弹簧钢及金相分析（三）

      弹簧钢及金相分析—预强化弹簧钢丝及金相分析
      1、铅浴等温淬火冷拉钢丝的金相组织
      弹簧钢丝是制作螺旋弹簧的常用材料，其经过等温淬火及冷拉加工，便具有很高的强度。弹簧钢钢盘条坯在采用直接通电等方法加热并奥氏体化后，在500℃~550℃的铅浴或盐浴（尽管铅浴有毒被逐渐淘汰，但仍有使用并习惯称铅浴淬火）中经等温分解成索氏体，然后经过多次冷拔，变形量达80%~90%后至所需直径。通过调整钢中的含碳量及冷拉时的压缩量可以得到相应理想的力学性能。它的定形程度高，加工性能好，表面质量好，适用于中小尺寸的弹簧或要求不高的大弹簧（如沙发弹簧）。用这类钢丝冷卷呈弹簧后，不需经过淬火回火处理，只需进行一次200℃~300℃除应力回火，以消除绕制成型时产生的内应力，使弹簧定型。
      钢丝经铅浴等温淬火后的金相组织是极细片状珠光体（即索氏体），它是由片状珠光体和片层状渗碳体所构成，类似一种复合材料。铁素体的抗拉强度相当低（不到600MPa）；而渗碳体的抗拉强度很高（可达8000MPa）。这表明两相（α和Fe3C）应变能有很大差别，即铁素体容易发生塑性变形，拉拔时主要是在铁素体内进行，而渗碳体性脆，塑性变形能力很差，拉拔时容易断裂。还应指出，由于钢中含碳量及合金元素的不同，以及热处理工艺参数波动等因素的影响，在钢丝中还可能出现先共析铁素体或上贝氏体，甚至出现脆性相—马氏体等不良组织。它们也会影响钢的冷拔变形过程，因而影响钢丝的力学性能。经过深度冷拔后钢的组织一般呈纤维状，位错密度由原来的10^7~10^8根/cm2增加到10^11~10^12根/cm2，但位错的分布仍然很不均匀。钢丝的抗拉强度增量与位错密度成正比，因此，冷拔强化主要是位错强化的结果。冷拔弹簧钢丝的位错亚结构呈平行排列的黑色条带状。应变主要在白色条带（铁素体）内进行；渗碳体在冷拉时产生断裂，经多次冷变形后热处理逐步变成球状，它们主要分布在黑白条带之间的区域内。另一方面，在白色条带边际处的位错密度远高于内部，即在黑色条带内部或附近堆积了许多位错，形成了泡状位错亚结构。这些区域的应力集中非常显著，其应变量越大，则位错亚结构中的位错密度越高，因而使黑色条带变宽，这表示其应力集中程度越大。显然，冷拔钢丝的内能大，它处于一种不稳定的组织状态，在环境温度或在内应力和温度的共同作用下，这种不稳定的位错亚结构将向比较稳定的状态转变，即向内能较低的（或可动位错密度较低）状态转变，这也是这类钢弹性减退的主要原因。
      这种钢丝的组织为黑白相间的纤维状流线，轴线分布，见图1。

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图1 冷拉等温淬火弹簧钢丝纵截面上的纤维状组织 500X

      2、淬油强化的弹簧钢丝的金相组织
      钢材先经冷拉至规定尺寸后，进行油淬火及回火处理，使钢丝得到强化。这类钢丝残余应力较小，性能比较均匀一致，绕制好弹簧尺寸较易控制，适于制造精度要求较高的弹簧和各种动力机械的阀门弹簧、柴油发动机的喷油嘴弹簧、油泵柱塞弹簧等。弹簧绕制后也只需要进行消除应力回火。
      油淬火回火金相组织为回火托氏体与颗粒状碳化物均匀分布，见图2。

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图2 油淬火回火后冷拉弹簧钢丝金相组织

      3、形变热处理钢丝及金相组织
形变热处理是将奥氏体化后的钢在奥氏体状态下进行形变，在来不及再结晶或冷却分解条件下，立即淬火，以便使形变和淬火紧密结合的一种热处理工艺。形变热处理可以同时发挥形变强化和热处理强化的作用，获得单一强化方式所达不到的综合力学性能。根据奥氏体预先塑性变形温度的不同，可将形变热处理分为稳定奥氏体形变热处理和亚稳定奥氏体形变热处理（低温热机械处理）。
      这类钢丝在约900℃~950℃加热并立即于油中淬火的形变热处理工艺淬硬，然后在650℃快速进行回火。通过形变热处理该类钢丝力学性能高，强度比油淬钢丝高出160MPa~500MPa，韧性尤佳。经形变热处理油淬火磨光钢丝通常应用于刚度大、应力高，要求具有一定疲劳寿命和工作温度的弹簧，该类钢丝的金相组织一般为托氏体+颗粒状碳化物。