張曉瑞，汪開忠，尹德福，姜 婷，龔夢(mèng)強(qiáng)

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心)

脫碳問題一直是困擾線材生產(chǎn)的一大難題，嚴(yán)重影響線材最終成品的使用性能[1]。表面脫碳尤其是全脫碳層超標(biāo)，對(duì)線材的力學(xué)性能危害很大，不僅導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度降低，最重要的是降低材料的疲勞強(qiáng)度，另外全脫碳層與半脫碳層之間的過渡區(qū)域是裂紋敏感區(qū)，在交變應(yīng)力作用下極易形成裂紋導(dǎo)致失效或斷裂[2]-[4]。彈簧鋼由于碳、硅元素含量較高，在高溫下極易產(chǎn)生脫碳，導(dǎo)致其使用壽命明顯降低，特別是全脫碳層的出現(xiàn)可使彈簧的疲勞極限降低50%。所以人們都把線材的表面脫碳視為一種缺陷，加以限制或清除[5]。

近年來，隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，高檔汽車用彈簧鋼對(duì)表面脫碳層的要求越來越高。按照目前國(guó)內(nèi)高速線材的生產(chǎn)裝備及工藝流程，線材表面脫碳不可避免[1]，因此研究彈簧鋼表面的脫碳行為對(duì)高品質(zhì)汽車用彈簧鋼的開發(fā)至關(guān)重要。本文選用目前用量較大、脫碳控制較難且要求較高的彈簧鋼60Si2Mn，研究了其在不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間下的脫碳敏感性，為高檔汽車用彈簧鋼線材產(chǎn)品的生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 脫碳機(jī)理概述

鋼在加熱過程中，存在氧化和脫碳兩個(gè)過程，氧化指氧向鋼中擴(kuò)散和鋼中的鐵向外擴(kuò)散，鐵與氧反應(yīng)形成氧化鐵皮。脫碳則是碳向鋼表層擴(kuò)散后與脫碳?xì)怏w反應(yīng)，表層含碳量減少產(chǎn)生的脫碳現(xiàn)象。脫碳能否形成主要取決于氧化速度和脫碳速度二者之間的大小，氧化速度快時(shí)表現(xiàn)為表面形成一層氧化鐵皮，氧化速度相對(duì)慢則只出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象[6]-[8]。因?yàn)樘紡匿撝袛U(kuò)散速度較慢，需要一定的時(shí)間，所以剛開始脫碳速度相對(duì)較小，脫碳層深度隨加熱溫度升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，一旦形成脫碳，鋼的表面和內(nèi)部就產(chǎn)生了一定的濃度梯度，擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致脫碳速度亦增加，脫碳層深度會(huì)達(dá)到最高點(diǎn)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，此時(shí)氧化現(xiàn)象較為強(qiáng)烈，先期形成的脫碳層被氧化形成一層厚厚的氧化層，脫碳層深度會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示，試樣取自熱軋材成品，為排除盤條本身脫碳層的影響，保證試樣表面不存在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的缺陷，選用14 mm規(guī)格成品試樣車去表面2 mm，直徑為10 mm，制成φ10X10 mm的試樣。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分 wt/%

3 實(shí)驗(yàn)方案

模擬試驗(yàn)鋼在加熱爐中的加熱情況，選取750℃到1080℃之間共14個(gè)溫度，將加工好的試樣到溫后放入加熱爐中，保溫一定時(shí)間后取出空冷至室溫，按照脫碳層金相制備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備試樣，并進(jìn)行金相分析，按照GB224-78《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》顯微組織法測(cè)量其脫碳層深度，研究不同加熱溫度及保溫時(shí)間下脫碳敏感性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 加熱溫度對(duì)試驗(yàn)鋼脫碳的影響

