宋佳，張銀鳳，劉曉軍，于善偉，丁志敏

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 工藝技術(shù)部，遼寧 大連 116022; 3.大連市產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)研究院，遼寧 大連 116021)

0　引言

鐵路車(chē)軸是機(jī)車(chē)中一個(gè)非常重要的構(gòu)件，其質(zhì)量可靠性決定了列車(chē)運(yùn)行的速度和運(yùn)輸?shù)陌踩玔1- 2].歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13261中規(guī)定EA4T鋼是一種力學(xué)性能優(yōu)異的高速、重載鐵路車(chē)軸用鋼，已被廣泛地應(yīng)用于大功率機(jī)車(chē)車(chē)軸[3- 6].隨著我國(guó)鐵路升級(jí)換代的快速發(fā)展，早期使用的40鋼、50鋼已經(jīng)不能滿足鐵路對(duì)車(chē)軸鋼性能的需求，而通過(guò)對(duì)國(guó)外EA4T鋼的引進(jìn)、消化、吸收并自主研發(fā)出的25CrMoA鋼已成為我國(guó)鐵路高速重載發(fā)展中的主要機(jī)車(chē)車(chē)軸用鋼之一，其成分和性能與EA4T鋼成分和性能相近，其最終熱處理工藝為淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理[7].由于淬火對(duì)鋼的組織和性能有較大影響，并且歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13261規(guī)定，淬火處理后的EA4T鋼(25CrMoA鋼)車(chē)軸1/2半徑處的組織必須為馬氏體+貝氏體組織，因而對(duì)奧氏體冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變參數(shù)的確定將對(duì)25CrMoA鋼生產(chǎn)實(shí)際中的加熱、冷卻工藝的制定具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義.此外，末端淬火法是目前在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)定鋼加熱奧氏體化及末端淬火后的硬度-端淬距離關(guān)系曲線(即鋼的淬透性曲線[8])來(lái)指導(dǎo)熱處理生產(chǎn)的一種常用方法.由于組織和硬度往往不是精確地一一對(duì)應(yīng)，因而，也就很難根據(jù)25CrMoA鋼的淬透性曲線來(lái)確定1/2半徑處組織為馬氏體+貝氏體組織時(shí)車(chē)軸的熱處理規(guī)范.鑒于此，本文仍將采用末端淬火法，通過(guò)結(jié)合金相分析以及傳熱學(xué)理論來(lái)確定25CrMoA車(chē)軸鋼的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變參數(shù)，不但為生產(chǎn)實(shí)際中25CrMoA鋼車(chē)軸熱處理工藝的制定提供試驗(yàn)依據(jù)，而且也嘗試為奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變特征的研究提出一種新的方法.

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用25CrMoA鋼化學(xué)成分如表1所示.

表1　25CrMoA車(chē)軸鋼的化學(xué)成分

在PCY型高溫臥式膨脹儀上對(duì)尺寸為Φ10 mm×50 mm的25CrMoA鋼試樣進(jìn)行了熱膨脹曲線的測(cè)試.測(cè)試時(shí)，加熱速度為5℃/min.根據(jù)試驗(yàn)所得的膨脹值-溫度曲線，對(duì)突變點(diǎn)用切線法確定出25CrMoA鋼加熱時(shí)的相變臨界點(diǎn)[9].

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T225- 2006鋼淬透性末端淬火實(shí)驗(yàn)方法》[10]的要求，在DZJ-I型端淬機(jī)上對(duì)25CrMoA鋼試樣進(jìn)行了末端淬火實(shí)驗(yàn)(簡(jiǎn)稱端淬實(shí)驗(yàn)，下同)，奧氏體化溫度為880℃.將端淬后的試樣表面沿平行軸線的方向分別磨制出深度為0.4～0.5 mm的兩個(gè)互相平行的平面.并在LC- 200R型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)上，測(cè)試了其平面上距水冷端不同距離(簡(jiǎn)稱端淬距離，下同)處的硬度，從而可繪制出25CrMoA鋼的硬度-端淬距離關(guān)系曲線.隨后對(duì)端淬試樣的硬度測(cè)試平面進(jìn)行研磨、機(jī)械拋光并用4%硝酸酒精浸蝕，制備出金相試樣.采用OLYMPUS BX41M金相顯微鏡對(duì)25CrMoA鋼端淬試樣上不同端淬距離處的金相組織進(jìn)行了觀察，同時(shí)根據(jù)金相組織上開(kāi)始出現(xiàn)5%～10%含量的貝氏體、鐵素體和珠光體來(lái)確定各組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)的端淬距離.由于不同的端淬距離對(duì)應(yīng)不同的冷卻速度，因此，根據(jù)各組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)的端淬距離以及傳熱學(xué)理論分析，就可以計(jì)算出各組織轉(zhuǎn)變的冷卻速度.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1　25CrMoA鋼加熱時(shí)臨界點(diǎn)的測(cè)定

圖1為25CrMoA鋼的熱膨脹曲線.由圖1的熱膨脹曲線可知，25CrMoA鋼加熱轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)Ac1和Ac3分別為758℃和841℃.

