Page 33 - 理化检验-物理分册2021年第十期
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龚志翔, 等: 加热过程中 H 2O ( g ) 含量对55SiCr 弹簧钢表面氧化层及脱碳行为的影响


                 弹簧钢用于制造各类弹簧及其他弹性元件, 多                         件下 保 温, 共 两 组 保 温 时 间, 分 别 为 30 min 和


            在交变载荷及高应力等恶劣条件下工作。因此, 弹                           60min 。氧化试验水汽含量为 12.17g m , 对比

                                                                                                     -3
                                                                                                  ·

            簧钢需要有较好的综合性能及表面质量。脱碳是弹                             试验为干空气条件下保温, 保温时间90min 。
            簧钢常见的表面缺陷, 脱碳层由于碳被氧化, 较基体
            最为明显的区别是碳含量降低, 渗碳体减少而铁素
            体增多, 因而导致表面硬度下降。另外, 弹簧钢在淬
            火后容易于表面脱碳区域产生宏观裂纹, 导致材料
            失效   [ 4 ] 。由于脱碳行为对材料表面组织性能的恶劣
            影响, 生产加工中防止材料脱碳对提高弹簧钢的品
            质非常重要, 目前在实际生产中轧前加热炉内, 主要
            是通过优化加热曲线、 控制炉内残氧量或者使用隔

            绝涂层来降低钢坯加热阶段的表面脱碳程度。
                 以往对于表面脱碳影响的研究大多集中于加热                                         图1 TG试验示意图

            温度、 保温时间以及气氛条件对脱碳层厚度的影                                      Fi g  1 Schematicdia g ramoftheTGtest
                                                                   将完成 TG 试验的试样沿截面切开, 热镶嵌后
            响 [ 5-13 ] 。但脱碳往往伴随着氧化过程的进行, 加热温
            度、 气氛条件的改变不仅对脱碳行为带来影响, 也会                          用碳化硅纸研磨至 2000 目, 然后用金刚石膏进行
            给氧化层形态、 氧化层分布等带来改变                 [ 14-17 ] 。因此,  抛光。然后用 4% ( 体积分数) 的硝酸酒精溶液浸
            对弹簧钢表面脱碳行为的探讨离不开对氧化层的研                             蚀, 再用 OLS4100型激光多点共聚焦显微镜观察脱

            究。目前关于弹簧钢在混合气氛中氧化层与脱碳行                             碳层组织形貌, 并按照 GB / T224-2008 《 钢的脱碳
            为的研究较少, 因此笔者通过对不同加热温度及气氛                           层深度测定法》 对脱碳层进行评定。寻找最深的、 较
            条件下弹簧钢表面氧化脱碳行为的研究, 重点分析了                           为均匀的脱碳区显微视场, 避开角部及表面缺陷, 随
                                                               机选取5个位置对铁素体脱碳层进行测量, 取其平
            弹簧钢两相区附近氧化层对表面脱碳行为的影响。
                                                               均值作为铁素体脱碳层深度。用 OLS4100 型激光
            1 试验材料与方法                                          多点共聚焦显微镜观察氧化层组织形貌, 并测量氧

                 试验材料取自 55SiCr弹簧钢( 中碳弹簧钢) 的                    化层 厚 度。 用 QUANTAFEG450 型 扫 描 电 镜

            连铸坯, 铸坯尺寸为 120mm×120mm , 主要化学                      ( SEM ) 观察氧化层形貌及氧化层分布情况。


            成分( 质量分数, % ) 为: w C0.51~0.59 , w Si1.30~

                                                              2 试验结果与分析


            1.60 , w Mn0.60~0.80 , w Cr0.60~0.80 , w Al0.03 , w Ti
                          。试验前先将弹簧钢表面的氧化脱                     2.1 TG-DSC分析
            0.005 , 余量 w Fe
            碳层削去, 以保证钢坯的化学成分从表层至中心均                                图2为55SiCr 弹簧钢在3种气氛条件下的 TG-
            匀一致, 然后将钢坯在试样切割机上切成大小为                            DSC曲线。从 DSC 曲线可以看出, 3种气氛条件在

                                                              500~1150℃内各有不同的主峰。 3条 DSC曲线在
            ϕ 5mm×0.3mm 的试样, 在砂纸上打磨至 1000
            目并用超声波清洗后置于热重微量天平内进行热重                            782.5℃均有一个吸热峰, 结合 TG 曲线进行分析, 在

            ( TG ) 试验。原始试样的显微组织主要为珠光体, 根                      500~875℃质量变化较小, 且吸热峰对应温度相同,

            据 GB / T6394-2017 《 金属平均晶粒度测定方法》                   吸热峰主要由相变所致。由 DSC 曲线还可以看出,

            测定得到珠光体团的平均晶粒半径为 23.55 μ m 。                       水汽条件下存在放热峰, 而干空气条件下无明显放热
            借助差热热重分析仪( TG / DSC ), 将试样于空气和                     峰。结合 TG曲线和DSC曲线进行分析可知, 尽管气

            混合气氛条件下加热至试验温度并保温一定时间,                             氛条件不同, 但在500~800℃时, 55SiCr 弹簧钢的质
            保温结束后空冷至室温, 试验示意图如图 1 所示。                          量变化较小, 吸热峰由铁素体相变为奥氏体所致; 当

            其中, 混合气氛根据实际生产中加热炉内气氛所设                            温度超过900℃后, 水汽气氛条件下55SiCr弹簧钢
                     、    、 及 H 2O () 按一定比例( 体积分               的质量明显增加, 放热峰主要由氧化所致。由图2中
            定, 将 N 2 CO 2 O 2        g
                                                              TG曲线还可以看出, 升温过程可以分为两个部分, 在
            数) 混合得到:( 15%~20% ) CO 2+ ( 2%~4% ) O 2

                       ( 余量)。该脱碳试验设计的水汽含量                     875℃之前, 氧化引起的质量变化增加较小; 当温度
            +H 2O+N 2

                                                               超过875℃ , 氧化引起的质量变化快速增加, 且水汽
            为5.77g m 和12.09g m , 对比试验为空气条
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