张博，郭大勇，高航，马立国，王秉喜（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009）

研究与开发

汽车螺旋悬架弹簧用钢55SiCrA组织和性能研究

张博，郭大勇，高航，马立国，王秉喜
（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009）

采用热膨胀法结合显微金相与硬度法，在LINSEIS L78 RITA相变仪上测定了55SiCrA弹簧钢的临界点温度和连续冷却转变曲线，研究了冷却速度对组织和硬度的影响规律。在此基础上，进行了控轧控冷工业试验。结果表明，当冷速≤2℃/s时，转变产物为少量铁素体、珠光体，珠光体硬度随冷速增大而增大；当冷速≥5℃/s时，转变产物为珠光体、马氏体；当冷速≥20℃/s时，转变产物为马氏体，硬度随冷速增大而增大；现场控轧控冷的试验钢抗拉强度达到1 163 MPa，伸长率为13%，面缩率为49%，综合力学性能良好，满足了用户的使用要求。

汽车悬架螺旋弹簧；55SiCrA弹簧钢；CCT曲线；显微组织；力学性能

55SiCrA弹簧钢盘条主要用于生产汽车螺旋悬架弹簧用油淬火回火弹簧钢丝的原料。大多数用户在使用55SiCrA弹簧钢盘条生产油淬火回火弹簧钢丝时，为了节省能源和降低生产成本，盘条冷拉拔前不进行软化退火处理直接进行冷拉拔，这就要求弹簧钢盘条具有良好的组织和优良的综合力学性能。过冷奥氏体连续冷却转变曲线能精确地反映不同冷却速度下材料的转变温度、转变时间和转变量之间的关系，是制定控轧控冷工艺参数和热处理工艺参数的重要理论依据［1］。本文采用热膨胀法结合显微金相与硬度法，在LINSEIS L78 RITA相变仪上测定了55SiCrA弹簧钢的临界点温度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和连续冷却转变曲线（CCT），研究了冷却速度对组织和硬度的影响规律。在此基础上，进行了控冷工业试验。

1　过冷奥氏体连续冷却转变曲线

1.1试验材料和方法

1.1.1试验材料

试验材料取自鞍钢股份有限公司炼钢总厂生产的155 mm×155 mm的连轧坯，其化学成分见表1。测定CCT曲线的试样尺寸为Φ3 mm×10 mm。

表1　试验钢化学成分（质量分数）　%

1.1.2试验方法

55SiCrA弹簧钢的相变临界点温度（Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms）和CCT曲线测定在LINSEIS L78 RITA相变仪上进行。试验工艺如下：试样以10℃/s的速率加热到840℃进行奥氏体化，保温10 min后，分别以0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s的冷却速度冷至室温。

绘制所测试样在升温和降温过程中“温度-相对膨胀量”曲线，采用切线法结合金相-显微硬度法确定相变临界点Ac1、Ac3、Ar1、Ar3（升温和降温速率为3℃/min时测定的）和Ms以及不同冷速下相的开始转变温度和终止转变温度。在温度-时间（对数）曲线上绘制出55SiCrA的静态CCT曲线。采用正立式蔡司（Zeiss Imager M1m）光学显微镜观察分析不同冷速下的显微组织，用日本恒一（FM-7000）显微维氏硬度计测定不同冷速下试样的显微维氏硬度。

1.2试验结果分析与讨论

用LINSEIS L78 RITA相变仪测定55SiCrA弹簧钢的相变临界点温度：Ac1=746℃，Ac3=775℃，Ar1=694℃，Ar3=717℃，Ms=255℃。图 1为55SiCrA弹簧钢的静态CCT曲线，图中冷速从右至 左 依 次 为 0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、20、50℃/s。图2为典型冷速下的显微组织。

图1　试验钢静态CCT曲线

图2　典型冷速下的显微组织

由图1可知，试验钢CCT曲线图中无贝氏体转变区，仅存在铁素体析出区、珠光体转变区和马氏体转变区。无贝氏体转变区的主要原因为试验钢中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳钢中的中、弱碳化物形成元素Cr和Mn以及非碳化物形成元素Si抑制了贝氏体转变的发生［2］。当冷速≤2℃/s，过冷奥氏体发生了铁素体和珠光体转变，室温组织为少量铁素体+珠光体，金相照片如图2（a）所示；随着冷速增加，铁素体转变开始温度和珠光体转变开始温度均降低。当5℃/s≤冷速≤10℃/s，过冷奥氏体发生珠光体和马氏体转变，室温组织为沿晶产生的屈氏体和组织粗大的马氏体，金相照片如图2（b）所示；当冷速≥20℃/s，只发生马氏体转变，室温组织为细小的马氏体，金相照片如图2（c）所示。珠光体硬度和马氏体硬度随冷速增加而增大。

为了满足用户不进行软化退火热处理直接进行冷拉拔的要求，盘条的显微组织应为少量的先共析铁素体，相对含量低于1.5%，索氏体含量在80%以上，不允许有马氏体过冷组织［3］。为了获得上述组织，避免大量屈氏体、粗大珠光体和先共析铁素体的生成，通过铁素体和珠光体相变区的冷速宜控制在0.5～1℃/s之间，此时珠光体的显微硬度在310 HV0.2～330 HV0.2。

