有色金属科学与工程  2016, Vol. 7 Issue (5): 61-66
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罗迪强, 赖朝彬, 彭园龙, 谢飞鸣, 王艳林, 章庆. 51CrV4弹簧钢相变规律研究[J]. 有色金属科学与工程, 2016, 7(5): 61-66. DOI:10.13264/j.cnki.ysjikx.2016.05.011.
Luo Di-qiang, Lai Chao-bin, Peng Yuan-long, Xie Fei-ming, Wang Yan-lin, Zhang Qin. Phase transformations research on 51CrV4 spring steels[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2016, 7(5): 61-66.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjikx.2016.05.011.
51CrV4弹簧钢相变规律研究[PDF全文]
罗迪强1, 赖朝彬1 , 彭园龙1, 谢飞鸣2, 王艳林2, 章庆2    
1. 江西理工大学冶金与化学工程学院，江西 赣州 341000;
2. 方大特钢科技股份有限公司，江西 南昌 330012
基金项目：江西省科技支撑计划项目(20141BBE50002)
通信作者：赖朝彬(1964-)，男，博士，教授，从事新产品研发方面的研究，E-mail：lcb5115@126.com
收稿日期：2015-12-29
摘要：利用Gleeble-3800热模拟机研究了51CrV4弹簧钢过冷奥氏体连续转变规律，采用热膨胀法测定了其相变临界点，同时测定了51CrV4钢过冷奥氏体在不同冷却速度下连续转变时的膨胀曲线，绘制了其静态连续冷却转变(CCT)曲线。结合金相-显微硬度法，分析了不同冷却速度对51CrV4钢组织性能的影响。结果表明：冷却速度为0.5 ℃/s时，冷却转变的产物为铁素体和珠光体；当冷速增加，达到1 ℃/s后，贝氏体开始生成；马氏体转变冷速区间为2~30 ℃/s；当冷却速度超过12 ℃/s后，冷却产物只有马氏体。
关键词： 51CrV4弹簧钢    过冷奥氏体    CCT曲线    组织性能    
Phase transformations research on 51CrV4 spring steels
Luo Di-qiang1, Lai Chao-bin1 , Peng Yuan-long1, Xie Fei-ming2, Wang Yan-lin2, Zhang Qin2    
1. School of Metallurgical and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Fangda Special Steel Technology Co., Ltd., Nanchang 330012, China
Abstract: The static continuous cooling transformation (CCT) curves were measured using thermal expansion method, in a Gleeble-3800 thermo-mechanical simulator for 51CrV4 steel.The expansion curves of supercooled austenite during continuous cooling under different cooling rate were determined, simultaneously. With metallographic microhardness method, the effect of different cooling rate on microstructure and performance of 51CrV4 steel was analyzed. The results shows that, with the cooling at 0.5 ℃/s, the phases resulted from the cooling transformation are ferrite and pearlite. With the cooling rate at 1 ℃/s, the bainite is obtained. The cooling rate region for getting martensite is between 2 to 30 ℃/s. When cooling rate is up to 12 ℃/s, the product of the cooling transformation is only martensite.
Key words: 51CrV4 spring steel    supercooled austenite    CCT cures    microstructure performance    

弹簧钢是一种重要的机械设备基础零件制造材料，主要用于汽车、铁路车辆、轨道扣件、拖拉机、农用车等诸多领域[1-3]。其中，51CrV4弹簧钢是国内市场需求量较大的品种[4]之一。在弹簧钢的生产过程中，掌握弹簧钢热加工过程中的组织变化是研究弹簧钢采用控冷控轧工艺、实现晶粒细化的基础[5-6]，同时对于优化产品质量有着至关重要的作用。近年来，吴华林等[7]研究了Nb-V复合微合金化对60Si2CrVAT连续冷却转变过程的影响；崔娟等[8]针对控轧控冷工艺对弹簧钢60Si2MnA影响展开了相关试验工作；肖金福等[9]在不同变形温度对弹簧钢55SiCrA力学性能的影响做了有关分析。此外，众多国内外学者[10-14]也研究了不同的冷却速度对于55SiCr、60Si2Mn、65Mn等弹簧钢组织性能的影响。但关于51CrV4弹簧钢过冷奥氏体连续冷却转变研究的相关报道较少，对该牌号钢种轧制及热处理工艺提供的理论基础指导尚有不足。

