上篇 物理检测
50CrVA弹簧真空热处理表面铁素体组织分析
李璠，李艳芬
（贵州红林机械有限公司，贵州贵阳 550009）
摘要：本文通过光学金相对50CrVA弹簧真空热处理出现铁素体组织的特征进行了分析，并根据50CrVA的等温转变曲线，对50CrVA弹簧制品在真空热处理后表面出现的铁素体组织的形成机理进行了探究，发现50CrVA弹簧真空热处理后出现铁素体组织与真空淬火转移冷却速度有关。通过改进工艺，采用油淬前充氮辅助冷却提高冷却速度，控制了铁素体组织的转变。通过生产试验验证了改进工艺的有效性和可行性，提高了50CrVA弹簧真空热处理加工的质量水平及弹簧使用的可靠性。
关键词：弹簧；真空热处理；铁素体；转移速度；辅助冷却
1 引言
在柱塞式油泵中，用50CrVA钢丝制造的柱塞弹簧是油泵中关键零部件之一。弹簧的质量可靠性对油泵的性能有极其重要的影响。50CrVA钢丝制造的弹簧在热处理后，应获得均匀一致的回火屈氏体组织，以保证弹簧综合性能及较好的使用性能。真空热处理是一种较为先进的热处理技术，目前已经被广泛地应用于工业产品制造环节。但是50CrVA钢丝制造的弹簧在采用真空热处理后，发现表面甚至芯部偶有铁素体组织存在。铁素体组织的存在会导致弹簧的性能下降，从而对弹簧的使用带来风险及危害。
本文对50CrVA弹簧制品在真空热处理后表面铁素体组织的产生原因进行了研究，分析了表面铁素体组织的形成机理，通过工艺改进和生产试验验证，制订了控制铁素体组织出现的可行措施，提高了弹簧热处理加工质量水平及弹簧使用的可靠性。
2 试验与方法
2.1 试验用弹簧材料及形状
试验采用φ1.4mm规格的50CrVA材料制成如图1形状的弹簧，该弹簧具有以下特点：一是长径比较大；二是为了确保弹簧的几何尺寸，热处理时需要带芯棒一起进行处理（见图1）。
图1 弹簧热处理状态实物（1×）
2.2 热处理试验
采用双室真空油淬炉，加热（860℃±10℃），保温（60min～90min），油冷。真空回火（340℃～390℃），保温（30min～40min），油冷。
3 试验结果与讨论
3.1 金相组织
通过对大量的试验弹簧进行金相检查，发现弹簧表面铁素体的形貌特征基本一致，即为条块状，且大多数出现在弹簧内圈的表面及亚表面，见图2。在较低的放大倍数下，表面铁素体组织与氧化脱碳组织相似，容易被误认为是氧化脱碳组织。图3为弹簧芯部组织，偶尔可见条块状的铁素体组织。分析认为弹簧表面及芯部出现的铁素体其性质为共析铁素体，而非氧化脱碳形成的铁素体。
图2 弹簧表面铁素体特征（500×）
图3 弹簧芯部铁素体特征（500×）
3.2 铁素体形成机理分析
材料在进行热处理时，由于淬火加热温度过高、保温时间过长、未采用保护气体加热，会使得材料表面形成一定深度脱碳层，从而出现铁素体组织。这种铁素体组织是由于合金中碳元素的损失而形成的，其形态具有纯铁组织的特征，光学显微镜下呈多边形状晶粒，回火后达不到所要求的力学性能，在交变载荷下，脱碳层中的铁素体强度较低，容易变形并产生疲劳裂纹，使制件早期失效。
在亚共析钢中，低于共析成分的奥氏体从高温慢冷下来时，在发生共析相变之前析出的铁素体一般情况下呈细条状分布在奥氏体晶界，有时也呈块状、交叉针状和平行针状。这种共析铁素体在Ar3以下温度下析出，是从奥氏体中同素异构转变出的铁素体，是亚共析组织的特有产物，析出温度在727℃以下。
热处理氧化脱碳形成的铁素体主要与加热时的氧化性气氛有关，且形成的铁素体在弹簧最表层是完全的多边形状铁素体晶粒。而先共析铁素体的形成主要与冷却速度有关，淬火冷却时，由于冷却速度不够，在Ar3以下温度停留，即会发生共析转变，出现铁素体。
3.3 50CrVA弹簧先共析铁素体成因分析
通常含碳量在0.0218％～0.77％之间的铁碳合金称为亚共析钢，50CrVA材料的平均含碳量为0.5％。当其冷却到室温后，显微组织均由先共析铁素体和珠光体组成。先共析铁素体是共析转变的产物，且温度低于727℃下发生的转变。图4为50CrVA的等温转变曲线，可以看出，材料在600℃～700℃之间停留超过10s后，即有非淬火组织出现，说明50CrVA弹簧发生了共析转变。
图4 50CrVA的等温转变曲线
随着等温温度的降低，铁素体的形状也会由块状变成条状（或针状）。先共析铁素体在组织上是属于自由铁素体，它在室温下具有与纯铁相近的机械性能，因此它的存在对弹簧的工艺性能和使用性能均有重要的影响。50CrVA弹簧组织中出现先共析铁素体组织主要是在600℃～700℃之间停留时间较长所致，要避免发生共析转变，必须提高临界淬火冷却速度。
3.4 50CrVA弹簧真空热处理过程分析
50CrVA弹簧真空热处理的工艺过程如下：
洗涤→吹干→装筐→装炉（炉温600℃以下）→升温（860℃±10℃）→保温（60min～90min）→油冷。
回火：340℃～390℃保温30min～40min，油冷。
