SK5弹簧钢薄带的工艺及热处理研究摘要：回火通常可分为三种，即低温回火、中温回火和高温回火，三种回火温度、回火后组织及其性能、主要适用对象如下表所示。
一般弹簧钢的热处理工艺是淬火+中温回火处理,可以获得回火屈氏体,在保证获得良好的弹性极限基础上,还具有良好的韧性和塑性,如85钢,其规范的回火工艺是380℃~440℃。
回火保温时间的选择应尽量保证工件各部分温度均匀，同时保证组织转变充分，并尽可能降低或消除内应力。
回火过程一般在最初0.5h内硬度变化很剧烈，超过2h后，硬度变化很小，因此，一般弹簧钢回火时间均为1~2h。
[1]将淬火后的试样分别在150℃、200℃、250℃、300℃、350℃下进行回火处理，比对金相进行分析；测量硬度值；进行拉伸试验，记录断面收缩率、拉伸率、最大拉伸力等数据；进行试验，记录最大力、最大弯曲强度、弯曲弹性模量等数据。
相关研究发现，抗拉强度与硬度随着回火温度的上升而下降,不同温度阶段的下降趋势不同;断面收缩率在不同的温度范围里有不同的变化趋势。
弹簧钢最重要的性能要求是良好的弹性极限和硬度，通常硬度很高时，断面收缩率会较低，此时的回火温度并不合适，应该选取回火时强度和韧性都较好的回火温度。
关键词：SK5弹簧；热处理；回火温度引言弹簧在生产中的主要功能是吸收冲击能量及缓和振动。
弹簧钢在工业设备、机械零件、铁路、汽车、发动机等行业当中应用非常广泛。
[1]随着我国现代工业能力的增强、汽车、铁路工业稳步发展，工业设备向着载荷量大、运行速度高的方向发展，机械零件承受这越来越高的载荷和频率。
这些现实的需求，要求弹簧钢具备良好的力学性能（高弹性极限σE、屈服极限σs和屈强比σ0.2/σb）、极佳的抗疲劳性能、淬透性，以及优异的物理和化学性能(耐热性、耐腐蚀性、抗氧化性等)。
目前，国内外弹簧钢的研究集中在提升弹簧钢的强度和使用寿命上，主要研究合金成分、组织形态、生产工艺、热处理等问题[2]。
其中热处理工艺研究集中在退火、淬火、回火、淬透性、脱碳等方面，目前比较热点的研究方向是优化现有的热处理工艺（如采用Q-I-Q-T工艺和淬火-分配工艺），同时应用形变热处理、感应热处理和在线热处理等新技术来达到超高强度。
目前，国外的形变热处理和感应热处理工艺已经应用于实际生产中，在线热处理工艺也正在研究和开发中。
[2]弹簧钢种类多样，成分组成各不相同。
本文所研究的SK5钢是一种汽车用弹簧钢，是一种日标高级碳素工具钢。
该钢用等温淬火代替传统的调质，将材料的组织转变为贝氏体组织而不是马氏体组织，可以提高钢的塑性和韧性同时具有较高的硬度和耐磨性,易于球状化。
SK5钢主要用于制造各种较小尺寸的扁簧、圆簧和弹簧，如调压调速弹簧和测力弹簧，以及弹簧环、气门弹簧、离合器弹簧、制动弹簧等。
由SK5钢制备成薄带，再经过热处理，可获得高强度、高硬度合金带材，但在热处理和变形过程中存在晶粒粗化、脱碳、带状组织等问题。
现有的研究并没有总结出一套SK5弹簧钢的最佳热处理方案，也没有解决轧制、淬火后严重脱碳的问题，因此，需要通过研究热处理温度、时间、气氛等，探索获得高强度、高硬度带材的方法。
本课题拟进行下述研究：(1)SK5钢带变形工艺的研究，包括热轧、退火和冷轧对材料微观结构和组织性能的影响；（2）SK5钢带热处理制度研究，包括淬火、回火处理，金相组织、断口扫描，硬度和拉伸力学性能等。
国内外弹簧钢生产状况国内弹簧钢生产状况新中国成立以来，我国的弹簧钢生产水平不断提高，技术上也取得了长足的进步。