鉴于此，本文以51CrV4弹簧钢为研究对象，通过在Gleeble-3800热模拟机上进行热膨胀试验，对完全奥氏体化后的51CrV4钢的组织演变规律进行研究，并绘制了其过冷奥氏体静态连续冷却转变(CCT)曲线，分析该曲线能够了解51CrV4钢种在不同冷却速度下开始相变的温度以及相变后组织。通过分析试样在不同冷却速度下的组织特征，研究51CrV4钢组织与性能之间的科学关系，为控轧控冷和热处理工艺提供理论指导与技术依据[6]。

1 实验 1.1 实验材料

试样取自某钢厂生产的51CrV4弹簧钢热轧态，其化学成分见表 1。在Gleeble-3800热模拟机上进行热膨胀试验，试样最终加工成长71 mm、直径6 mm的圆柱样，如图 1所示。

表1 51CrV4钢的化学成分/(质量分数，%) Table 1 Chemical composition of 51CrV4 steels/ (mass fraction, %)
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图 1 51CrV4钢热膨胀试验试样图 Fig. 1 Scheme of a sample for thermal expansion test of 51CrV4 steel

1.2 试验方法

本试验采用热膨胀法在Gleeble-3800热模拟机上测定51CrV4钢的静态连续冷却转变曲线。在过冷奥氏体冷却相变规律研究中，根据弹簧钢现场生产特点，设计热膨胀试验方案如图 2所示：在真空状态下，将51CrV4钢试样以10 ℃/s的加热速率加热到900 ℃，模拟奥氏体完全再结晶区域轧制，保温300 s，使其充分奥氏体化，然后以不同的冷却速率（0.5、0.8、1、2、3、5、7、10、12、15、20、25、30 ℃/s）冷却至室温。将冷却后的试样切割，用不同粒度的砂纸和抛光膏将试样打磨抛光后截取成金相试样，后用4 %硝酸酒精溶液腐蚀，采用莱卡DMILM型金相显微镜和ZEISS UITRA 55型扫描电子显微镜(SEM)观察组织形貌并拍摄图片，同时用FM700-ARS900全自动显微硬度计测定其在不同冷速下的硬度[15-17]。试验过程中记录时间-温度-膨胀量的关系，得到51CrV4钢试样的膨胀曲线，再结合试样的组织与硬度分析，绘制出51CrV4钢的静态CCT曲线图。

图 2 51CrV4钢连续冷却转变工艺 Fig. 2 Processes of continuous cooling transformation of 51CrV4 steel

2 结果与讨论 2.1 51CrV4相变临界点

51CrV4钢相变临界点测定按照《钢的临界点测定方法（膨胀法）》（YB/T 5127-93）[18]进行，测定结果为Ac3=831 ℃，Ac1=771 ℃；马氏体开始转变温度点Ms=323 ℃。

2.2 不同冷却速度下的显微组织

通过分析热模拟机测得51CrV4连续冷却转变试验的膨胀曲线，可以得出奥氏体转变产物的类型和转变开始及结束温度。51CrV4钢在不同冷却速度下的金相显微组织如图 3所示。从图 3(a)~(c)中可以看出，当冷却速度为0.5 ℃/s时，51CrV4钢的组织为珠光体（黑色部分）和少量铁素体（灰白部分）；当冷速为1 ℃/s时，贝氏体开始生成，铁素体含量逐渐减少。从图 3(d)可以看出，当冷速达到2 ℃/s时，开始生成马氏体组织，并且在此冷速之前，珠光体含量逐渐降低；冷速在1~12 ℃/s区间时，为贝氏体转变区，其中，在7 ℃/s时，贝氏体含量达到最大值，到达12 ℃/s后，贝氏体含量趋于微量；当冷速在12 ℃/s以上时（图 3(h)~(i)），组织全部转变为马氏体。

图 3 51CrV4钢不同冷却速度下的显微组织 Fig. 3 Microstructures of 51CrV4 steel at different cooling rates

图 4所示为51CrV4钢在不同冷却速度下扫描电镜(SEM)照片。通过SEM微观组织照片可知，在珠光体转变冷速区0.5~2 ℃/s（图 4(a)~(c)）内，随着冷速的增大，珠光体逐渐由粒状珠光体向片层状珠光体转变。在贝氏体转变冷速区，形成如图 4(d)所示羽毛状贝氏体。同时从图 5(e)、5(f)可以看出，冷却速度在12~30 ℃/s时，马氏体组织随着冷却速度的增大而细化，主要原因是因为随着冷速的增大，变形奥氏体的稳定性增强，推迟了相变的发生，使得奥氏体在较低温度下分解，从而得到细小的马氏体组织。

