高速车轮钢的组织韧化工艺及机理研究.doc

高速车轮钢的组织韧化工艺及机理研究马 跃1，潘 涛1，陈 刚2，崔银会2，苏 航1，彭 云1（1. 钢铁研究总院工程用钢研究所，北京 100081；2. 马钢股份有限公司技术中心，安徽 马鞍山 243000）摘摘 要要: : 通过改变辗轧变形温度（TD）及踏面淬火温度（TQ） ，系统研究了热处理工艺对车轮钢力学性能的影响采用光学、扫描电子显微（SEM）技术、电子背散射技术（EBSD） 、定量金相技术等研究了车轮钢珠光体组织试验结果表明：车轮钢韧性随着 TD与 TQ的降低而升高，强度变化不大；TD与 TQ的降低导致奥氏体晶粒尺寸减小，同时得到细化的珠光体球团组织，是韧性优化的直接原因进一步断口分析与 EBSD 分析表明，单个珠光体球团可形成一个解理面，且解理面滑移带终止于珠光体球团界，与珠光体球团内部小角度晶界相对应，可认为珠光体球团是车轮钢韧性的控制单元关键词关键词 车轮钢；热处理；珠光体球团；韧性；电子背散射技术 EBSD随着高速列车的速度等级提高，高速车轮的运行安全性引起越来越多的关注车轮失效分析表明 [1-2]，车轮表面及亚表面裂纹是车轮疲劳失效的主要原因，危害行车安全Wetenkamp 等 [3]对车轮应力集中的计算表明，提高车轮钢的韧性是阻碍裂纹扩展的有效方式。

因此，提高车轮钢韧性显得尤为迫切 [4]Sakamoto 等 [5]研究了碳含量 0.4%~0.7%的珠光体车轮钢断裂韧性，强调了增加铁素体含量与细化奥氏体晶粒的有益作用Ahlström 等 [6]在 0.50% C 车轮钢中系统研究了变形加热温度及淬火加热温度对韧性的影响，指出较低的变形加热温度及淬火加热温度能细化奥氏体晶粒，带来一定韧性改善车轮钢使用状态组织主要为珠光体，但有关车轮钢物理冶金过程中组织传递行为及珠光体组织特征对车轮钢韧性的影响规律尚不明确，需进一步研究本文通过对车轮钢生产过程中主要热工艺过程的实验室模拟，系统研究了改善车轮韧性的工艺方法，并分析了原始组织状态对珠光体球团特征的影响规律，在此基础上，分析了高速车轮钢韧性改善的组织控制单元1 1试试 验验 试验钢成分（质量分数，%）为 0.55C-0.30Si-0.75Mn，为 EN 13262 标准ER8 钢，取自某车轮厂 Φ380 mm 连铸圆坯整体辗钢车轮生产时，辗轧变形温度（TD）决定了成形及轧制工艺过程温度，踏面淬火温度（TQ）则直接决定车轮成品组织特征，这两个温度的高低直接决定了车轮成品的性能为此，本文在实验室条件下模拟了车轮生产过程中的 TD及 TQ，热处理工艺如下：将 Φ380 mm 连铸圆坯在 1200 ℃均匀化处理 10 h，随后沿轴向锻为矩形试块，终锻温度900 ℃；锻后在 950 ℃正火 10 h 再次进行均匀化处理，去除表面脱碳层后，得到截面尺寸为 56 mm×106 mm 锻坯；对锻坯分别在 1150、1200、1250 ℃轧前保温 2 h 后进行多道次轧制，轧制工艺相同，终轧温度 900 ℃，轧板厚 15 mm，部分试样轧后直接淬火以保留原始奥氏体晶粒，其余试样空冷；对轧后空冷试样再加热至 800~920 ℃奥氏体化，以模拟不同踏面淬火温度，保温时间 1 h，少量试样直接淬火，其余试样随后快速空冷至室温，冷速约为 2 ℃/s，以观察奥氏体化温度对珠光体相变行为的影响。