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)鋼坯在加熱爐中的時(shí)間，以及防止脫碳盡量避免鋼坯在爐時(shí)間較長(zhǎng)，選用保溫40min研究不同加熱溫度下兩種試驗(yàn)鋼的脫碳敏感性。圖1為試驗(yàn)鋼在不同加熱溫度下脫碳層深度變化曲線。由圖可以看出：①總脫碳層深度隨加熱溫度升高逐漸增大，當(dāng)加熱溫度為1025℃時(shí)，總脫碳層深度達(dá)到最大，隨加熱溫度繼續(xù)升高，總脫碳層深度呈逐漸下降趨勢(shì)；②全脫碳層深度在770℃-900℃范圍內(nèi)變化較小，基本保持不變，當(dāng)加熱溫度高于900℃時(shí)，全脫碳層深度隨溫度升高逐漸降低，故全脫碳層深度的敏感溫度為770℃。

4.2 保溫時(shí)間對(duì)試驗(yàn)鋼脫碳的影響

試驗(yàn)鋼60Si2Mn在950℃加熱保溫不同時(shí)間的脫碳層深度及組織照片如表2和圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳層深度明顯增加。試驗(yàn)鋼在950℃下按工藝一保溫即出現(xiàn)了全脫碳層，說明該鋼種對(duì)脫碳較為敏感。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，全脫碳層和總脫碳層深度急速呈倍數(shù)增長(zhǎng)，且脫碳層中的鐵素體組織隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)越來越粗大密集。

圖1 試驗(yàn)鋼60Si2Mn在不同加熱溫度下的脫碳層深度

圖2試驗(yàn)鋼60Si2Mn在950℃加熱保溫不同時(shí)間下的脫碳層

4.3 試驗(yàn)結(jié)果的討論

試驗(yàn)鋼因硅元素含量較高，碳活度增加，碳擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力降低，脫碳敏感性較高[10]。當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，鋼表面的氧化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳原子的擴(kuò)散速度，脫碳速度大，故在低溫加熱區(qū)700℃到770℃脫碳幾乎全部是全脫碳層，而且全脫碳深度在770℃到900℃之間沒有明顯變化，因?yàn)樵跍囟鹊陀?00℃，鋼未完全奧氏體化，位于(γ+α)兩相區(qū)，碳的體積擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)，形成鐵素體全脫碳層，故全脫碳層在900℃時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，鋼內(nèi)部組織已完全奧氏體化，脫碳僅在表層進(jìn)行，在已經(jīng)形成的全脫碳接壤處的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w+鐵素體相，鐵素體沿著珠光體相界析出而成為網(wǎng)絡(luò)狀，全脫碳層變薄，半脫碳層變厚。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，氧化速度較快，鋼的表面形成了一層結(jié)構(gòu)比較疏松的氧化膜，此時(shí)碳還會(huì)與脫碳?xì)怏w繼續(xù)反應(yīng)，當(dāng)溫度超過某個(gè)值后，氧化速度將大于脫碳速度，脫碳層深度開始變小，故試驗(yàn)鋼60Si2Mn總脫碳層深度在1025℃附近存在峰值。

5 結(jié)論

通過研究試驗(yàn)鋼在不同加熱溫度和保溫時(shí)間下的脫碳行為，得出以下結(jié)論：

在相同的加熱溫度下，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)全脫碳、總脫碳層均增加顯著，在保溫較短時(shí)間即產(chǎn)生全脫碳。

在相同的保溫時(shí)間下，彈簧鋼60Si2Mn的全脫碳層深度在900℃出現(xiàn)最大值，總脫碳層深度隨溫度升高先增加后降低，其總脫碳層深度敏感溫度為1025℃。

Si可以提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散能力，從而增加脫碳敏感性。故為降低脫碳敏感性，在成分設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量采用低硅、低碳，同時(shí)添加鉻、鉬、釩等碳化物形成元素。

在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)快速通過低溫和高溫敏感區(qū)，并且盡可能降低加熱溫度，縮短保溫時(shí)間。太高的加熱溫度雖能一定程度上減輕脫碳，但會(huì)造成鋼坯氧化燒損嚴(yán)重，晶粒異常粗大，不利于最終線材成品性能，故加熱溫度最好不要超過1050℃。