几种高速列车用弹簧钢的耐寒性能研究

2021-11-02公衍军杨东晓霍艳霞吕士勇

中国金属通报 2021年10期

公衍军，杨东晓，霍艳霞，李鹏，吕士勇

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266109；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

弹簧装置是铁路机车车辆的重要部件，能够缓和冲击，使车辆运行平稳，对保障火车安全运行起到极其重要的作用[1]。铁路车辆用弹簧钢需有非常高的强度、刚度、疲劳极限以及一定的塑性和韧性[2]。我国地域广阔，北方冬天温度很低。低温环境下金属脆性增加，抗冲击能力减弱。卫广智等[3，4]研究了51CrV4在-60℃-0℃范围内的低温脆性，结果表明冲击功会随着温度下降而有所降低，但冲击功仍保持较高水平，没有发生脆性断裂。然而，此前关于其他弹簧钢材料及几种弹簧钢材料低温性能的对比研究并未见公开报导。

本文就目前高速列车使用的比较成熟和用量较大的60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4四种弹簧钢材料，分析其热处理工艺、室温及低温力学性能，以期选取低温条件下最优质弹簧钢材料。

1 试验材料与方法

试验材料选用高速列车用4种弹簧钢60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4。采用真空感应熔炼工艺分别制备出四种试验用钢，铸锭经1100℃保温2h。分别锻造成Φ60mm、Φ30mm、Φ42mm和Φ57mm的棒料。材料的化学成分分析结果如表1所示。

表1 四种弹簧钢材料的化学成分

2 四种材料热处理制度研究

为了研究淬火温度同材料固溶程度的关系，以51CrV4材料为例，选择在800℃、850℃、900℃下分别保温1小时后油冷淬火，进行显微组织观察，其扫描电镜形貌如图1所示。图1（a）为800℃淬火时的组织形貌，组织中除马氏体基体外，存在大量的未溶碳化物。图1（b）为850℃淬火时的组织形貌，为全马氏体组织，说明在奥氏体化过程中，碳化物基本全部溶入奥氏体，只存在极少量的未溶碳化物。图1（c）为900℃淬火时的组织形貌，与850℃淬火时的组织形貌相同。结合材料的奥氏体晶粒长大趋势，标准中推荐的淬火温度在上述范围之内。因此，四种材料的淬火温度按照标准选定，即：51CrV4为850℃，52CrMoV4为860℃，60Si2CrVAT为850℃，60Si2MnAT为870℃。

图1 51CrV4材料不同淬火温度下的淬火态显微组织：（a）800℃（b）850℃（c）900℃

对于淬火回火钢而言，回火温度是决定材料最终性能的关键因素。本部分以51CrV4为例，研究其回火温度对力学性能的影响。取样在850℃保温1h油冷淬火后，分别在310℃、360℃、410℃、440℃、460℃、480℃和510℃保温2小时后空冷回火，力学性能随回火温度的变化情况如图2所示。从实验结果可以看出，强度、硬度随回火温度的升高而逐渐降低，冲击值随回火温度的升高而增加。在410℃～460℃之间，51CrV4材料的冲击功、硬度、拉伸性能均较为理想。用上述同样的方法对四种材料热处理—性能关系进行研究，确定了四种材料最佳的热处理制度如表2所示。

表2 四种弹簧钢最佳热处理制度

图2 51CrV4材料不同回火温度下的性能

3 四种材料热处理后的室温及低温力学性能

3.1 室温力学性能对比

按照上述表2所列的最佳热处理制度，对四种材料热处理后检验其室温拉伸及冲击性能，如表3所示。从表中可以看出抗拉强度由大到小依次为：60Si2CrVAT＞52CrMoV4＞51CrV4＞60Si2MnAT；室温冲击性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。

表3 四种钢弹簧材料的室温力学性能

3.2 低温拉伸性能对比

对四种材料热处理后检验其室温、-20、-40、-60℃下的拉伸性能，材料的屈服强度、抗拉强度随试验温度的变化趋势如图3所示。随试验温度的降低，材料的强度略有升高，延伸率和断面收缩率也略有降低，但幅度都很小，可见低温环境对材料的拉伸性能影响不大。

图3 屈服强度、抗拉强度随试验温度的变化趋势

3.3 低温冲击性能对比

对四种材料热处理后检验其室温、-20、-40、-60℃下的冲击性能，冲击试样采用V型缺口。结果如表5所示。从表中可以看出，51CrV4材料有最佳的低温冲击性能，在-80℃以上时冲击功均可达到10J以上，在-100℃时的冲击功仍有9.7J。室温及低温冲击性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。随着测试温度的变化，四种材料的冲击功逐渐下降。图4为四种材料的冲击功随温度变化示意图。