试验中热处理加热均采用箱式空气炉组织观察试样经机械磨抛后采用金相腐蚀方法在 LeicaMEF4M 光学显微镜上观察，并对试样采用带有 EBSD 的 S4300 场发射扫描电镜进行显微观察珠光体球团（pearlite colony）是指渗碳体片层与铁素体片层相互平行的珠光体领域，采用一种原创的金相腐蚀方法显示珠光体球团组织EBSD 及金相腐蚀试样制备方法祥见文献[7]采用过饱和苦味酸水溶液显示原始奥氏体晶粒度对热处理后试样进行了力学性能检验拉伸试验依据 GB/T 228~2002 标准在 WE300B 拉伸试验机上进行，标距段长度 30 mm，截面尺寸 1.0 mm×20 mm，测试室温性能Charpy 冲击试验依据 GB/T 229~2007 标准在 JB50 冲击试验机上进行，冲击试样尺寸为 10 mm×10 mm×55 mm，V 形 2 mm 缺口，测试-20~40 ℃冲击功2 2试验结果试验结果2.12.1 原始奥氏体晶粒尺寸原始奥氏体晶粒尺寸变形温度对原始奥氏体晶粒尺寸的影响如(a)1150 ℃ （b） 1250 ℃图 1所示利用截距法对奥氏体晶粒度进行了定量分析，如表 1 所示。

奥氏体晶粒尺寸随着 TD降低明显下降需要指出的是，所测量的奥氏体晶粒是经过轧制变形后的晶粒尺寸这说明采用不同变形温度时，轧制过程不能消除变形温度对奥氏体晶粒的影响当变形过程完成后，经过 860 ℃淬火加热，TD =1150 ℃的试样仍然具有最小的原始奥氏体晶粒从为后续工艺过程做组织准备来看，当满足设备变形能力时，采用较低辗轧变形温度更合适a)1150 ℃ （b） 1250 ℃ 图 1 不同辗轧变形温度的轧后原始奥氏体晶粒表 1 热处理工艺对试验钢组织和性能影响TD / ℃AGSD / μmTQ / ℃AGSQ / μmPCS / μm fF / %KV2(-20℃) / JUTS / MPaYS / MPa YR EL / %115053.686016.610.96.59.48254700.56919120056.180015.210.711.010.3820 490 0.5982182015.911.111.810.0818 483 0.5902084017.811.68.78.7823 493 0.5992186018.012.26.97.7830 483 0.5811988018.412.76.87.6830 473 0.5692090018.212.56.27.3835 475 0.5691992018.613.45.94.0820 470 0.57321125066.886018.312.77.25.38204750.57918Deformation temperature (TD); quenching temperature (TQ); austenite grain size (AGS); pearlite colony size (PCS); ferrite volume fraction (fF); yield ratio (YR)=YS/UTS淬火温度是车轮钢踏面淬火生产中的关键参数，直接影响奥氏体/珠光体转变过程。

从表 1 及图 2 可见，随着淬火温度由 800 ℃提高到 840 ℃，试验钢晶粒尺寸由 15.2 μm 增大至 17.8 μm，继续提高至 920 ℃，奥氏体晶粒稳定为 18 μm 左右这说明为了在珠光体转变前得到明显细化的奥氏体晶粒，应低于 840 (a)(b)℃淬火加热8008208408608809009201516171819AGS / mTQ / CTD=1200 C图 2 原始奥氏体晶粒随淬火的变化2.22.2 晶界铁素体晶界铁素体通常认为晶界铁素体出现于共析转变之前，也被称为先共析铁素体利用图像分析软件对空冷组织中的铁素体体积分数进行了测定，如图 3 所示晶界铁素体体积分数随 TD温度升高而略有增加，且随 TQ温度升高而明显降低从图 3 来看，较低的 TQ温度和较高的 TD温度均能使晶界铁素体量增加显然，为得到细小奥氏体晶粒，前者才是可取的所以，在车轮钢中，晶界铁素体尽管能带来一定的韧性改善 [5]，但不能作为主要的韧化方式56789101112800850900115012001250PCS / mTDTQTemperature / CfF / %1011121314PCSfFfFPCS图 3 加热温度(θ)对晶界铁素体体积分数（fF）及珠光体球团尺寸（PCS）的影响2.3 珠光体球团珠光体球团 试验钢的主要组织是珠光体，珠光体球团是相互平行的渗碳体片层与铁素体片 层组成的领域。

