2017, Vol. 8引用本文 |
| 钇基稀土对51CrV4弹簧钢组织性能的影响 |  [PDF全文] |
2a. 江西理工大学，冶金与化学工程学院，江西 赣州 341000;
2b. 江西理工大学，材料科学与工程学院，江西 赣州 341000;
3. 中国水电建设集团新能源开发有限公司，北京 100089
2a. School of Metallurgy and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2b. School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
3. Sinohydro Renewable Energy Co.Ltd., Beijing 100089, China
弹簧钢是十分重要的机械零件，在各种机械弹簧中起着缓冲、减震、储能、连接、支撑、传动等各种作用[1].近些年，随着我国交通运输装备的高速发展，对车用弹簧扁钢的需求量增大，且对其综合性能提出了更高的要求. 51CrV4弹簧钢由于其高强度、高塑性和韧性等特征，而被广泛用于交通装备弹簧中，其强化机制主要是通过固溶强化、马氏体相变强化以及Cr、V的第二相强化为主[2].多元微合金化是实现弹簧钢综合性能改善的有效途径之一.
RE元素在金属材料中的应用与研究已有近百年的历史.早在1928年，A.L.Lund就获得Ce加入铸铁和钢中的专利[3].我国对RE在钢中应用的研究起步较晚，但发展迅速.杜挺[4]于20世纪80年代得出稀土对于钢液有净化作用、变质作用和合金化作用的观点；20世纪80年代我国某钢厂[5]就得出Ca-RE复合处理可较好地控制夹杂物形态，从而提高55SIMnVB汽车弹簧钢的疲劳寿命；曾家炳等[6]也提出稀土元素可提高60SiZMn汽车弹簧钢的疲劳极限的观点；20世纪90年代杨兰香等[7]提出稀土处理可以提高弹簧钢的淬透性，降低脱碳倾向的观点；张蕙文等[8]发现稀土元素还可通过使锈层致密及增强锈层与钢基体的附着力来提高钢的耐大气腐蚀性能；田俊等[9]验证了这一观点，对于弹簧钢也一样适用. 2000年以来，我国对于RE在弹簧钢中的应用更是发展迅速，大量研究表明，稀土元素的添加，可有效改善夹杂物大小、形貌，对于弹簧钢的疲劳性能、抗拉强度、伸长率和冲击韧度均有不同程度的改善[10-12].
因此采用钇基重稀土处理51CrV4弹簧钢，并对比稀土添加前后组织性能的差异，提出稀土微合金化的作用机理.
1 试验材料与方法试验用钢取自南方某钢厂生产的51CrV4弹簧钢板，其工业化生产流程为：高炉-铁水预处理-转炉-LF精炼-连铸-入库-加热-除磷-轧制.其中，试验用钇基稀土处理钢，通过在LF精炼过程中喂入钇基稀土包芯线，钇基稀土包芯线成分见表 1.为了分析比较钇基稀土对51CrV4钢组织性能影响，实验确保未加稀土与加稀土的51CrV4钢板的基础成分相同，并且热轧工艺参数相同，其中加热温度为1 070 ℃，保温1.5 h，开轧温度为1 000 ℃，终轧温度为890 ℃，轧后空冷.试验用钢的化学成分见表 2.
| 表 1 稀土包芯线的化学成分/（质量分数，%） Table 1 Chemical composition of rare earth packet core /(mass fraction, %) |
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| 表 2 51CrV4弹簧钢的化学成分/（质量分数，%） Table 2 Chemical composition of 51CrV4 steel /(mass fraction, %) |
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对弹簧钢的热轧板进行淬火与回火实验，淬火温度设为860 ℃，保温30 min后进行油淬.对淬火钢进行不同温度的回火，温度分别设计为370 ℃、400 ℃、430 ℃、460 ℃、490 ℃、520 ℃和550 ℃，保温时间设计为50 min，保温结束后进行水冷.对不回火样品进行力学性能测试和组织观察.其中，维氏硬度测试在HV-5设备上进行，选用的载荷为3 kgf，在每个实验试样的表面最少测量5个点，取其平均值.在UTM/CMT5105系列（精密）电子万能试验机进行单向拉伸试验，样品按国标GB/T228-2010加工成25 mm非标试样，拉伸速率为2 mm/min.冲击实验在PTM1500-B1Z型液晶氏铸铁摆锤冲击试验机上进行，按GB/T229-2007加工成U5型试样，每个产品做3次重复试验，冲击功取平均值.
沿轧向观察不同回火温度的组织形貌，样品经打磨抛光后，采用4 %的硝酸酒精侵蚀，吹干，然后在配有牛津能谱探头的蔡司Sigma型场发射扫描电镜上观察微观组织形貌.
2 试验结果与分析 2.1 钇基稀土对51CrV4弹簧钢力学性能的影响图 1所示为51CrV4弹簧钢的力学性能随回火温度的变化曲线，从图 1（a）可以看出，随着回火温度的升高，51CrV4弹簧钢的硬度呈逐渐降低的趋势.在370~460 ℃的回火温度区间范围内，实验钢的硬度值下降速率较快；当回火温度大于460 ℃，弹簧钢的硬度下降速率减缓.同时注意到，在460 ℃之前，添加钇基稀土要明显高于未添加稀土的弹簧钢硬度；而在460 ℃之后，钇基稀土对硬度的影响较小. 图 1（b）~图 1（d）分别反映随着回火温度的上升，抗拉强度和屈服强度都是呈下降趋势，而断面收缩率逐渐上升.值得注意的是，添加钇基稀土明显高于未添加稀土的弹簧钢强度，且屈服强度提升更明显，而断面收缩率相差不大.包喜荣等[13]指出稀土能提高中低碳钢的强度，一方面是因为部分稀土的固溶产生的固溶强化的影响；另一方面归因于稀土对回火过程中碳化物析出行为的影响.
