圖 1不同冷拔變形量下冷拔態試驗鋼絲的OM和SEM形貌
Figure 1.OM (a–c) and SEM (d–f) morphology of cold-drawn test steel under different cold drawing deformations
0. 引言
彈簧鋼絲是制造各種彈簧的主要原材料，常見的有55SiCr彈簧鋼絲、55SiCrV彈簧鋼絲、60Si2Mn彈簧鋼絲等[1-2]。其中55SiCr彈簧鋼絲因具有較高的硬度、彈性和疲勞強度，在非腐蝕耐熱環境以及需要承受重負荷且頻繁變形的部件[3-4]，如發動機氣門、高端離合器等部件上得到了廣泛應用。彈簧鋼絲通常采用“表面預處理—拉拔成形—熱處理—表面強化后處理”工藝制備[5]，根據彈簧服役要求，應具有較高的綜合力學性能，尤其是強度和扭轉性能等。
生產工藝對彈簧鋼絲的性能影響顯著：拉拔、軋制等工藝可以顯著提高彈簧鋼絲的屈服強度和抗拉強度；合理的熱處理工藝有助于彈簧鋼絲保持良好的韌性和抗疲勞強度[6-7]；熱處理后進行噴丸處理可以強化表面，細化晶粒[8]。林傳超等[9]研究發現，460℃感應回火工藝處理后的淬火態55SiCr彈簧鋼絲的抗拉強度達到1936MPa，斷面收縮率高達59%。王秀俊等[5]研究發現，拉拔后直徑12.6mm的55SiCr彈簧鋼絲在1010℃淬火+460℃回火后，其抗拉強度可達到2010MPa，斷面收縮率為48%。目前，鮮見冷拔結合熱處理對彈簧鋼絲組織及力學性能影響的研究。作者對55SiCr彈簧鋼絲進行不同變形量冷拔以及920℃油淬和435℃回火處理，研究了不同冷拔變形量下冷拔態和回火態顯微組織及力學性能，以期為55SiCr彈簧鋼絲的生產工藝優化提供理論支撐。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為長度10cm、直徑5.50mm的55SiCr彈簧鋼絲，由國內某鋼廠提供，化學成分（質量分數/%）為0.55C，1.50Si，0.75Mn，0.008P，0.003S，0.67Cr。
對試驗鋼絲表面進行噴丸及電解磷化處理，采用LZ-560型直進式拉絲機粗拉至線直徑為5.00mm，長度對應變為12.1cm。采用伺服直驅式6-560型直進式拉絲機進行冷拔，受加工設備與場地局限，分兩程冷拔，每程進行5道次冷拔：第一程冷拔工序中試驗鋼絲的線直徑由5.00mm依次減至4.50，4.00，3.60，3.20，2.90mm，第二程冷拔工序中線直徑由2.90mm依次減為2.60，2.40，2.15，1.95，1.81mm。引入冷拔變形量來表征試驗鋼絲的塑性變形程度，冷拔變形量定義為冷拔前后試驗鋼絲長度的差值。計算得到第一程冷拔工序中的冷拔變形量依次為4.94，8.91，13.34，19.54，25.97cm，第二程冷拔工序中的冷拔變形量依次為34.75，42.52，55.44，69.55，82.34cm。
將冷拔后線直徑為1.81mm的試驗鋼絲切割成長度為15cm的試樣，放入預熱到920℃的XCX-HM-300型管式加熱爐中保溫1.5min，取出進行充分油淬后，再放入預熱到435℃的XCX-HM-150型回火爐中保溫1min進行回火處理，空冷至室溫。
在不同冷拔變形量下的鋼絲（未經熱處理）和熱處理后的鋼絲上截取金相試樣，依次使用200#，400#，800#，1200#，1500#砂紙對截面進行打磨，再經拋光和腐蝕處理后，采用IM-300LD4D型光學顯微鏡（OM）觀察顯微組織。采用FEI INSPECT F50型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌。按照GB/T 239.1—2023《金屬線材扭轉試驗方法》進行扭轉試驗，線直徑在3.20~5.00mm的鋼絲試樣采用量程為?3.0~?8.0mm的GX-10型扭轉試驗機，線直徑在1.81~2.90mm的鋼絲試樣采用量程為?1.0~?3.0mm的EJJ-5型扭轉試驗機。采用HVZ-1000型自動顯微維氏硬度計測試截面硬度，以“十字形”每隔0.3mm取點進行測試，測9個點取平均值，并轉換成洛氏硬度。采用XHL-S型拉力試驗機測試力學性能，拉伸試樣長度為10cm，拉伸速度為100mm·min−1。上述試驗均測3個平行試樣取平均值。
2. 試驗結果與討論
2.1 冷拔變形量對冷拔態顯微組織的影響
由圖1可見，不同冷拔變形量下冷拔態試驗鋼絲的組織均由鐵素體和珠光體組成，隨著冷拔變形量的增加，晶粒尺寸減小，珠光體組織向拉拔方向發生協調變形。經第1道次冷拔后（冷拔變形量為4.94cm），珠光體組織已呈現出向拉拔方向變形的趨勢，部分區域（區域A和區域A´）的片層間距變小，而部分區域（區域B）的片層間距增大，這是珠光體為了防止在拉拔過程中發生撕裂而進行的自我調整；當冷拔變形量增大為34.75cm時，珠光體組織由未進行冷拔處理時（冷拔變形量為0）的等軸狀轉變為相互平行的細長條狀（絲織構），絲織構的方向與拉拔方向一致，同時珠光體片層間距進一步變小。