利用金相方法显示了珠光体球团界，如 TQ =800 ℃ TQ =920 ℃图 4所示利用截距法统计了对试验钢的珠光体球团尺寸（PCS） ，如表 1 及图 3 所示，可见珠光体球团尺寸随着奥氏体化温度升高而增大，这与 Elwazri [8]和 Garbarz [9]等的结果一致TQ =800 ℃ TQ =920 ℃ 图 4 利用饱和苦味酸水溶液显示的珠光体组织0102030400510152025 AGS=15.2mProbabilities / %PCS / mTQ=800 C0102030400510152025AGS=15.9 mProbabilities / %TQ=820 C0102030400510152025AGS=18.3 mProbabilities / %TQ=920C图 5 试验钢不同淬火温度的珠光体球团尺寸统计对奥氏体晶粒尺寸连续变化的 3 种试样统计珠光体球团分布(TQ)分别为800、820、920 ℃，如图 5 所示，对应珠光体球团平均尺寸分别为10.7、11.1、13.4 μm。

利用线性回归方法，对试验钢珠光体球团尺寸与淬火温度进行了分析，得到. \* MERGEFORMAT (1)CSQ0.0216.4PT其中，PCS单位为 μm，TQ单位为 ℃，TQ范围为 800~920 ℃从式(1)可见，淬火温度降低 50 ℃，所得到的珠光体球团尺寸减小 1 μm因此，降低踏面淬火温度是非常有效的珠光体球团细化途径随着淬火温度从 800 ℃提高至 920 ℃，珠光体球团尺寸分布范围变大，小尺寸球团所占比例降低明显，而大于 20 μm 的大尺寸球团所占比例明显上升，由 800 ℃的 7 %提高到 920 ℃的 20 %左右这一尺寸分布的变化对车轮钢韧性(a)(b)的影响将尤为显著2.4 力学性能力学性能从表 1 可见，TD与 TQ的变化对抗拉强度的影响不明显，TQ降低能少量提高试验钢屈服强度，从而略提高屈强比这说明在试验温度范围内进行工艺改进，不会损害车轮钢强度当 TD由 1250 ℃降低到 1150 ℃时，试验钢的-20 ℃冲击功由 5.3 J 提高至9.4 J说明奥氏体晶粒尺寸的减小有利于试验钢韧性提高，而这一作用是通过减小珠光体球团尺寸实现的，而不是铁素体含量变化。

当 TQ由 920 ℃降低至 800 ℃时，试验钢韧性如表 1 及图 6 所示试验钢的-20 ℃冲击功随着 TQ降低明显升高从图 6 系列冲击结果看，TQ较低的试验钢在检测温度范围内均具有最高的冲击功这说明通过降低 TQ温度，得到整体细化的珠光体球团，能有效提高试验钢韧性进一步统计试验中得到的所有试样的冲击韧性与试样组织中大尺寸珠光体球团的关系，结果如图 7 所示，可以看到，试验钢的韧性随着珠光体球团中大尺寸球团比例的降低明显升高20020400510152025303540Kv / JTesting temperature / C800 C820 C860 C920 C图 6 TQ对试验钢冲击功影响468101214161820223456789101112KV / JFraction of PCS 20 m / %图 7 大尺寸珠光体球团对冲击功影响3分析与讨论分析与讨论试验结果表明，随着 TD与 TQ降低，试验钢原始奥氏体晶粒减小，试验钢的珠光体球团尺寸减小，同时韧性提高图 8为对试验钢冲击试样断口采用过饱和苦味酸水溶液腐蚀后的 SEM 观察照片 从图 8(a)可见，冲击断口为典型的解理断面，解理裂纹的扩展在珠光体球团界发生 。