簧的表面疲劳极限会减少到百分之五十。虽然目前对弹簧钢表面脱碳的研究主要集中在限制加热温度和加热的持续时间这二种因素上。但对于在不同的工作温度下,弹簧钢表面脱碳作用研究则采用了在各种类型的实际工程条件下,,在实验室中对55SiCr的弹簧钢表面所进行的模拟和试验结果表明,为抑制了55SiCr弹簧钢在高升温环境中的表面脱碳问题,进行了理论依据。

二、试验方法

化验工作在实验室环境下完成,主要材料为市售普通的55SiCr弹簧钢表面平滑的试模。探讨了各种加热频率、加热温度和加温方法对试样的氧化脱碳过程的作用,并对工艺参数进行了详细说明。表1

热处理后的金属试样,用百分之四的硝镪水或酒精溶剂进行镶嵌、研磨、抛光和腐蚀。用多功能金相显微镜观测模外表层的氧化和脱碳过程,对脱碳程度更深的地方可以拍得比较均匀的金相图片。脱碳层深按照GB/T 224-2008《钢脱碳层深度的测定》计算。使用Image-Pro Plus 6.0软件对金相照片进行称重后计算,对相同样品的多个照片脱碳,再根据照相层深计算后,以平均值为脱碳层深。

实验过程:首先,把二个热处理器的炉温分别增加到了700℃和1200℃;把装满样品的坩埚放入700℃的炉中10分钟;入炉1020°C中10分钟。加热在凝固完成前约3分钟,从另一炉高温直升至1200℃,使试样超过热凝固时间后进行第三区保温。保温时间终了前约3分钟内,使锅炉的温度上升1250℃,使样品可以在保温时间后进行均热保温试验。当坩埚在二蓄热燃烧器中间移动时,尽量降低温度的下降,如果超过了保温时限,拔出坩埚,在压缩空气中冷至一定温度。

计算了一个试样的氧化皮强度。样品中一和二的第二、三和四区的保温方式也大致相同,仅样品1不同。在第一区内加热,样品中一在第一区内加热,而二则在第二区内进行了热处理,但没有加热;另外,4和五试样的区别也是相同的。通过对这二个试样的比较研究可发现,不加热试验的氧化皮厚度比加热的要厚，说明55SiCr弹簧钢在低温（700℃）下是弱氧化，差异是由于差异造成的。第二、第三和第四区域的保持时间，以及两个样品中氧化皮的厚度相似。主要原因是金属氧化发生在较高的温度，高于1000℃时结构的氧化程度较高，因此温差不明显。这使得第一次和第四次第三次连接的保压时间实际上是一样的，氧化皮厚度的差异不明显，热风对脱碳表面和保压时间的影响更加明显。

三、实验结果

3.1 加热 温度 对 55SiCr 组织 的 影响 .

箱式电阻炉热处理技术,研究在不同情况下的热氧化脱碳的作用。试验水温依次为700、800、900、1000、1100和1200℃,保温运行时间约为2.5小时,将空气冷却至常温。在每个室温条件下2.5小时后得到新标本。700℃时，试样表面脱碳层很薄，开始出现脱碳，以全脱碳（白色亮铁素体结构）为主，几乎没有局部脱碳层。

800℃时，试样的脱碳层以全部脱碳层居多,与700℃时比较,由于全部的脱碳层变厚,因此出现了少部分脱碳层。随着受热高温的持续增加,全部脱碳层逐步消失,小部分脱碳层逐步上升。1200℃时,组织中的颗粒逐渐变粗,热力学性能也得不到保持。

55SiCr弹簧钢工作温度约在800℃左右时,由于基体大多数都为疏松构造的体心立方公里铁素体,此时碳和铁分子就很易于扩展,使得材料的氧化性损失很低,因此脱碳速度是主要原因。同时由于物质受热温度的提高,碳在物质内的弥散速率也增加,而脱碳层深度也增加,所以物质的总脱碳速率在800℃后就达到了高峰。在高温下超过800℃时,由于金属材料的基体是固体面心立方奥氏体,铁与碳更易于扩散。此时金属材料的氧化态增加,因此材料脱碳的总深度低于800℃。在高温下达到1100℃以后,钢脱碳率小于氧化率,而在1100℃以下,脱碳量和钢氧化量之间的差距超过了最大值,即在总的试样中脱碳层最深.55SiCr弹簧钢在热处理中要尽量长期停留在800℃以下,并在温度许可的条件下尽可能减小弹簧钢的热处理温度,以免发生严重脱碳。当加热温度超过1100℃时,尽管总脱碳层深度减少了,但氧化燃烧损失率更严重,且颗粒尺寸也更大,会损害成品钢材的组织结构与机械功能性能。很棒。弹簧钢不适宜热至1100℃以上,不管是在强度方面,还是在能耗和金属材料处理上。

3.2加热时间对55SiCr钢组织的影响

为了观察保温时间及对弹簧钢氧化脱碳的作用,将回火炉升至1250℃,并引入试模,分别放置于2小时、2.5小时、3小时、3.5小时和4小时,然后取出冷却在室温下。

1050℃加热55SiCr弹簧钢氧化皮厚度与保温深度之间的影响。随着保温年限的增加,氧化铁皮的厚度会逐渐增加,而保温年限愈久,55SiCr弹簧钢的氧化率也愈严重。所以,为了降低弹簧钢氧化皮率,在保温工艺中要严格控制不同形式中钢坯的温度。

3.3 加热方式对55SiCr 组织的影响.

依据钢厂的现有加热体系,以及经过对钢坯加热方法的调查,已研究出了不同加热方法对钢材抗氧化脱碳的作用。目前钢厂加热体系为:第一区加热温度650-750℃,第二区为1010-1100℃,第三区为1020-℃（上限多少？）,第四区为1050-1250℃。钢坯的所有加热部位均可正常通过,而不同部位的高温分配并不一致。所以,为了研究各高温部位的保温时效以及对55SiCr弹簧钢氧化脱碳过程的影响,人们提出了热处理技术。而为了提高测试标准化程度,各温度部位的控温周期依次为:700、1020、1030、1250℃，各测试方案平均保温时间保持150分钟不变。

四、结论

1)在700-1100℃左右高热时,55SiCr弹簧钢的总脱碳层深浅随着受热时温的提高而逐步加大,总脱碳层深浅在1100℃以上时就会达到最高,而1100℃为最高时温55SiCr弹簧钢的最灵敏脱碳。

2)800℃以下,由于气温的上升,全脱碳55SiCr弹簧钢的层深逐步上升,到了800℃以上时会到达峰值;当气温超过950℃时,全铁氧体层材料脱碳速度加快,深度也趋于稳定。

3)对于55SiCr弹簧钢,保温作用能力与抗氧化能力呈正反比。

4)加热器温度控制对脱碳层加深的作用,比传统保温工作时间更为突出

参考文献

[1]龚志翔,高振波,吴家明,等.加热过程中H_(2)O(g)含量对55SiCr弹簧钢表面氧化层及脱碳行为的影响[J].理化检验:物理分册,2021,57(10):6.

[2]佟倩,张玮,柳洋波,等.55SiCr弹簧钢表面脱碳的研究[J].上海金属,2013(2):5.