图 4 51CrV4钢微观组织形貌(SEM) Fig. 4 SEM of 51CrV4 steel

2.3 不同冷却速度下显微硬度

图 5所示为不同冷却速度下51CrV4钢试样的显微硬度值。由图 5中可知，随着冷却速度的增加，51CrV4钢组织的硬度也增加。室温下，铁素体组织是体心立方结构，奥氏体是面心立方结构，铁素体组织的强度、硬度高于奥氏体，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，强度和硬度又高于铁素体组织，贝氏体是介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变产物，其强度、硬度高于珠光体，低于马氏体组织[19]。当冷速由0.5 ℃/s增加到1 ℃/s时，组织的硬度由351 HV增加到394 HV。冷速由2 ℃/s增加到5 ℃/s时，组织硬度显著增加，这是由于发生了中温贝氏体转变。贝氏体转变属于半扩散型相变，当冷速加快至贝氏体转变区时，组织中的碳来不及扩散，导致固溶在奥氏体中的碳含量增加，使得组织转变成贝氏体时，显微硬度增加明显。在冷速为12 ℃/s时，组织硬度达到738 HV；冷速大于12 ℃/s后，51CrV4钢的组织硬度值变化趋于平缓，这是由于该冷速范围内组织已完全转变为马氏体；当冷速达到30 ℃/s时，组织的硬度最大为808 HV。各冷速下的硬度值均在300 HV以上。

图 5 51CrV4钢不同冷却速度下的硬度 Fig. 5 Hardness of 51CrV4 steel at different cooling rates

2.4 CCT曲线的绘制

根据YB/T 5128-93《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法（膨胀法）》，结合Gleeble-3800测定的热膨胀曲线，应用Origin8.5软件，将试验测得各个相变点温度和维氏硬度添加到连续冷却转变曲线上，将相变点用一条光滑的曲线连接，并标上Ac1和Ac3以及Ms，在相应的区间标注出组织名称，即可得到51CrV4钢的CCT曲线，如图 6所示。图 6中，每条冷却曲线下方的数字表示的是其对应的冷却速度和组织硬度。

图 6 51CrV4钢连续冷却转变曲线 Fig. 6 Continuous cooling transformation curves of 51CrV4 steel

由图 6可知，在900 ℃下模拟轧制工艺后，作为亚共析钢，51CrV4钢的CCT曲线上存在铁素体析出区、珠光体转变区、贝氏体转变区和马氏体转变区。51CrV4钢在0.5~30 ℃/s的冷速范围内的相变产物为铁素体(F)、珠光体(P)、贝氏体(B)和马氏体(M)。随着冷却速度的增加，奥氏体分解的过冷度增加，相变结束点下移。扩散型铁素体转变受到合金元素的影响，只有在冷速很低时析出。珠光体转变温度在643~707 ℃左右，半扩散型贝氏体转变温度在470~589 ℃左右，随着冷速增加转变温度逐渐降低。当冷速达到2 ℃/s时，出现马氏体组织，此时显微硬度明显增加。当冷速大于12 ℃/s后，组织全部为马氏体，非扩散型马氏体转变开始温度在323 ℃，最终显微硬度达到808 HV。表 2所示为不同冷却速度下51CrV4钢的相变温度及维氏硬度表。

表2 不同冷却速度下51CrV4钢的相变温度及维氏硬度 Table 2 Phase-transition temperature and Vickers hardness of 51CrV4 steel at different cooling rates
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结合现场产品实际情况，图 7所示为51CrV4钢的热轧态原始组织，从图中可以看出，其原始组织包括占多数的珠光体和铁素体。因此在实际生产51CrV4弹簧钢时，为了得到强韧性高、性能优良、珠光体含量较高的产品，热轧过后应该采用缓冷措施，如在热轧后的产品上方加保温罩等。

图 7 51CrV4钢的原始组织 Fig. 7 Original microstructure of 51CrV4 steel

3 结论

1) 51CrV4钢相变临界点Ac3=831 ℃，Ac1=771 ℃；马氏体开始转变温度点Ms=323 ℃；

2) 51CrV4钢连续冷却转变曲线上存在铁素体析出区、珠光体转变区、贝氏体转变区及马氏体转变区。其中，珠光体的转变温度区为643~707 ℃。各冷速下的硬度值均在300 HV以上，组织的硬度最大值为808 HV；

3) 在实际生产51CrV4弹簧钢时，应该采用缓冷措施，以便得到强韧性高、性能优良、珠光体含量较高的产品。

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