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| 图 1 RE-51CrV4和51CrV4力学性能随回火温度的变化曲线 Fig. 1 Curves of mechanical properties with tempering temperature of RE-51CrV4 and 51CrV4 |
2.2 钇基稀土对51CrV4弹簧钢组织形貌的影响
图 2所示为51CrV4弹簧钢经860 ℃油淬后，在不同温度回火后的组织观察结果.其中中温回火的组织形态如图 3所示.从图 2中可以看出，51CrV4弹簧钢经历低温（370 ℃）、中温（460 ℃）和高温（550 ℃）回火温度后，表现为典型的回火马氏体、回火屈氏体以及回火索氏体特征.随回火温度的逐渐升高，回火马氏体中的碳化物逐渐析出，且在高温阶段，2号钢中碳化物开始出现球化的特征.对比钇基稀土的影响发现，图 2（a）~图 2（c）的碳化物（亮白色小点）析出温度被延迟，中温回火阶段仍然为回火马氏体和少量的碳化物析出（图 3（a）），且马氏体板条特征模糊，高温回火才出现大量的碳化物沿马氏体板条析出.对于未加稀土的弹簧钢（图 2（d）~图 2（f）），随温度上升，马氏体板条轮廓在逐渐模糊的同时，部分碳化物沿板条析出，尤其在中温回火时形成典型的回火屈氏体，该类碳化物大多为ε型碳化物.到高温回火时，碳化物开始部分球化，变成稳定的θ型碳化物.
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| 图 2 不同回火温度的组织形态（SEM） Fig. 2 Microstructure of different tempering temperature (SEM) |
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| 图 3 中温回火的组织形态（SEM） Fig. 3 Microstructure of medium temperature tempering (SEM) |
对于低碳弹簧钢，油淬后主要表现为马氏体组织特征，且随回火温度上升，会发生马氏体中碳的偏聚、马氏体的分解与碳化物类型的变化、残余奥氏体的转变、碳化物的聚集球化与长大和α相的回复与再结晶等5个变化过程[14].低温回火主要形成回火马氏体，此时过饱和固溶C未完全析出，仍会引起点阵畸变，形成固溶强化，使得低温时强度和硬度较高，而塑性较低，随温度上升，碳化物逐渐沿板条析出，强度和硬度逐渐降低，塑性逐渐上升.值得注意的是，钇基稀土的添加明显抑制了碳化物析出，从而提高了强度，改善了塑性. Zhao等[15]在含Cr的不锈钢中添加轻稀土La和Ce，发现稀土能抑制碳化物沿晶界析出，避免了网状碳化物的形成，有效地改善了塑性韧性.
2.3 钇基稀土对弹簧钢冲击韧性的影响稀土元素化学性质活泼，极易同钢液中的O、S等作用生成RE2O3、RE2S3、RE-O-S等稳定的稀土化合物[16]. 图 4给出了添加稀土前后热轧板表面的典型夹杂物形貌照片，可以看出，1号形成稀土复合夹杂物，且颗粒尺寸要略小于未加稀土样品，后者为典型的Al2O3夹杂.大颗粒稀土复合夹杂物在精炼时，更易上浮，尺寸较小的易保留在钢液中.稀土复合夹杂物的颗粒尺寸更细小，且在后续的加工过程中更易发生破碎，从而会改善冲击韧性.
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| 图 4 添加稀土前后的夹杂物形貌及能谱 Fig. 4 Morphology and EDS of inclusions with and without rare earth |
表 3列出了2种弹簧钢在460 ℃中温回火的纵向冲击功的对比结果，从表 3中可以看出，加稀土弹簧钢的韧性要优于未加稀土的弹簧钢冲击韧性.这与混合稀土可以明显细化钢中的夹杂物尺寸有关. 图 5所示为加稀土后弹簧钢的冲击断口形貌与能谱，可以发现，加了稀土的RE-51CrV4弹簧钢的冲击断口处在多处韧窝处有细小的夹杂物（图 5（a）、图 5（b）），从图 5（c）的能谱结果分析来看，主要为REOS的复合夹杂物.细小的复合夹杂物呈弥散状分布于钢材基体中成为硬质点，当位错运动遇到这一硬质点时，会绕过它们而继续运动，有沉淀强化的效果[12].除此之外，稀土易于在晶界处偏聚，可降低晶界处的杂质元素含量，净化钢液和晶界，提高晶内强度和晶界强度，钢材受冲击载荷作用时，需要吸收更多的裂纹扩展能量，从而提高钢材强韧性[17].
| 表 3 混合稀土添加前后的冲击功对比（3次平行试验） Table 3 Comparison of impact energy before and after mixing rare earth addition (3 parallel tests) |
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| 图 5 RE-51CrV4的冲击断口形貌与能谱 Fig. 5 Impact fracture morphology and EDX of RE-51CrV4 |
3 结论
1）随回火温度的上升，51CrV4弹簧钢强度和硬度逐渐降低，断面收缩率逐渐上升，且钇基稀土对力学性能的变化趋势影响较小.
2）钇基稀土能明显抑制弹簧钢板条组织特征的形成，以及碳化物的析出，从而使得添加弹簧钢强度和硬度升高，综合性能更优异.
3）460 ℃回火时，加稀土的明显优于不加稀土的弹簧钢冲击韧性，归因于混合稀土形成了典型的细小、均匀分布的复合夹杂物，在冲击过程中可以抑制裂纹扩展.
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