高強度R400HT鋼軌熱處理工藝優(yōu)化

李鈞正, 韓志杰, 趙海濤

(1. 河鋼集團邯鋼公司 技術(shù)中心, 河北 邯鄲 056015; 2. 河鋼材料技術(shù)研究院, 河北 石家莊 050023)

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和“公轉鐵”政策的落實(shí)推進(jìn),鐵路運輸負荷大幅提升,鋼軌磨損現象進(jìn)一步加劇,現有鋼軌耐磨性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足重載鐵路發(fā)展需求,因此新型高強度鋼軌的研發(fā)應用迫在眉睫[1-3]。新日鐵公司的Masaharu Ueda等在分析輪軌接觸時(shí)發(fā)現,鋼軌顯微組織中滲碳體體積比例增大,可以增加鋼軌的硬度和耐磨性能。另外,滲碳體密度的增加使鐵素體基體形變過(guò)程中的位錯數量增加,促進(jìn)加工硬化效應[4]。在此研究基礎上,新日鐵公司通過(guò)提高碳含量、增加珠光體中滲碳體密度,開(kāi)發(fā)了過(guò)共析鋼軌。該鋼軌的硬度和耐磨性能得到了大幅度提升,并在澳大利亞、巴西和美國等地區的重載鐵路上獲得了推廣應用。高強度過(guò)共析鋼軌已經(jīng)成為重載鋼軌的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向之一。

我國鋼軌行業(yè)進(jìn)行了大量熱處理工藝研究[5-9],但重載鐵路仍主要采用340 HB和370 HB硬度級別的共析鋼軌,鋼軌使用中存在磨耗快、換軌周期短等問(wèn)題,而更高硬度級別鋼軌仍處于研發(fā)試制階段。因此有必要加快400 HB高強度過(guò)共析鋼軌材料特性和熱處理工藝的研究,為我國重載鐵路用鋼軌升級換代提供技術(shù)支撐。

1.1 試驗材料與方法

試驗材料取自工業(yè)試制冶煉的R400HT過(guò)共析鋼軌鑄坯,其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 R400HT鋼軌的化學(xué)成分(質(zhì)量分數,%)Table 1 Chemical composition of the R400HT steel rail (mass fraction, %)

采用熱膨脹法并結合顯微組織-硬度分析測定R400HT鋼軌連續冷卻轉變曲線(xiàn),試驗設備為DIL805L相變淬火膨脹儀。試樣以10 ℃/s的速度加熱至900 ℃,保溫10 min,然后再分別以0.1、0.5、1.0、2、3、5、10、15、20、30 ℃/s冷速冷卻至室溫(見(jiàn)圖1)。試樣冷卻后研磨拋光,用體積分數為4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕,利用ZEISS-SIGMA 300 型掃描電鏡觀(guān)察組織形貌,并利用Wilson維氏硬度計(工業(yè)生產(chǎn)要求R400HT踏面硬度采用布氏硬度計進(jìn)行檢驗,由于本次試驗試樣尺寸小不具備布氏硬度計檢驗條件,因此采用維氏硬度計進(jìn)行硬度檢驗分析)測量硬度值,載荷砝碼為1 kg,加載時(shí)間10 s。

圖1 R400HT鋼軌連續冷卻轉變工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuous cooling transformation for the R400HT steel rail

1.2 R400HT鋼軌連續冷卻轉變曲線(xiàn)

試驗測得R400HT鋼軌的Ac1為729 ℃,Accm為759 ℃。R400HT鋼軌在冷卻過(guò)程中發(fā)生了偽共析組織轉變,形成了珠光體型的顯微組織。對不同冷速冷卻后試樣的組織、硬度進(jìn)行檢驗分析可知,當冷速不大于1 ℃/s時(shí),顯微組織為珠光體、先共析滲碳體;隨著(zhù)冷速的增加,先共析滲碳體逐漸減少直至消失;當冷速達到5 ℃/s時(shí)開(kāi)始出現馬氏體;進(jìn)一步提高冷速,馬氏體比例逐步提高,到20 ℃/s時(shí)全部為馬氏體。試樣硬度則隨著(zhù)冷速的增加由345 HV逐步提高到624 HV。

根據膨脹法找出各冷速下的相變起始溫度和終止溫度,結合對組織和硬度結果分析,繪制出試驗鋼的CCT曲線(xiàn),如圖2所示。

圖2 R400HT鋼軌的連續冷卻轉變曲線(xiàn)Fig.2 Continuous cooling transformation curves of the R400HT steel rail