2.2 冷拔變形量對冷拔態力學性能的影響
由圖2可見，隨冷拔變形量增大，試驗鋼絲的抗拉強度和硬度呈升高趨勢，斷面收縮率下降。當冷拔變形量從0增大到82.34cm時，抗拉強度從1070MPa提高到1758MPa，增幅高達64.3%，硬度從28.8HRC提高到44.8HRC，增幅55.6%，斷面收縮率從60%下降至51%，降幅15%。冷拔變形對彈簧鋼絲斷面收縮率的影響相對較小。此外，當冷拔變形量從0增加到19.54cm時，扭轉圈數從5.1圈增加到13圈，增幅高達154.9%，當冷拔變形量從25.97cm增加到82.34cm時，扭轉圈數從31圈增加到41圈并趨于穩定，增幅32.3%。
圖 2冷拔態試驗鋼絲的力學性能隨冷拔變形量的變化曲線
Figure 2.Curves of mechnical property vs cold drawing deformation of cold-drawn test steel: (a) tensile strength and percentage reduction of area and (b) number of twist and (c) hardness
試驗鋼絲強度的提高和塑韌性的下降是因為發生了加工硬化。在冷拔過程中，鋼絲組織由等軸狀向細長條狀轉變，最終形成絲織構，這說明鋼絲發生了顯著的塑性變形。鋼的塑性變形主要通過滑移和孿生的方式實現，滑移的本質是位錯沿滑移面的運動而非晶體剛性位移。隨著變形量增加，位錯密度顯著增加，導致彈性應力場增強并引發位錯塞積、纏結及反應等相互作用，使得位錯運動阻力增大，宏觀表現為強度和硬度提升[10-11]。對鋼絲進行扭轉變形時，其表面會受到剪切力，隨著剪切力增大，塑性變形量增大，而剪切應力產生的變形會使晶粒變細，產生細晶強化效果。在加工硬化導致的塑韌性降低和扭轉變形帶來更多塑性變形和強化的雙重作用下，冷拔變形量82.34cm所得鋼絲的扭轉圈數穩定在41圈。
2.3 熱處理對顯微組織的影響
由圖3可知，冷拔至線直徑為1.81mm并經920℃油淬和435℃回火處理后，試驗鋼絲中因拉拔變形產生的細長條狀組織已完全消失，轉變為屈氏體組織，滲碳體呈細粒狀，均勻分布在鐵素體上，這是因為435℃回火屬于中溫回火，回火較為充分，能夠促使更加穩定的細粒狀滲碳體形成，且由于溫度適中，滲碳體未聚集長大，仍處于彌散分布狀態[12-14]；屈氏體的鐵素體基體較少且仍然保留了淬火馬氏體的位向與針狀形態，這是因為試驗鋼絲的碳含量較高（質量分數為0.55%），奧氏體中溶解的碳在淬火過程中無法完全擴散，導致馬氏體晶格畸變加劇，形成針狀高碳馬氏體[15]。在回火過程中，針狀高碳馬氏體開始析出碳化物，導致馬氏體分解，但由于回火溫度較低，原子運動較為緩慢，馬氏體組織整體仍呈現針狀，因此回火后得到的鐵素體呈現針狀。
圖 3920℃油淬+435℃回火處理后試驗鋼絲的OM和SEM形貌
Figure 3.OM (a) and SEM (b) morphology of test steel after 920℃ oil quenching + 435℃ tempering
2.4 熱處理對力學性能的影響
經過冷拔+淬回火處理后，試驗鋼絲的抗拉強度為2065MPa，斷面收縮率為50%，扭轉圈數為16圈，硬度為55.1HRC。與淬回火處理前相比，淬回火處理后的抗拉強度提高了17.5%，硬度提高了23.0%，扭轉圈數減少，斷面收縮率相對穩定，僅下降了1.96%。淬回火處理后試驗鋼絲獲得了具有較高強度和韌性協同效果的回火屈氏體組織，針狀鐵素體較少且滲碳體呈彌散分布，使得材料產生了彌散強化效果。此外，淬回火階段彈簧鋼絲中高碳馬氏體的相變傾向于通過孿生而非位錯滑移進行，孿晶界本身可視為位錯墻，使得位錯密度大幅提升[16]，位錯密度提高產生的內應力與固溶強化作用共同提高了強度，而細晶強化和孿晶協調機制則可以維持塑性。因此，在抗拉強度和硬度提高的同時，彈簧鋼絲的塑性也未下降過多。
3. 結論
（1）冷拔處理后，55SiCr彈簧鋼絲的組織由珠光體和鐵素體組成，并且組織向拉拔方向發生變形，由等軸狀向條狀轉變。隨著冷拔變形量的增大，組織變形程度增大，珠光體的片層間距和晶粒尺寸減小，當冷拔變形量為34.75cm時形成相互平行的細長條狀絲織構。
（2）隨著冷拔變形量的增大，55SiCr彈簧鋼絲的抗拉強度和硬度明顯提高，但由于加工硬化，斷面收縮率下降，當冷拔變形量為82.34cm時，相較于未進行冷拔處理時抗拉強度和硬度分別提高了64.3%和55.6%，斷面收縮率降低了15%。
（3）經920℃油淬+435℃回火處理后，55SiCr彈簧鋼絲的組織轉變為屈氏體組織，組織中的鐵素體仍保持淬火馬氏體的位向和針狀形態，滲碳體呈細粒狀彌散分布。與淬回火處理前相比，淬回火處理后鋼絲的抗拉強度和硬度分別提高了17.5%，23.0%，斷面收縮率僅下降了1.96%。
文章來源——材料與測試網