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摘 要：通过对弹簧生产的各个热加工工艺过程进行分解和综合模拟试验，检测各个热加工工艺过程的脱碳情况，讨论研究60Si2Mn弹簧钢的脱碳机理。结果表明，弹簧生产中热整形工序为主要脱碳工序，其中引起总脱碳层最主要的因素为相变以上温度和停留的时间，引起全脱碳最主要的因素为冷却速度。
关键词：60Si2Mn；弹簧；脱碳
1 前言
公司某型机车柴油机在UIC试验及样车线路运行返厂拆检时，减震器弹簧组有断裂现象。断裂簧片金相检验发现表面存在严重脱碳。弹簧脱碳层的存在会明显降低弹簧的疲劳极限特别是表面出现铁素体全脱碳层时，可使弹簧的疲劳极限降低50%，严重损害弹簧的疲劳寿命。另外全脱碳层与部分脱碳层的膨胀系数不同，之间的过渡区容易引起应力集中而产生微裂纹，给柴油机的正常运用带来隐患。60Si2Mn弹簧钢是我国常用Si-Mn系钢种，有很强的脱碳倾向，使得弹簧在热加工生产中更容易脱碳。通常情况下钢在氧化气氛里加热到一定温度后脱碳和氧化会同时存在，两者的共同作用决定最终的脱碳层深度。本文通过模拟试验得出弹簧组生产中影响脱碳最严重的工序，并讨论脱碳机理，为优化生产工艺减少脱碳提供理论依据和数据支持。
2 试验材料及方法
试验用60Si2Mn弹簧钢化学成分见表1。原卷簧组主要生产工艺为：备料→退火→冷卷→热整形→淬火→回火→抛光，热处理设备采用无保护气氛的箱式电炉。其中回火温度低于500℃不造成脱碳，对脱碳层可能存在影响的热加工工序只有退火、热整形、淬火。
试样原材料取自同炉热轧板料，经刨、磨减薄去除脱碳层。共制成五组试样，每组10个共5×10=50个，其中三组分别进行退火、热整形、淬火单工序处理，第四和第五组分别进行退火+热整形、退火+热整形+淬火组合工艺处理。前三组试样按长×宽40mm×30mm截取，第四和第五组试样按长×宽40mm×60mm截取，试样用阿拉伯数字依次标识。试验用热加工工艺参数见表2，随后采用金相法检测试样两表面脱碳层。
3 试验结果及分析
试验结果
各试验的试样脱碳层平均值见表3，对平均值做柱形图见图1。试验结果表明，热加工过程60Si2Mn弹簧钢均会出现氧化，但单独退火没有发生脱碳现象；经热整形、淬火后，无论是单独还是组合，均发生不同程度的脱碳现象。
表3脱碳层深度
60Si2Mn弹簧钢的Ac1温度为755℃、Ac3温度为810℃。五种试验方案其中第一种方案退火的加热温度低于相变温度Ac1时，材料中碳在珠光体基体中主要以FeC3形式存在。在此温度下难以扩散，因此铁的氧化而无明显脱碳现象。
淬火、整形、退火+整形以及退火+整形+淬火四种试验方案的加热温度都在Ac3温度以上，均出现了不同程度的脱碳层，其平均总脱碳层深度分别为0.103mm、0.117mm、0.128mm、0.166mm，深度依次递增，增加幅度较为明显，特别是退火+整形+淬火。按表2试验热加工工艺处理，分析其原因Ac3温度上加热冷却过程中发生α铁→γ铁→α铁相变，其相应组织发生P+F→A→M或P+F的组织转变，由于此温度下碳在奥氏体中的扩散速度远比在珠光体中快，在奥氏体时间段脱碳会明显加快，淬火、整形、退火+整形保温温度和时间差别不大，因此总脱碳差别不大。又由于其加热和冷却速度的差异，导致实际在相变温度以上时间略有差异，所以其平均总脱碳厚度又依次递增。退火+整形+淬火工艺有两次在相变温度以上加热冷却所以其平均总脱碳深度明显大于其它三种方案。因此脱碳主要发生在奥氏体时间段，相变温度以上时间和温度高低决定脱碳层的深度。
