鈮微合金化2000MPa級高強度彈簧鋼研究.pdf

1、近年來，高速鐵路得到了快速發(fā)展，設計時速已高達400Km/h。為了保證列車安全、舒適運行，設計者對彈簧材料提出了更高的性能要求。因此，高強度彈簧鋼材料的研究越來越得到重視。研究證實，采用鈮微合金化結合控制軋制技術可有效提高鋼的強度及韌性，然而，當前關于鈮微合金化技術的研究主要集中在低碳鋼領域，對含鈮中高碳鋼研究的公開報道還很少，導致工業(yè)生產(chǎn)缺少必要的理論基礎。
　　本文以現(xiàn)有的60Si2CrVAT彈簧鋼為基礎研究對象，采用單雙道次

2、壓縮實驗、應力松弛實驗、透射電鏡觀察、材料性能測試等實驗方法研究了Nb元素對60Si2CrVAT彈簧鋼相變特征、脫碳敏感性、組織與性能、再結晶行為、碳化物析出動力學、晶粒粗化溫度等材料特性的影響。另外，本文還采用Thermo-Calc熱力學計算及實驗研究了含鈮高強度彈簧鋼鑄態(tài)組織中鈮偏聚行為及碳化物溶解行為。
　　結果表明，添加微量Nb元素在一定程度上改變了60Si2CrVAT彈簧鋼的相變特征。與不含Nb彈簧鋼相比，含Nb鋼CCT

3、曲線向下方移動；在冷卻速率相同的條件下，鐵素體、珠光體轉變溫度被推遲約15℃；Nb元素對馬氏體轉變影響不大；Nb元素顯著降低珠光體片層間距；在冷卻速度為1℃/s時，珠光體片層間距由209nm被細化至198nm；當冷卻速度為2℃/s時，珠光體片層間距由194nm細化至179nm；Nb元素改變了珠光體形貌，使?jié)B碳體片界面呈現(xiàn)彎曲，斷續(xù)狀態(tài)。Nb元素對60Si2CrVAT鋼組織與性能有顯著影響，含Nb鋼具有精細的熱軋態(tài)組織及淬火回火組織，最終

4、表現(xiàn)出較高的強度及塑性，其中，含Nb彈簧鋼抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率、沖擊功分別達到2024MPa、1815 MPa、12％、38%、33J，與不含Nb鋼相比較，分別提高了約100MPa、90 MPa、2.5%、7.5%、18J。實驗鋼的疲勞極限σ-1為775MPa。與其它高強度彈簧鋼相比，含 Nb鋼產(chǎn)品具有較高的強度與韌性，疲勞極限與D701、ND120S相近。另外，實驗鋼在高應力條件下，疲勞斷裂首先起源于表面缺陷；在低應

5、力條件下，疲勞斷裂起源于近表面存在的非金屬夾雜物。
　　研究結果還表明，Nb元素對提高60Si2CrVAT鋼的抗表面脫碳能力有利。在相同加熱條件下，含Nb鋼的脫碳層深度要小于不含Nb鋼。主要原因為Nb降低了碳原子在奧氏體中活度和擴散系數(shù)，增大了碳原子擴散激活能，進而提高了抗表面脫碳能力。實驗鋼的脫碳層深度隨加熱溫度、加熱時間的提高而逐漸增加。另外，實驗鋼的脫碳敏感性較強的溫度區(qū)間為950~1000℃。Nb元素對60Si2CrVAT

6、彈簧鋼動態(tài)再結晶、靜態(tài)再結晶行為有明顯的抑制作用。采用峰值應力法計算了含Nb鋼與不含Nb鋼的動態(tài)再結晶激活能分別為354.27KJ/mol、319.56KJ/mol。含Nb鋼的激活能大于不含Nb鋼34.71 KJ/mol。鈮微合金化高強度彈簧鋼的PTT曲線是一種C型曲線，鼻子端溫度為900℃。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，實驗鋼碳化物析出開始時間要慢于低碳鋼，主要是由于實驗鋼含有較高的C含量及其它合金元素，最終導致Nb活度被降低。透射電鏡觀察證實應

7、力松弛實驗結果的正確性。另外，在當前變形溫度范圍內(nèi)，析出物均為含C、Nb、V及Ti的復合碳化物，其中，碳化物主體為（Nb、V）C，還含有微量TiC。在900℃以下，析出物呈彌散分布，在950℃以上，析出物呈帶狀分布在位錯、晶界等晶體缺陷位置。
　　此外，結果還表明，鈮微合金化高強度彈簧鋼的奧氏體晶粒粗化溫度為1050℃，添加Nb使鋼的晶粒粗化溫度提高約50℃。熱力學計算結果表明，含Nb彈簧鋼中的C、Nb含量對Nb偏析有著重要影響，

8、Nb偏析程度隨著C、Nb含量的增加而不斷提高。實驗結果與熱力學計算結果一致，鑄態(tài)組織中的含Nb析出物呈現(xiàn)粗大條狀及不規(guī)則形狀，寬度大約1~3μm，長度大約2~40μm；基體中存在兩個明顯的析出物聚集區(qū)，一個聚集區(qū)在晶界位置，經(jīng)分析主要為Nb、V、Ti的碳氮化物；另一個聚集區(qū)隨機分布在基體中，經(jīng)分析，該區(qū)域的析出物可能是Fe2Nb共晶體。加熱實驗表明，含Nb碳化物隨加熱溫度升高而逐漸溶解，但在1250℃時仍不能完全溶解。
　　根據(jù)研

9、究結果，本文提出了一種鈮微合金化高強度彈簧鋼的工業(yè)生產(chǎn)方案。經(jīng)實踐，工業(yè)生產(chǎn)方案合理、可行，產(chǎn)品具有精細組織及優(yōu)良的綜合力學性能。其中抗拉強度平均值為1996.9MPa；屈服強度平均值為1791.7MPa；延伸率為9.9%；斷面收縮率為34.9%；將結果與實驗室鋼的性能相比，工業(yè)產(chǎn)品性能要略低于實驗室數(shù)據(jù)，其中，抗拉強度低約30 MPa；屈服強度低20MPa；延伸率低2%；斷面收縮率低3%。結合拉伸斷口分析、偏析斑形貌、顯微硬度分析、元