圖1　25CrMoA鋼的熱膨脹曲線

2.2　不同端淬距離處的硬度

圖2為25CrMoA鋼端淬后的硬度與端淬距離關(guān)系曲線.從圖2中可以看出，隨著端淬距離的增加，硬度先快速降低而后趨于平緩，開(kāi)始趨于平緩的端淬距離約為37.2 mm.硬度之所以出現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)主要與不同端淬距離處的冷卻速度不同，進(jìn)而導(dǎo)致所獲得顯微組織不同有關(guān).

圖2　不同端淬距離處的硬度曲線

2.3　不同端淬距離處的組織

圖3為25CrMoA鋼端淬試樣上各組織開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)相對(duì)應(yīng)端淬距離處的金相組織.從圖3中可以看出，在端淬距離2.9 mm以內(nèi)，全部為低碳板條馬氏體組織(圖3(a)為端淬距離為1.5 mm處金相組織).而在端淬距離為2.9 mm時(shí)，除了有板條馬氏體組織之外，開(kāi)始有羽毛狀貝氏體組織的出現(xiàn)(如圖3(b)所示).隨著端淬距離的繼續(xù)增加，馬氏體組織減少，貝氏體組織數(shù)量增多.在端淬距離為7.7 mm時(shí)，除了有馬氏體和貝氏體組織外，開(kāi)始有等軸狀白色鐵素體組織的出現(xiàn)(如圖3(c)所示).在端淬距離為8.5 mm時(shí)，開(kāi)始有團(tuán)狀黑色珠光體組織的出現(xiàn)(如圖3(d)所示). 在端淬距離為37.2 mm時(shí)，馬氏體和貝氏體組織消失，組織為鐵素體和珠光體(如圖3(e)所示).對(duì)比圖2和圖3分析可知，在端淬距離0～37.2 mm范圍內(nèi)，正是由于馬氏體含量的快速下降導(dǎo)致硬度下降明顯，而在端淬距離37.2 mm以后，由于組織基本上均為鐵素體和珠光體，因而硬度變化不明顯.

(a) 1.5 mm

(b) 2.9 mm

(c) 7.7 mm

(d) 8.5 mm

(e) 37.2 mm

3　討論

由2.3節(jié)結(jié)果可知，25CrMoA鋼試樣端淬后，在端淬距離分別為2.9、7.7和8.5 mm時(shí)，則先后開(kāi)始有貝氏體、鐵素體和珠光體組織的出現(xiàn)，并在端淬距離達(dá)到或超過(guò)37.2 mm時(shí)，基本上均為鐵素體和珠光體組織.由于不同的端淬距離具有不同的冷卻速度，因而，可以根據(jù)貝氏體和鐵素體開(kāi)始出現(xiàn)的端淬距離，得到馬氏體和貝氏體的最小臨界冷卻速度，以及根據(jù)珠光體開(kāi)始出現(xiàn)的端淬距離，得到鐵素體和珠光體同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)的最大臨界冷卻速度.但對(duì)于25CrMoA鋼馬氏體和貝氏體組織轉(zhuǎn)變、以及鐵素體和珠光體同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)的臨界冷卻速度是多少，到目前為止，還未見(jiàn)有文獻(xiàn)直接采用端淬實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得的報(bào)道.為此，本文希望借助于端淬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，通過(guò)相關(guān)傳熱學(xué)理論進(jìn)行分析和計(jì)算得到25CrMoA鋼880℃加熱保溫端淬后不同組織轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度，以及根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)獲得25CrMoA鋼水中淬火時(shí)鋼棒1/2半徑處具有馬氏體+貝氏體的臨界冷卻直徑.