淬火、整形、退火+整形以及退火+整形+淬火四种试验方案总脱碳层深度分别为0.019mm、0.074mm、0.084mm、0.088mm，淬火全脱碳层深度明显小于其它三种试验方案，后三者略微递增但相差不大。分析其原因在P+F→A→M或P+F的组织转变过程中，加熱时珠光体先转变成奥氏体，表层的奥氏体组织脱碳后，扩散作用使次表层的奥氏体也开始贫碳。随着温度的上升未溶的铁素体转变为奥氏体，此时的组织自表层向内分别为贫碳奥氏体+少量铁素体，低碳碳奥氏体，和正常奥氏体，碳的浓度梯度比较平缓；冷却时先共析铁素体最先从表层的贫碳奥氏体中析出，并以先共析铁素体为核心向内生长，因此全脱碳铁素体主要在两相区期间形成，同时对比单独的整形和淬火总脱碳层深度差异可知尤其是冷却期间影响最大，冷速越快其生长的时间越短该铁素体层会很薄见图2-a。随着在两相区时间的延长和温度的逐步下降，先共析铁素体会快速向内生长并急剧长大，全脱碳层就会很厚见图2-b，因此单独的淬火工艺其脱碳层较薄，而高温整形工艺的脱碳层就厚很多。同时整形+淬火试验时整形时形成的全脱碳层淬火加热无法全部转变为奥氏体而保留，并在随后的加热中进一步脱碳，见图2-c，但由于外面铁素体层的阻碍使全脱碳层增加较慢，因此后三种工艺的全脱碳层较接近，总脱碳层的差异也就不大。其失效簧片脱碳层形貌见图2-d。
因此要减少总脱碳和全脱碳深度必须降低在相变温度以上保温温度和减少停留的时间；加快加热和冷却速度，以缩短两相区停留时间，对其影响最大的工序为热整形工序。
结论
1、60Si2Mn材料在普通箱式电炉这样的氧化性气氛环境下，Ac1温度以下退火无明显的脱碳。
2、在相同的氧化性加热环境下，总脱碳深度主要与其在相变温度以上保温温度和停留的时间有关，温度越高、停留的时间越长，总脱碳深度越深。
3、两相区间停留的时间对全脱碳层厚度影响最大，尤其是在冷却期间，停留的时间越长，则全脱碳层厚度越大。
4、采用普通箱式电炉加热，840℃热整形过程对脱碳层的影响最大。
参考文献
[1] 曹安然 李玉芳 弹簧钢用防氧化脱碳涂料的制备与性能[j].机械工程材料，2010，37（7）：66-69
[2] 崔娟等 中碳弹簧钢加热过程脱碳特性的试验研究[j] 材料热处理，2007，36（20）：20-23
[3] 樊东黎主编 热处理技术数据手册[m] 机械工业出版社，2000
关键词：60Si2Mn；弹簧；脱碳
1 前言
公司某型机车柴油机在UIC试验及样车线路运行返厂拆检时，减震器弹簧组有断裂现象。断裂簧片金相检验发现表面存在严重脱碳。弹簧脱碳层的存在会明显降低弹簧的疲劳极限特别是表面出现铁素体全脱碳层时，可使弹簧的疲劳极限降低50%，严重损害弹簧的疲劳寿命。另外全脱碳层与部分脱碳层的膨胀系数不同，之间的过渡区容易引起应力集中而产生微裂纹，给柴油机的正常运用带来隐患。60Si2Mn弹簧钢是我国常用Si-Mn系钢种，有很强的脱碳倾向，使得弹簧在热加工生产中更容易脱碳。通常情况下钢在氧化气氛里加热到一定温度后脱碳和氧化会同时存在，两者的共同作用决定最终的脱碳层深度。本文通过模拟试验得出弹簧组生产中影响脱碳最严重的工序，并讨论脱碳机理，为优化生产工艺减少脱碳提供理论依据和数据支持。
2 试验材料及方法
试验用60Si2Mn弹簧钢化学成分见表1。原卷簧组主要生产工艺为：备料→退火→冷卷→热整形→淬火→回火→抛光，热处理设备采用无保护气氛的箱式电炉。其中回火温度低于500℃不造成脱碳，对脱碳层可能存在影响的热加工工序只有退火、热整形、淬火。
试样原材料取自同炉热轧板料，经刨、磨减薄去除脱碳层。共制成五组试样，每组10个共5×10=50个，其中三组分别进行退火、热整形、淬火单工序处理，第四和第五组分别进行退火+热整形、退火+热整形+淬火组合工艺处理。前三组试样按长×宽40mm×30mm截取，第四和第五组试样按长×宽40mm×60mm截取，试样用阿拉伯数字依次标识。试验用热加工工艺参数见表2，随后采用金相法检测试样两表面脱碳层。
3 试验结果及分析
试验结果