1.3 組織及性能分析

1.3.1 滲碳體形態(tài)分析

滲碳體對R400HT鋼軌性能有著(zhù)重要影響。晶界位置形成的網(wǎng)狀或半網(wǎng)狀先共析滲碳體,容易使裂紋在晶界處擴展,引發(fā)鋼軌剝離掉塊缺陷。另外先共析滲碳體的析出,會(huì )導致珠光體中的共析滲碳體的密度下降,有損R400HT鋼軌耐磨性能[10]。

由圖3可以看出,在冷速為0.1 ℃/s時(shí),先共析滲碳體呈連續網(wǎng)狀析出;在冷速為0.5 ℃/s時(shí),先共析滲碳體呈斷續網(wǎng)狀析出;隨著(zhù)冷速的增大,冷速達到1 ℃/s時(shí),先共析滲碳體基本消失。

圖3 R400HT鋼軌在不同冷速下析出二次滲碳體的形貌Fig.3 Morphologies of precipitated secondary cementite in the R400HT steel rail at different cooling rates(a) 0.1 ℃/s; (b) 0.5 ℃/s; (c) 1 ℃/s

不同冷速下滲碳體呈現不同形貌,這主要是由滲碳體生長(cháng)機制決定的。滲碳體的析出長(cháng)大屬于擴散型相變。在其它條件相同情況下,擴散速度主要由擴散系數決定。根據擴散系數的一般公式(1)[11]可知,擴散系數與溫度呈指數關(guān)系。

D=D0exp(-Q/RT)

(1)

式中:D為擴散系數;D0為擴散常數;Q為擴散摩爾激活能;R為氣體常數;T為熱力學(xué)溫度。

隨著(zhù)冷速增大、轉變溫度降低,過(guò)冷奧氏體中的C擴散能力降低,長(cháng)大速率隨之下降。因此,先共析滲碳體析出量隨著(zhù)冷速增加而減小[12]。

提高冷卻速度,對抑制先共析滲碳體和珠光體中的共析滲碳體生長(cháng)均有抑制作用,但由于先共析滲碳體和珠光體中的共析滲碳體生長(cháng)機制存在差異,受到的抑制程度是不同的。珠光體中的共析滲碳體與鐵素體相互誘導形核長(cháng)大,C擴散距離較小;而先共析滲碳體中不存在這種機制,因此,C需要擴散的距離較大。因此,提高冷速,對先共析滲碳體中C擴散抑制作用更大,從而使更多的C參與到共析滲碳體的形成,增加珠光體中的滲碳體的體積,從而提升鋼的耐磨性能。

1.3.2 珠光體形態(tài)分析

珠光體是高強度鋼軌R400HT的基本組織。珠光體片間距對R400HT鋼軌硬度和耐磨性有著(zhù)關(guān)鍵的影響。對R400HT鋼軌連續冷速試驗中的5 ℃/s冷速以下的珠光體片間距進(jìn)行測量。測量方法采用最小片間距法[13]。采用ZEISS sigma HD掃描電鏡對試樣進(jìn)行觀(guān)察和拍照,選取視場(chǎng)中片間距最小的珠光體團進(jìn)行測量,每個(gè)試樣測量10個(gè)珠光體團,每個(gè)珠光體團測量10個(gè)珠光體片間距,所有珠光體團片間距平均值做為該試樣的珠光體片間距。0.1、0.5、1.0、2、3、5 ℃/s冷速下珠光體片間距統計結果見(jiàn)圖4。

圖4 R400HT鋼軌在不同冷速下珠光體片間距Fig.4 Pearlite spacing of the R400HT steel rail at different cooling rates

由圖4可以看出,隨著(zhù)冷速增加,珠光體片間距逐漸減小。相同條件下提高冷速可以增大過(guò)冷度,根據形核功與過(guò)冷度計算公式(2)[14]可知,增大過(guò)冷度會(huì )降低形核功,從而提高珠光體的形核率。

(2)

式中:ΔGk為形核功;σ為單位面積表面能;Tm為理論結晶溫度;ΔHf為融化潛熱;ΔT為過(guò)冷度。

另外珠光體的生長(cháng)屬于擴散型,根據CCT曲線(xiàn)可知,提高冷速會(huì )降低珠光體轉變溫度,從而限制珠光體的形核長(cháng)大。

1.3.3 硬度變化分析

硬度是高強度鋼軌R400HT的關(guān)鍵指標,直接決定R400HT鋼軌的耐磨性能。隨著(zhù)冷速的提高,硬度不斷提升,這主要是不同冷速引起微觀(guān)組織演變的結果,R400HT鋼軌在不同冷速下的硬度測量結果見(jiàn)圖5。