50CrVA弹簧的真空淬火设备是一种双室真空油淬炉，分为加热室和油淬室，弹簧在加热室保温结束后，需要将弹簧迅速从加热室转移到淬火室进行油冷淬火。但是要将加热室炉门打开，机械传动机构需做动作将弹簧移入油淬室，理论上设备能够保证在12s～14s之间完成动作，但是一般真空热处理设备要完成将零件转移到油淬室的时间一般均在22s～24s，甚至有时达到28s，此时被加热到高温的50CrVA弹簧在真空淬火室停留时，温度下降很慢，可以认为其处于平衡转变状态，发生共析转变，因此组织中会出现共析铁素体。由此可见50CrVA弹簧从加热室到淬火室的转移速度是50CrVA弹簧组织发生共析转变的关键因素。
由于弹簧带芯棒一同加热处理，在弹簧从加热室向油淬室转移过程中，紧贴在芯棒部位的弹簧表面在短时间内温度下降速率较其他部位慢，因此大多数情况下铁素体存在于弹簧内圈表面及亚表面。
3.5 工艺改进试验
根据对真空淬火设备的分析，要使弹簧避免经历700℃以下的温区，可以提高弹簧从加热室向油淬室的转移速率。但是，即便设备的转移时间调整到12s～14s，也难免由于机械系统的协同动作使实际转移时间要延长，因此不能保证弹簧避免经历700℃以下的温区。另一种方法是在弹簧进入油淬室前就开始快速冷却，让弹簧避开在700℃以下的温区停顿。
通过对工艺及设备系统的分析，工艺改进方案如下：让弹簧在进入油淬室前先充入氮气进行冷却，这样可以对处于高温的弹簧产生辅助冷却的作用，避免弹簧在高温区（共析区）的停留时间过长而使弹簧发生先共析铁素体的转变。为了保证热透性及均匀性，采用分阶段加热及氩气分压加热，油冷前向冷却室充入氮气（一定压力和时间），加热室、淬火室真空度控制在≤10Pa。
采用以上工艺试验的50CrVA弹簧经过金相检查，表面及芯部未发现铁素体组织（见图5和图6）。
图5 改进工艺50CrVA弹簧表面组织（500×）
图6 改进工艺50CrVA弹簧芯部组织（500×）
3.6 生产验证
按照工艺改进后的方法对20批（共2600件）50CrVA弹簧采用分阶段加热及氩气分压加热，油冷前向冷却室充入氮气的热处理方法进行加工，每批抽取10％样品经金相组织检查，均未发现表面（亚表面）及芯部有铁素体组织。
4 结论
①50CrVA弹簧真空热处理后表面铁素体组织为共析铁素体，由淬火冷却速度不足造成。
②采用油淬前充氮辅助冷却可以提高冷却速度，避免发生共析转变，能够较好地控制组织中的铁素体产生。
参考文献
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Surface Ferrite Microstructures of the 50CrVA Spring after Vacuum Heat Treatment
Li Fan and Li Yanfen
（Guizhou Honglin Machinery Co. Ltd., Guiyang, Guizhou 550009, China）
Abstract：The surface ferrite microstructures of the 50CrVA spring after vacuum heat treatment have been investigated using optical metallographic method, and the surface ferrite formation mechanism of 50CrVA spring after vacuum heat treatment was analysed via isothermal transformation curve. The results showed that the ferrite microstructure was related to cooling velocity during vacuum quenching transfering. The ferrite microstructure can be controlled by improving technical process of nitrogen charge auxiliary cooling before oil quenching, which can increase the cooling velocity. The effectiveness and feasibility of the improved technical process were verified by tests, and the quality and reliability of 50CrVA spring were improved.
Keywords：Spring; Vacuum heat treatment; Ferrite; Cooling velocity; Auxiliary cooling