铌微合金化2000MPa级高强度弹簧钢研究

摘要

近年来，高速铁路得到了快速发展，设计时速已高达400Km/h。为了保证列车安全、舒适运行，设计者对弹簧材料提出了更高的性能要求。因此，高强度弹簧钢材料的研究越来越得到重视。研究证实，采用铌微合金化结合控制轧制技术可有效提高钢的强度及韧性，然而，当前关于铌微合金化技术的研究主要集中在低碳钢领域，对含铌中高碳钢研究的公开报道还很少，导致工业生产缺少必要的理论基础。
　　本文以现有的60Si2CrVAT弹簧钢为基础研究对象，采用单双道次压缩实验、应力松弛实验、透射电镜观察、材料性能测试等实验方法研究了Nb元素对60Si2CrVAT弹簧钢相变特征、脱碳敏感性、组织与性能、再结晶行为、碳化物析出动力学、晶粒粗化温度等材料特性的影响。另外，本文还采用Thermo-Calc热力学计算及实验研究了含铌高强度弹簧钢铸态组织中铌偏聚行为及碳化物溶解行为。
　　结果表明，添加微量Nb元素在一定程度上改变了60Si2CrVAT弹簧钢的相变特征。与不含Nb弹簧钢相比，含Nb钢CCT曲线向下方移动；在冷却速率相同的条件下，铁素体、珠光体转变温度被推迟约15℃；Nb元素对马氏体转变影响不大；Nb元素显著降低珠光体片层间距；在冷却速度为1℃/s时，珠光体片层间距由209nm被细化至198nm；当冷却速度为2℃/s时，珠光体片层间距由194nm细化至179nm；Nb元素改变了珠光体形貌，使渗碳体片界面呈现弯曲，断续状态。Nb元素对60Si2CrVAT钢组织与性能有显著影响，含Nb钢具有精细的热轧态组织及淬火回火组织，最终表现出较高的强度及塑性，其中，含Nb弹簧钢抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、冲击功分别达到2024MPa、1815 MPa、12％、38%、33J，与不含Nb钢相比较，分别提高了约100MPa、90 MPa、2.5%、7.5%、18J。实验钢的疲劳极限σ-1为775MPa。与其它高强度弹簧钢相比，含 Nb钢产品具有较高的强度与韧性，疲劳极限与D701、ND120S相近。另外，实验钢在高应力条件下，疲劳断裂首先起源于表面缺陷；在低应力条件下，疲劳断裂起源于近表面存在的非金属夹杂物。
　　研究结果还表明，Nb元素对提高60Si2CrVAT钢的抗表面脱碳能力有利。在相同加热条件下，含Nb钢的脱碳层深度要小于不含Nb钢。主要原因为Nb降低了碳原子在奥氏体中活度和扩散系数，增大了碳原子扩散激活能，进而提高了抗表面脱碳能力。实验钢的脱碳层深度随加热温度、加热时间的提高而逐渐增加。另外，实验钢的脱碳敏感性较强的温度区间为950~1000℃。Nb元素对60Si2CrVAT弹簧钢动态再结晶、静态再结晶行为有明显的抑制作用。采用峰值应力法计算了含Nb钢与不含Nb钢的动态再结晶激活能分别为354.27KJ/mol、319.56KJ/mol。含Nb钢的激活能大于不含Nb钢34.71 KJ/mol。铌微合金化高强度弹簧钢的PTT曲线是一种C型曲线，鼻子端温度为900℃。通过对比分析发现，实验钢碳化物析出开始时间要慢于低碳钢，主要是由于实验钢含有较高的C含量及其它合金元素，最终导致Nb活度被降低。透射电镜观察证实应力松弛实验结果的正确性。另外，在当前变形温度范围内，析出物均为含C、Nb、V及Ti的复合碳化物，其中，碳化物主体为（Nb、V）C，还含有微量TiC。在900℃以下，析出物呈弥散分布，在950℃以上，析出物呈带状分布在位错、晶界等晶体缺陷位置。
　　此外，结果还表明，铌微合金化高强度弹簧钢的奥氏体晶粒粗化温度为1050℃，添加Nb使钢的晶粒粗化温度提高约50℃。热力学计算结果表明，含Nb弹簧钢中的C、Nb含量对Nb偏析有着重要影响，Nb偏析程度随着C、Nb含量的增加而不断提高。实验结果与热力学计算结果一致，铸态组织中的含Nb析出物呈现粗大条状及不规则形状，宽度大约1~3μm，长度大约2~40μm；基体中存在两个明显的析出物聚集区，一个聚集区在晶界位置，经分析主要为Nb、V、Ti的碳氮化物；另一个聚集区随机分布在基体中，经分析，该区域的析出物可能是Fe2Nb共晶体。加热实验表明，含Nb碳化物随加热温度升高而逐渐溶解，但在1250℃时仍不能完全溶解。
　　根据研究结果，本文提出了一种铌微合金化高强度弹簧钢的工业生产方案。经实践，工业生产方案合理、可行，产品具有精细组织及优良的综合力学性能。其中抗拉强度平均值为1996.9MPa；屈服强度平均值为1791.7MPa；延伸率为9.9%；断面收缩率为34.9%；将结果与实验室钢的性能相比，工业产品性能要略低于实验室数据，其中，抗拉强度低约30 MPa；屈服强度低20MPa；延伸率低2%；断面收缩率低3%。结合拉伸断口分析、偏析斑形貌、显微硬度分析、元素EPMA分析，主要原因为：凝固过程中存在元素偏析，导致轧材心部组织硬度偏高，其中强度较低样品的硬度差值更大，导致其协调变形能力变差，在拉伸受力过程中更易产生应力集中，从而出现微裂纹，降低了材料强度与塑性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题意义

1.2 弹簧钢概述

1.3 微合金化技术研究与发展

1.4 主要研究内容及意义

第二章 实验方法

2.1 实验方法与材料

2.2 Gleeble热模拟试验

2.3 性能测试

2.4 显微组织检验

2.5 化学成分分析

2.6 Thermo-Calc热力学计算软件

2.7 非金属夹杂物分析

第三章 铌微合金化对60Si2CrVAT钢组织与性能影响

3.1 铌微合金化对相变规律影响

3.2 铌微合金化对热处理组织与性能影响

3.3 铌微合金化对表面脱碳影响

3.4 铌微合金化对疲劳性能影响

3.5 本章小结

第四章 铌微合金化高强度弹簧钢基础特性

4.1 动态再结晶行为

4.2 静态再结晶行为

4.3碳化物析出动力学研究

4.4 奥氏体晶粒粗化温度

4.5本章小结

第五章 铌微合金化高强度弹簧钢工业生产关键技术研究

5.1 Nb偏析热力学计算

5.2含铌弹簧钢铸态组织中析出物形貌分析

5.3加热过程中析出物溶解行为

5.4本章小结

第六章 铌微合金化高强度弹簧钢工业生产

6.1 关键工艺

6.2 产品质量分析与讨论

6.3 本章小结

第七章 主要结论及创新点

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

参考文献

博士期间发表的论文及其它科研成果

致谢