上海五钢、兴澄特钢、太钢、东北特钢等企业进入新世纪之后发展迅速，自主完善了几条弹簧钢生产线，采用的工艺流程为：电炉→精炼（LF）→真空脱气（VD）→连铸→连轧。
[2]但是，我国弹簧钢生产还存在以下几个方面的问题：①价格缺乏市场竞争力；②脱碳工艺、表面缺陷控制技术与先进水平有差距；③材料均匀性不佳。
[3]国外弹簧钢生产状况弹簧钢在国外有着悠久的发展历史，在生产设备、工艺水平、质量控制等方面都优于中国。
日本大同特钢采用ULO（超低氧处理）技术生产的SUP6弹簧钢具有较好的力学性能和很高的疲劳极限。
巴西的Ipanema公司使用真空脱氧脱硫(VRSO)技术生产的弹簧钢，纯净度高于真空脱气(VD)并且夹杂物含量大幅减少。
[4]撒斯特公司是全球最大的汽车安全带弹簧钢生产商，占有全球约60%的市场份额；在我国更是占据80%以上市场，为一汽大众、上汽通用、上汽大众等厂商提供弹簧钢。
日本的安全带卷簧用SUP6、SK5弹簧钢产量也很高，并且大量出口海外。
[5]表1.2是中日用于制造安全带卷簧的弹簧钢成分对照表。
由表可知，日本的Super6和SK5与中国的60Si2Mn 和T8Mn成分相似。
弹簧钢的热处理工艺热处理是将钢在固态下加热到预定的温度并且保温一段时间然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。
其目的是改变钢的内部结构以提高其性能，适当的热处理工艺可以显著提高弹簧钢的力学性能，延长其使用寿命。
[1]弹簧钢常见的热处理方法（1）淬火-回火（Q&T）工艺弹簧钢运用的热处理工艺通常是淬火+中温回火（350℃～500℃），淬火得到马氏体后再中温回火后得到回火托氏体，此时工件的淬火应力基本消失。
因此，钢在热处理后具有较高的弹性极限的同时，还具有较高的强度和硬度以及良好的塑性和韧性。
但是弹簧钢经此热处理后的抗拉强度虽然很高，但延伸率较低，无法满足弹簧钢强韧性综合性能的需求[6]。
（2）等温淬火工艺等温淬火是将奥氏体化的钢件淬入温度稍高于Ms点的盐浴中等温，保持足够长时间，使之转变成为贝氏体组织，然后取出空冷的淬火工艺。
SK5钢有时进行等温淬火，一般为快冷到350℃以下在盐溶液中等温一段时间，淬火后组织为下贝氏体。
下贝氏体中铁素体针细小，分布均匀，大量细小、弥散的碳化物在铁素体内沉淀，使得下贝氏体强度高而且韧性好，具有良好的综合力学性能。
与马氏体相比，下贝氏体的韧性较好，而强度和硬度稍低[1]。
Tu,Meng-Yin、Hsu,Cheng-An、Wang,Wen-Hsiung、Hsu,Yung-Fu等人研究了SK5钢下贝氏体和回火马氏体的组织和力学性能，结果发现下贝氏体的韧性和塑性优于回火马氏体，但由于下贝氏体层比回火马氏体大，导致下贝氏体屈服强度较低。
研究还发现下贝氏体断口为穿晶解理，与回火马氏体断口不同，回火马氏体发生回火马氏体相变（TME），以沿晶断裂为主[7]。
对于SK5钢等温淬火的工件，有时不需要回火处理。
然而，对于某些贝氏体淬火工件，在后续的冷却过程中，工件中的残余奥氏体会转变为马氏体，因此必须进行回火处理，以消除脆性，稳定尺寸，但回火温度应低于等温温度。
（3）淬火-分配（Q&P）热处理工艺淬火和分配（QuenchingandPartitioning，Q&P）热处理由Speer和同事在21世纪初开发，目标是淬火后形成多相结构（而不是完全马氏体结构），从而在低合金钢中实现硬度和塑性的最佳组合。