圖5 R400HT鋼軌在不同冷速下的硬度Fig.5 Hardness of the R400HT steel rail at different cooling rates

當冷速小于1 ℃/s時(shí),一方面隨著(zhù)冷速提高,先共析滲碳體受到抑制,更多的C參與到共析滲碳體的形核長(cháng)大過(guò)程中,增加了珠光體中的滲碳體體積;另一方面隨著(zhù)冷速提高,珠光體片間距減小。兩方面原因使得硬度提升;當冷速在1～3 ℃/s范圍,硬度增加主要是由于珠光體片間距減小;而當冷速大于5 ℃/s時(shí),硬度的增加是由于生成了馬氏體所引起的。

鋼軌工業(yè)生產(chǎn)流程如下:鑄坯加熱—除鱗—粗軋—萬(wàn)能軋制—精軋—熱處理—冷卻—矯直—檢驗—入庫。該部分研究了熱處理工序生產(chǎn)工藝,其中入口溫度為鋼軌進(jìn)入熱處理機時(shí)的表面溫度,出口溫度為鋼軌離開(kāi)熱處理機時(shí)的表面溫度。

2.1 試驗材料與方法

試驗材料取自工業(yè)試制的R400HT過(guò)共析鋼軌,利用Gleeble3800熱/力模擬試驗機進(jìn)行本次試驗。試樣以10 ℃/s的速度加熱至900 ℃,保溫10 min,然后以0.5 ℃/s冷卻至入口溫度,再以設定的冷速冷卻至出口溫度,最后以0.3 ℃/s冷卻至室溫。試樣冷卻后研磨拋光,用體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕,利用LEICA光學(xué)顯微鏡觀(guān)察其組織形貌,利用Wilson維氏硬度計測量硬度值,加載載荷為1 kg,加載時(shí)間10 s。

EN 13674-1:2011+A1:2017《Vignole railway rails 46 kg/m and above》中明確規定,R400HT鋼軌的組織除珠光體外,不應有馬氏體、貝氏體及晶界滲碳體等異常組織。結合CCT曲線(xiàn)可知,R400HT鋼軌開(kāi)始冷卻溫度必須大于700 ℃,冷速不小于1 ℃/s,以抑制先共析滲碳體析出。為避免生成馬氏體,冷速不能超過(guò)5 ℃/s。另外,考慮實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中由于合金元素的偏聚導致鋼軌局部淬透性提高,為避免出現馬氏體組織,本次試驗最高冷速設置為3.5 ℃/s。結合工業(yè)生產(chǎn)裝備特點(diǎn)及實(shí)際鋼軌熱處理工藝情況,設置入口溫度為730～850 ℃,冷速為1.5～3.5 ℃/s,出口溫度為480～600 ℃。

采用正交設計的試驗方案均衡分散,具有代表性,能最大程度減小試驗次數。因此本次試驗采用正交試驗設計[15]。試驗采用三因素五水平正交方案(見(jiàn)表2),共計25個(gè)試驗方案(見(jiàn)表3)。試樣以10 ℃/s的速度加熱至900 ℃,保溫10 min,然后以0.5 ℃/s冷卻至表2中的各個(gè)試驗方案的入口溫度,再以相應的冷速冷卻至出口溫度,最后以0.3 ℃/s冷卻至室溫。

表2 熱處理正交試驗各個(gè)因素水平取值Table 2 Horizontal values of various factors in orthogonal heat treatment experiments

表3 R400HT鋼軌熱處理正交試驗方案Table 3 Experimental scheme for orthogonal heat treatment experiment of the R400HT steel rail

2.2 試驗結果及分析

對上述25個(gè)試驗方案中的試樣進(jìn)行顯微組織觀(guān)察。結果顯示,顯微組織均為珠光體,未出現先共析滲碳體以及馬氏體、貝氏體等組織,說(shuō)明以上試驗方案的顯微組織均能滿(mǎn)足標準要求。

