高速车轮钢的组织韧化工艺及机理研究

1、高速车轮钢的组织韧化工艺及机理研究马 跃，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 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 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

2、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。Ahlstrm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 试 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380 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

3、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380 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 mm106 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800920 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

4、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 2282002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 mm20 mm，测试室温性能。Charpy冲击试验依据GB/T 2292007标准在JB50冲击试验机上进行，冲击试样尺寸为10 mm10 mm55 mm，V形2 mm缺口，测试-2040 冲击功。2 试验结果2.1 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)(b)(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

5、1 热处理工艺对试验钢组织和性能影响TD / AGSD / mTQ / AGSQ / mPCS / mfF / %KV2(-20) / JUTS / MPaYS / MPaYREL / %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

6、 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 m增大至17.8 m，继续提高至920 ，奥氏体晶粒稳定为18 m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 淬火加热。图2 原始奥氏体晶粒随淬火的变化2.2 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。图3 加热温度()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 珠光体球团试验钢的主要

7、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。(a)(b)TQ =800 TQ =920 图4 利用饱和苦味酸水溶液显示的珠光体组织图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 m。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. (1)其中，PCS单位为 m，TQ单位为 ，TQ范围为800920 。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 m。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 m的大尺寸球团所

8、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的影响将尤为显著。2.4 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。图6 TQ对试验钢冲击功影响图7 大尺寸珠光体球团对冲击功影响3 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转折，单个珠光体球团可作为解理断裂的小平面。当从整体上降低珠光体球团尺寸时，裂纹扩展过程中遇到球团界增多，阻力增大，从而提高钢的韧性，这正是减小珠光体球团尺寸的意义所在。图8 (b)中虚线标出一个约40 m的大型珠光体球团，单独组成一个解理面，由于这种大型珠光体球团的存在，裂纹在其中几乎以直线前进，降低了裂纹扩展阻力，成为车轮钢韧性降低的主要原因，这是TQ为920 试验钢冲击功最低的原因。5 m15 m(b)(a) 图8 试验钢经腐蚀出珠光体组织后的断口形貌（-20 测试，TD=1200 ， TQ=820 ）珠光体球团界能阻碍裂纹扩展的另一个证据是球团内部滑移带的存在。由图8箭头处可见，在一个解理断面上，存在一小台阶，小台阶的一端

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