Q&P包括四个阶段：（1）奥氏体化；（2）在Ms 点和Mf点之间的温度下中淬火，形成马氏体和未转变的残留奥氏体；（3）在高于Ms的温度下保持以将碳从马氏体分配到奥氏体；（4）最终冷却。
这种处理使得碳由过饱和马氏体向未发生转变的残余奥氏体内转移，与常规淬火方法相比奥氏体中碳含量较高且富碳的残留奥氏体也能够稳定至室温，进而形成残余奥氏体和马氏体的多相组织。
[8,9]如图1.1所示QT和PT分别表示初始淬火温度和碳的分配温度。
C i、Cγ和C m分别表示原始材料、奥氏体和马氏体中的含碳量。
[9]图1.1淬火一分配工艺及其组织变化示意图[10]与传统的Q&T工艺相比，Q&P工艺的优点是通过控制残留奥氏体的含量使材料在获得高强度的同时也具有较好的塑性和韧性，因此Q&P处理常用于低碳钢轧制薄板。
[11]（4）淬火-等温-淬火-回火工艺Q-I-Q-T（Quenching-Isthothermal-Quenching-Temperature）工艺，也称两步等温淬火工艺，由柳州大学梁教授提出，它是由Q&P或Q-P-T两部分组成的。
Q-I-Q-T工艺由四个步骤组成，（1）材料在Ac3以上保温一段时间使其完全奥氏体化，（2）快速冷却到Ms-Mf之间的某一温度进行短时淬火，一般在10-20s（第一次淬火），（3）再次在Ms点附近或者以上温度（高于第一淬火步骤）下等温一段时间（等温步骤），（4）最后进行回火处理。
[12]研究表明，经Q-I-Q-T处理后的弹簧钢组织是马氏体、残余奥氏体和贝氏体的复相组织；任涛，梁益龙等人研究发现经此工艺处理的60Si2CrVA弹簧钢在300℃等温回火后，显微组织为马氏体、贝氏体及少量薄膜状残余奥氏体，其断裂韧性可达到66.37MPa·m1/2，研究还发现热处理后组织中含有的较多的稳定残留奥氏体与过渡形态的贝氏体是提高断裂韧性的关键。
[13,14]（5）弹簧钢球化退火的研究塑性加工后的材料中存在大量的内应力和不均匀组织，直接淬火很易导致开裂，影响产品质量。
因此，在淬火前需要对弹簧钢进行球化退火处理，消除内应力，并作为最终热处理前的预备热处理，避免最终热处理过程中工件的变形和开裂。
球化退火的目的将钢中片状或网状的碳化物转变成球状或粒状，得到铁素体基体上分布着粒状碳化物的显微组织；减轻应力集中；降低材料的硬度，有效地改善材料的机加工性能。
过共析钢的球化退火工艺一般为Ac1+20～30℃加热→保温→缓冷。
球化退火一般可分为三种，其工艺流程及优缺点如表1.3所示。
郭玉松等人研究了50CrVA的球化退火工艺[15]，确定了最佳退火工艺为780℃保温100min+720℃保温200min，再炉冷至600℃，最后空冷至室温。
TaeKwonHa，ChangHoonLee,KiSooKim研究了SK85高碳钢渗碳体的球化行为，他们通过适当的热处理，获得了细小和粗糙的珠光体组织。
SK85钢热轧板在800℃奥氏体化2小时后，分别在570℃和670℃盐浴中获得细珠光体组织和粗珠光体组织。
随后对压下率从0.2到0.4的试样进行了冷轧。
在亚临界温度600℃和720℃下进行了1～32h的球化热处理，研究了初始组织、热处理温度和冷压下率对渗碳体球化速率的影响。
球化过程包括渗碳板破碎、渗碳板球化和连续粗化。
其结果表明进行球状退火，无论冷轧率如何，随着热处理时间的增加，晶粒都会发生球化，但是，冷轧率越大，则球化效果越明显。
[16]弹簧钢淬火的研究北京科技大学的崔娟、刘雅政等人进行了弹簧钢奥氏体粗化温度和热处理正交试验，指出弹簧钢60Si2MnA在950℃保温20min,随后冷却到880℃出炉油淬得到的综合力学性能最好。