2　55SiCrA弹簧钢盘条控冷工业试验

2.1控冷工艺方案设计

根据上节研究结果，设计如下控冷工艺方案，见图3。盘条以T1（840℃～860℃）温度吐丝后以C1冷速（3～6℃/s）冷却至珠光体相变开始温度T2（690～700℃）；在珠光体转变区以C2冷速（0.5～1℃/s）冷却至相变结束T3（640～660℃），保证生成大量索氏体组织；索氏体转变完成后自然冷却（C3）至室温。

图3　试验钢盘条控冷工艺

2.2试验结果分析与讨论

盘卷吐丝后冷却曲线如图4所示，可以看出，基本实现了工艺的预期设定。

图4　试验钢盘卷吐丝后测定的冷却曲线

试验钢的显微组织和表面脱碳金相照片如图5所示，可以看出，组织为铁素体+珠光体，索氏体化率85%以上；局部轻微部分脱碳，深度30 μm左右。

图5　试验钢盘条显微组织和表面脱碳

试验钢盘条的力学性能如表2所示，可以看出，试验钢经过控冷后具有优良的综合力学性能。

表2　试验钢盘条力学性能

从试验结果来看，在珠光体恒温转变区的冷速由于发生相变潜热没有达到预期的工艺方案设计，但由于相变前冷速较大使得珠光体转变开始温度较低，虽然温度有所回升，但在9#风机入口至13#风机入口仍主要发生索氏体近似恒温转变，生成大量的索氏体组织。从图5（a）可看出，试验钢盘条组织中还存在少量屈氏体组织导致盘条强度和硬度偏高，虽然面缩率较高，但也不利于盘条后续的冷拉拔。下一步在现场通过调整保温罩的开启角度和对应风机风冷，控制由于相变潜热导致的温度回升，使索氏体恒温转变的冷速控制在0.5～1 ℃/s。另外，有必要研究该钢种的TTT曲线，测定不同温度恒温转变时的珠光体片层间距、硬度和组织的关系，确定发生索氏体转变的温度区间。

3　用户使用情况

经过控轧控冷生产的55SiCrA弹簧钢盘条经用户矫直、抛丸除磷后顺利通过冷拉拔，热处理后制成的Φ13 mm油淬火回火弹簧钢丝经用户检验后，质量和性能满足要求。此钢丝已经应用于某品牌车型的悬架弹簧，疲劳寿命等各项指标均满足技术要求。

4　结论

（1）55SiCrA的Ac1、Ac3、Ar1、Ar3和Ms温度分别为746、775、694、717和255℃；当冷速≤2℃/s时，转变产物为少量铁素体、珠光体，珠光体硬度随冷速增大而增大；当冷速≥5℃/s时，转变产物为珠光体、马氏体；当冷速≥20℃/s时，转变产物为马氏体，硬度随冷速增大而增大。

（2）现场控轧控冷的试验钢盘条抗拉强度达到1 163 MPa，伸长率为13%，面缩率为49%，综合力学性能良好，满足了用户的使用要求。

［1］林慧国，傅代直.钢的奥氏体转变曲线［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］刘虎，孔祥华，孙彦辉，等.弹簧钢55SiCrA过冷奥氏体动态连续冷却转变［J］.材料热处理学报，2011，32（7）：73-77.

［3］李文浩，孔祥华，刘虎，等.弹簧钢55SiCrA控制冷却工艺［J］.材料热处理学报，2013，34（6）：89-93.

（编辑 袁晓青）

Study on Microstructures and Properties of 55SiCrA Steel Used for Coil Springs of Automotive Suspension System

Zhang Bo，Guo Dayong，Gao Hang，Ma Liguo，Wang Bingxi
（Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

By the thermal expansion method，metalloscopy method and hardness method the temperature of the 55SiCrA spring steel at critical points and its continuous cooling transformation curves（CCT）was measured on LINSEIS L78 RITA.The laws of effect of cooling rates on microstructures and hardness of the steel were studied.Based on the studies the industrial test on the thermo mechanical control process（TMCP）was carried out.The test results show that the resultants by transformation include a little bit of ferrite and pearlite as the cooling rate is less than or equal to 2℃/s and the hardness of pearlite increases with the increasement of the cooling rate.But the resultants by transformation turn into martensite and pearlite as the cooling rate is more than or equal to 5℃/s and the resultants by transformation turn into martensite as the cooling rate is more than or equal to 20℃/s and the hardness of martensite increases with the increasement of the cooling rate.The tensile strength of tested steel produced by the TMCP process on site is 1 163 MPa，the elongation rate is 13%and the reduction of area is 49%，all of which means that its comprehensive mechanical properties are good enough to meet the requirements asked by consumers.

coil springs for automotive suspension system；55SiCrA spring steel；CCT curves；microstructures；mechanical properties

TG142

A

1006-4613（2016）04-0035-04

张博，博士，工程师，2012年毕业于北京科技大学钢铁冶金专业。E-mail：bozhang918@163.com

2015-10-28