幾種高速列車用彈簧鋼的耐寒性能研究

公衍軍，楊東曉，霍艷霞，李 鵬，呂士勇

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266109；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

彈簧裝置是鐵路機(jī)車車輛的重要部件，能夠緩和沖擊，使車輛運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)保障火車安全運(yùn)行起到極其重要的作用[1]。鐵路車輛用彈簧鋼需有非常高的強(qiáng)度、剛度、疲勞極限以及一定的塑性和韌性[2]。我國地域廣闊，北方冬天溫度很低。低溫環(huán)境下金屬脆性增加，抗沖擊能力減弱。衛(wèi)廣智等[3，4]研究了51CrV4在-60℃-0℃范圍內(nèi)的低溫脆性，結(jié)果表明沖擊功會(huì)隨著溫度下降而有所降低，但沖擊功仍保持較高水平，沒有發(fā)生脆性斷裂。然而，此前關(guān)于其他彈簧鋼材料及幾種彈簧鋼材料低溫性能的對(duì)比研究并未見公開報(bào)導(dǎo)。

本文就目前高速列車使用的比較成熟和用量較大的60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4四種彈簧鋼材料，分析其熱處理工藝、室溫及低溫力學(xué)性能，以期選取低溫條件下最優(yōu)質(zhì)彈簧鋼材料。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用高速列車用4種彈簧鋼60Si2MnAT、60Si2CrVAT、51CrV4、52CrMoV4。采用真空感應(yīng)熔煉工藝分別制備出四種試驗(yàn)用鋼，鑄錠經(jīng)1100℃保溫2h。分別鍛造成Φ60mm、Φ30mm、Φ42mm和Φ57mm的棒料。材料的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 四種彈簧鋼材料的化學(xué)成分

2 四種材料熱處理制度研究

為了研究淬火溫度同材料固溶程度的關(guān)系，以51CrV4材料為例，選擇在800℃、850℃、900℃下分別保溫1小時(shí)后油冷淬火，進(jìn)行顯微組織觀察，其掃描電鏡形貌如圖1所示。圖1（a）為800℃淬火時(shí)的組織形貌，組織中除馬氏體基體外，存在大量的未溶碳化物。圖1（b）為850℃淬火時(shí)的組織形貌，為全馬氏體組織，說明在奧氏體化過程中，碳化物基本全部溶入奧氏體，只存在極少量的未溶碳化物。圖1（c）為900℃淬火時(shí)的組織形貌，與850℃淬火時(shí)的組織形貌相同。結(jié)合材料的奧氏體晶粒長大趨勢，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的淬火溫度在上述范圍之內(nèi)。因此，四種材料的淬火溫度按照標(biāo)準(zhǔn)選定，即：51CrV4為850℃，52CrMoV4為860℃，60Si2CrVAT為850℃，60Si2MnAT為870℃。

圖1 51CrV4材料不同淬火溫度下的淬火態(tài)顯微組織：（a）800℃（b）850℃（c）900℃

對(duì)于淬火回火鋼而言，回火溫度是決定材料最終性能的關(guān)鍵因素。本部分以51CrV4為例，研究其回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響。取樣在850℃保溫1h油冷淬火后，分別在310℃、360℃、410℃、440℃、460℃、480℃和510℃保溫2小時(shí)后空冷回火，力學(xué)性能隨回火溫度的變化情況如圖2所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，強(qiáng)度、硬度隨回火溫度的升高而逐漸降低，沖擊值隨回火溫度的升高而增加。在410℃～460℃之間，51CrV4材料的沖擊功、硬度、拉伸性能均較為理想。用上述同樣的方法對(duì)四種材料熱處理—性能關(guān)系進(jìn)行研究，確定了四種材料最佳的熱處理制度如表2所示。

表2 四種彈簧鋼最佳熱處理制度

圖2 51CrV4材料不同回火溫度下的性能

3 四種材料熱處理后的室溫及低溫力學(xué)性能

3.1 室溫力學(xué)性能對(duì)比

按照上述表2所列的最佳熱處理制度，對(duì)四種材料熱處理后檢驗(yàn)其室溫拉伸及沖擊性能，如表3所示。從表中可以看出抗拉強(qiáng)度由大到小依次為：60Si2CrVAT＞52CrMoV4＞51CrV4＞60Si2MnAT；室溫沖擊性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。

表3 四種鋼彈簧材料的室溫力學(xué)性能

3.2 低溫拉伸性能對(duì)比

對(duì)四種材料熱處理后檢驗(yàn)其室溫、-20、-40、-60℃下的拉伸性能，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的變化趨勢如圖3所示。隨試驗(yàn)溫度的降低，材料的強(qiáng)度略有升高，延伸率和斷面收縮率也略有降低，但幅度都很小，可見低溫環(huán)境對(duì)材料的拉伸性能影響不大。

圖3 屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的變化趨勢

3.3 低溫沖擊性能對(duì)比

對(duì)四種材料熱處理后檢驗(yàn)其室溫、-20、-40、-60℃下的沖擊性能，沖擊試樣采用V型缺口。結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，51CrV4材料有最佳的低溫沖擊性能，在-80℃以上時(shí)沖擊功均可達(dá)到10J以上，在-100℃時(shí)的沖擊功仍有9.7J。室溫及低溫沖擊性能由大到小依次是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。隨著測試溫度的變化，四種材料的沖擊功逐漸下降。圖4為四種材料的沖擊功隨溫度變化示意圖。

表4 四種彈簧鋼材料從室溫至-60℃的沖擊性能

圖4 四種彈簧鋼材料不同溫度下的沖擊性能對(duì)比

4 結(jié)語

（1）室溫下，抗拉強(qiáng)度由大到小依次為：60Si2CrVAT＞52CrMoV4＞51CrV4＞60Si2MnAT；室溫沖擊性能由大到小依 次 是：51CrV4＞52CrMoV4＞60Si2MnAT＞60Si2CrVAT。60Si2CrVAT 的拉伸性能最優(yōu)，51CrV4的沖擊性能最優(yōu)。

（2）隨著溫度的降低，對(duì)材料的拉伸性能影響不大，而沖擊性能則逐漸下降。沖擊方面，51CrV4材料有著最佳的室溫及低溫沖擊性能，在-80℃以上的沖擊功均在10J以上。而強(qiáng)度最高的60Si2CrVAT材料其沖擊性能低于其他三種材料。

（3）經(jīng)查閱文獻(xiàn)及本文研究，51CrV4表現(xiàn)出較強(qiáng)的綜合性能，其中低溫性能最為優(yōu)異。因此，建議在嚴(yán)寒地區(qū)、晝夜及季節(jié)溫差較大地區(qū)的彈簧材料應(yīng)首選51CrV4材料。