利用維氏硬度計測定不同正交試驗下的硬度值,具體結果見(jiàn)表4,采用直觀(guān)分析法對檢驗結果進(jìn)行分析。對每個(gè)因素各水平的試驗結果求和,記為Ki,其平均值記為ki,然后求各個(gè)因素ki的極差,確定該因素的影響大小。表5為具體的試驗結果。數據分析結果表明:冷速的極差最大,入口溫度極差次之,出口溫度的極差最小,即冷速對硬度影響最為顯著(zhù)。

表4 R400HT鋼軌不同方案熱處理后的硬度Table 4 Hardness of the R400HT steel rail after different heat treatments

表5 R400HT鋼軌熱處理正交試驗結果分析Table 5 Result analysis for orthogonal heat trentment experiment of the R400HT steel rail

硬度與入口溫度關(guān)系較為復雜,存在一個(gè)極大值,即入口溫度為790 ℃時(shí)硬度平均值最大;冷速在1.5～3.5 ℃/s范圍內,硬度平均值與冷速基本呈正相關(guān)關(guān)系;出口溫度在480～600 ℃范圍內,硬度平均值與出口溫度基本呈負相關(guān)關(guān)系,硬度與各個(gè)因素的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 R400HT鋼軌硬度與各個(gè)因素的關(guān)系Fig.6 Relationship between hardness of the R400HT steel rail and various factors

綜上所述,最優(yōu)參數設置應為入口溫度790 ℃、冷速3.5 ℃/s、出口溫度480 ℃。結合現場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際,優(yōu)選的入口溫度應為780～800 ℃、出口溫度480～510 ℃、冷速3.0～3.5 ℃/s。

在上述研究成果的基礎上進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)試制。詳細生產(chǎn)試制方案如下:采用280 mm×380 mm矩形鑄坯作為軋鋼原料,鑄坯化學(xué)成分與試驗用材料完全一致;采用60E1規格軋輥,熱軋工序執行鋼軌通用生產(chǎn)工藝;熱處理采用全長(cháng)在線(xiàn)余熱淬火生產(chǎn)線(xiàn),水霧冷卻模式,入口溫度780～800 ℃,出口溫度480～510 ℃,按照冷速3.0～3.5 ℃/s設置冷卻區輥道運行速度。

生產(chǎn)試制過(guò)程工藝執行良好,滿(mǎn)足試制方案要求。任選1支鋼軌(長(cháng)度為78.6 m)在長(cháng)度方向頭部、中間和尾部取樣,進(jìn)行理化性能檢驗分析,關(guān)鍵熱處理工藝及理化檢驗結果見(jiàn)表6所示,其中硬度采用Leeb-3000A電子布氏硬度計按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》(HBW10/3000)進(jìn)行檢驗,顯微組織采用DMI3000光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢驗。

表6 R400HT鋼軌工業(yè)試制關(guān)鍵工藝及物理性能檢驗結果Table 6 Industrial production key process and physical properties test results of the R400HT steel rail

表6數據結果表明,在熱處理工藝滿(mǎn)足試制方案的情況下,R400HT鋼軌抗拉強度和硬度值均達到了預期目標要求,顯微組織為珠光體,未見(jiàn)馬氏體、貝氏體或晶界滲碳體等異常組織,且R400HT鋼軌通常性能穩定。

1) 選用工業(yè)生產(chǎn)試制鑄坯采用熱膨脹法測定了R400HT鋼軌連續冷卻轉變曲線(xiàn),并獲得了R400HT鋼軌珠光體組織轉變的極限冷卻條件。R400HT鋼軌在冷速大于1 ℃/s時(shí),先共析滲碳體析出受到抑制;冷速接近5 ℃/s時(shí)有馬氏體生成。當R400HT鋼軌在1～5 ℃/s冷速范圍冷卻時(shí),隨著(zhù)冷速的提高,R400HT鋼軌硬度不斷升高。

2) 利用Gleeble3800熱/力模擬試驗機進(jìn)行了熱處理工藝參數的正交試驗,獲得了R400HT鋼軌最優(yōu)熱處理工藝:冷卻區入口溫度780～800 ℃,出口溫度480～510 ℃,冷速3.0～3.5 ℃/s。

3) 按照試驗獲得的最優(yōu)熱處理工藝方案進(jìn)行了R400HT鋼軌工業(yè)生產(chǎn)試制,經(jīng)檢驗R400HT鋼軌踏面硬度425.5～428.3 HBW,抗拉強度1425～1440 MPa,顯微組織為珠光體,達到了預期目標。