各试验的试样脱碳层平均值见表3，对平均值做柱形图见图1。试验结果表明，热加工过程60Si2Mn弹簧钢均会出现氧化，但单独退火没有发生脱碳现象；经热整形、淬火后，无论是单独还是组合，均发生不同程度的脱碳现象。
表3脱碳层深度
60Si2Mn弹簧钢的Ac1温度为755℃、Ac3温度为810℃。五种试验方案其中第一种方案退火的加热温度低于相变温度Ac1时，材料中碳在珠光体基体中主要以FeC3形式存在。在此温度下难以扩散，因此铁的氧化而无明显脱碳现象。
淬火、整形、退火+整形以及退火+整形+淬火四种试验方案的加热温度都在Ac3温度以上，均出现了不同程度的脱碳层，其平均总脱碳层深度分别为0.103mm、0.117mm、0.128mm、0.166mm，深度依次递增，增加幅度较为明显，特别是退火+整形+淬火。按表2试验热加工工艺处理，分析其原因Ac3温度上加热冷却过程中发生α铁→γ铁→α铁相变，其相应组织发生P+F→A→M或P+F的组织转变，由于此温度下碳在奥氏体中的扩散速度远比在珠光体中快，在奥氏体时间段脱碳会明显加快，淬火、整形、退火+整形保温温度和时间差别不大，因此总脱碳差别不大。又由于其加热和冷却速度的差异，导致实际在相变温度以上时间略有差异，所以其平均总脱碳厚度又依次递增。退火+整形+淬火工艺有两次在相变温度以上加热冷却所以其平均总脱碳深度明显大于其它三种方案。因此脱碳主要发生在奥氏体时间段，相变温度以上时间和温度高低决定脱碳层的深度。
淬火、整形、退火+整形以及退火+整形+淬火四种试验方案总脱碳层深度分别为0.019mm、0.074mm、0.084mm、0.088mm，淬火全脱碳层深度明显小于其它三种试验方案，后三者略微递增但相差不大。分析其原因在P+F→A→M或P+F的组织转变过程中，加熱时珠光体先转变成奥氏体，表层的奥氏体组织脱碳后，扩散作用使次表层的奥氏体也开始贫碳。随着温度的上升未溶的铁素体转变为奥氏体，此时的组织自表层向内分别为贫碳奥氏体+少量铁素体，低碳碳奥氏体，和正常奥氏体，碳的浓度梯度比较平缓；冷却时先共析铁素体最先从表层的贫碳奥氏体中析出，并以先共析铁素体为核心向内生长，因此全脱碳铁素体主要在两相区期间形成，同时对比单独的整形和淬火总脱碳层深度差异可知尤其是冷却期间影响最大，冷速越快其生长的时间越短该铁素体层会很薄见图2-a。随着在两相区时间的延长和温度的逐步下降，先共析铁素体会快速向内生长并急剧长大，全脱碳层就会很厚见图2-b，因此单独的淬火工艺其脱碳层较薄，而高温整形工艺的脱碳层就厚很多。同时整形+淬火试验时整形时形成的全脱碳层淬火加热无法全部转变为奥氏体而保留，并在随后的加热中进一步脱碳，见图2-c，但由于外面铁素体层的阻碍使全脱碳层增加较慢，因此后三种工艺的全脱碳层较接近，总脱碳层的差异也就不大。其失效簧片脱碳层形貌见图2-d。
因此要减少总脱碳和全脱碳深度必须降低在相变温度以上保温温度和减少停留的时间；加快加热和冷却速度，以缩短两相区停留时间，对其影响最大的工序为热整形工序。
结论
1、60Si2Mn材料在普通箱式电炉这样的氧化性气氛环境下，Ac1温度以下退火无明显的脱碳。
2、在相同的氧化性加热环境下，总脱碳深度主要与其在相变温度以上保温温度和停留的时间有关，温度越高、停留的时间越长，总脱碳深度越深。
3、两相区间停留的时间对全脱碳层厚度影响最大，尤其是在冷却期间，停留的时间越长，则全脱碳层厚度越大。
4、采用普通箱式电炉加热，840℃热整形过程对脱碳层的影响最大。
参考文献
[1] 曹安然 李玉芳 弹簧钢用防氧化脱碳涂料的制备与性能[j].机械工程材料，2010，37（7）：66-69
[2] 崔娟等 中碳弹簧钢加热过程脱碳特性的试验研究[j] 材料热处理，2007，36（20）：20-23
[3] 樊东黎主编 热处理技术数据手册[m] 机械工业出版社，2000