25CrMoA鋼在端淬時(shí)，符合端淬試樣連續(xù)冷卻傳熱模型中的兩個(gè)假設(shè)[11]：一是假設(shè)25CrMoA鋼試樣與空氣換熱時(shí)為薄材；二是假設(shè)25CrMoA鋼試樣與水流換熱時(shí)為半無(wú)限體.試樣端淬后端淬距離X處的溫度和冷卻速度分別可以表示為：

(1)

(2)

將從880℃分別冷卻到各種組織開(kāi)始出現(xiàn)所需的時(shí)間以及25CrMo鋼相關(guān)的熱物性參數(shù)代入冷卻速度計(jì)算式(2)中，而最終獲得25CrMo鋼端淬試樣在各種組織開(kāi)始出現(xiàn)的端淬距離上分別對(duì)應(yīng)孕育期最短溫度處的冷卻速度，即25CrMo鋼奧氏體冷卻過(guò)程中各種組織的臨界冷卻速度.根據(jù)文獻(xiàn)[14]所給出的25CrMo鋼熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)，利用插值法可以分別求得25CrMoA鋼在454、634、675、880℃時(shí)的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)，其數(shù)值列于表2中.為了方便計(jì)算，式(1)和式(2)中的25CrMoA鋼熱物性數(shù)據(jù)取奧氏體加熱溫度880℃分別與454、634、675℃時(shí)熱物性數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值.這樣，最終計(jì)算出的25CrMoA鋼馬氏體的臨界冷卻速度為127℃/s(對(duì)應(yīng)于端淬距離2.9 mm的位置)；貝氏體的臨界冷卻速度為44℃/s(對(duì)應(yīng)于端淬距離7.7 mm的位置)；開(kāi)始有鐵素體和珠光體出現(xiàn)的臨界冷卻速度為43℃/s(對(duì)應(yīng)于端淬距離8.5 mm的位置).

表2　25CrMo鋼的熱物性參數(shù)

此外，根據(jù)25CrMoA鋼試樣端淬后、在端淬距離為7.7 mm時(shí)開(kāi)始有鐵素體出現(xiàn)的結(jié)果，以及文獻(xiàn)[15]中端淬試樣不同端淬距離同鋼棒1/2半徑處的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以獲得25CrMoA鋼880℃淬火時(shí)，其鋼棒1/2半徑處獲得馬氏體+貝氏體的臨界直徑約為48 mm.

4　結(jié)論

(1)25CrMoA鋼加熱過(guò)程中轉(zhuǎn)變的臨界溫度為Ac1=758℃，Ac3=841℃；

(2)25CrMoA鋼880℃加熱冷卻時(shí)，馬氏體和貝氏體的臨界冷卻速度分別為127和44℃/s，而當(dāng)冷卻速度低于43℃/s時(shí)，開(kāi)始有珠光體和鐵素體組織的出現(xiàn)；

(3)880℃淬火時(shí)，25CrMoA鋼鋼棒半徑1/2處獲得馬氏體+貝氏體組織的臨界冷卻直徑約48 mm.

參考文獻(xiàn)：

[1]邊書(shū).高鐵用25CrMo車(chē)軸鋼淬透性的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué),2012.

[2]CHADWICK S G, ZHOU N, SAAT M R. Highway-rail grade crossing safety challenges for shared operations of high-speed passenger and heavy freight rail in the U.S.[J].Safety Science,2014,68(10):128- 137.

[3]European Committee for Standardization (CEN).EN13261- 2009Railway Applications-Wheelsets and Bogies-Axles-Product Requirements[S]. Brussels: European Committee for Standardization,2010.

[4]傅成駿,李芷慧,朱瑾陶,等.EA4T車(chē)軸鋼熱處理冷卻轉(zhuǎn)變特性的研究[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝,2009(3):1- 3.

[5]鄒靜,雷晏,梁益龍,等.國(guó)產(chǎn)高速重載列車(chē)車(chē)軸用鋼EA4T的冷脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定[J].現(xiàn)代機(jī)械,2011(2):79- 80.

[6]鄭業(yè)方,楊軍,蘇立武,等.熱處理工藝對(duì)EA4T鋼車(chē)軸組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2011,36(12):38- 40.

[7]覃作祥,李芷慧,周鵬.25CrMo4鋼先共析鐵素體轉(zhuǎn)變及其對(duì)力學(xué)性能的影響[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(5):62- 66.

[8]LUND ,THORE. Measurement and prediction of Jominy hardenability[J]. Scandinavian Journal of Metallurgy, 1990,19:227.

[9]徐光,王巍,張?chǎng)螐?qiáng),等.金屬材料CCT曲線測(cè)定及繪制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[10]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T225- 2006鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:3- 5.

[11]丁志敏,左麗麗,趙晶,等.ZGMn13高錳鋼950℃水韌處理的可行性[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2013,34(12):132- 133.

[12]胡景豫.低合金高強(qiáng)度鋼的組織和性能的優(yōu)化[M].哈爾濱工程大學(xué),2011.

[13]《數(shù)學(xué)手冊(cè)》編寫(xiě)組.數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1979.

[14]李益華.車(chē)軸鍛造應(yīng)力演變及熱處理殘余應(yīng)力研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2013.

[15]吳季恂,周光裕,荀毓閩.鋼的淬透性應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1994:242- 245.