25CrMo4鋼先共析鐵素體轉(zhuǎn)變及其對(duì)力學(xué)性能的影響

覃作祥，李芷慧，周鵬

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

大功率機(jī)車是我國(guó)鐵路貨運(yùn)重載的主要牽引機(jī)車，其制造難度很高.車軸是鐵道車輛走行部極為重要的部件，其質(zhì)量狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸安全.而決定車軸的質(zhì)量關(guān)鍵在于軸坯的質(zhì)量及其熱處理技術(shù)，為此，世界各國(guó)都對(duì)鐵路車軸提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求.鐵路大功率機(jī)車(重載貨車牽引用)的車軸采用一種新鋼種——EA4T，該鋼是歐洲先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)(EN13261:2003)［1］規(guī)定的高速、重載鐵路車軸用鋼，國(guó)外許多大功率機(jī)車和高速列車用車軸都采用這一標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)的車軸用鋼主要為40鋼、50鋼［2-3］，隨著我國(guó)貨車載重量的持續(xù)增加和運(yùn)行速度的不斷提高，原40鋼、50鋼已不適宜作為高速、重載機(jī)車車軸用鋼，需要引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、采用力學(xué)性能更優(yōu)異的EA4T鋼，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用［4］.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該鋼經(jīng)熱處理后組織應(yīng)為M+B，但由于車軸的截面積較大，熱處理工藝條件多變，導(dǎo)致車軸檢測(cè)組織中常出現(xiàn)超標(biāo)的先共析鐵素體.由于缺乏25CrMo4鋼的TTT或CCT曲線，所以，需要弄清25CrMo4鋼中先共析鐵素體在冷卻中的轉(zhuǎn)變規(guī)律，為其熱處理工藝提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用的25CrMo4鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1.材料經(jīng)鍛造后正火，正火態(tài)洛氏硬度值HRC25～26.

表1 25CrMo4鋼的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

試樣加熱到920℃保溫30 min，然后將試樣取出放入BaCl2+KCl+NaCl鹽浴槽中分別在740℃、710℃和675℃下等溫，控制等溫時(shí)間，然后再在3.5%NaCl溶液中冷至室溫.

將熱處理后的方料用線切割切開(kāi)制成金相試樣，用4%的硝酸酒精腐蝕后觀察顯微組織，金相觀察采用Neophot-32型金相顯微鏡.根據(jù)面積來(lái)統(tǒng)計(jì)鐵素體的數(shù)量，計(jì)算得出鐵素體含量.硬度測(cè)量用HR-150A型洛氏硬度計(jì).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 25CrMo4鋼原材料的金相組織

圖1是25CrMo4鋼原材料的組織形貌，可見(jiàn)，鋼的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體和珠光體的晶粒尺寸都很細(xì)小.

圖1 25CrMo4鋼原材料的組織形貌

為了獲得不同的鐵素體含量，采用了分級(jí)淬火的工藝.具體如下:在920℃奧氏體化，然后迅速淬入650～750℃(先共析鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū))的鹽浴中等溫不同時(shí)間，待其析出先共析鐵素體，然后再淬入鹽水中，并進(jìn)行回火.

本實(shí)驗(yàn)分別選擇在740℃、710℃和675℃三個(gè)溫度進(jìn)行第二級(jí)淬火的等溫過(guò)程，以研究鐵素體的析出規(guī)律，尋求一個(gè)容易控制鐵素體量的適當(dāng)工藝，進(jìn)而研究鐵素體量對(duì)力學(xué)性能的影響.對(duì)于熱處理后的試樣，通過(guò)金相和硬度兩種手段來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析.

2.2 不同溫度下等溫先共析鐵素體析出規(guī)律

2.2.1 740℃等溫過(guò)程

圖2是25CrMo4鋼在740℃等溫不同時(shí)間轉(zhuǎn)變的顯微組織.從圖中可以看到，25CrMo4鋼在740℃等溫70 s后才有少量的先共析鐵素體(F)形成，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，到110 s時(shí)才可見(jiàn)F數(shù)量增多，到300 s時(shí)形成了許多多邊形的先共析F組織，F(xiàn)塊明顯增大.到600 s時(shí)，鐵素體塊尺寸有所增大，但數(shù)量增加不是十分明顯，F(xiàn)數(shù)量不超過(guò)8%.可見(jiàn)在740℃這一較高溫度下等溫F的析出速度較慢.由于在該溫度下C、Fe元素的擴(kuò)散較快，F(xiàn)長(zhǎng)的較粗大.

圖2 25CrMo4鋼在740℃等溫轉(zhuǎn)變的顯微組織

2.2.2 710℃等溫鐵素體析出規(guī)律

圖3 25CrMo4鋼在710℃等溫轉(zhuǎn)變的顯微組織

圖3是25CrMo4鋼在710℃等溫不同時(shí)間轉(zhuǎn)變的顯微組織，25CrMo4鋼在等溫30 s后可看到少量的先共析F開(kāi)始形成，等溫50 s時(shí)已經(jīng)較為明顯，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)數(shù)量增多，到100 s時(shí)形成了許多多邊形的先共析F組織，F(xiàn)塊明顯增大，其數(shù)量約6%～8%.可見(jiàn)在710℃這個(gè)溫度等溫，F(xiàn)的析出速度明顯快于740℃下等溫.

2.2.3 675℃等溫鐵素體析出規(guī)律

圖4是25CrMo4鋼在675℃等溫不同時(shí)間轉(zhuǎn)變的顯微組織，25CrMo4鋼在等溫35秒時(shí)開(kāi)始有鐵素體析出，70 s后可看到有明顯的先共析F形成，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)數(shù)量逐漸增多.到120 s時(shí)形成了大量的先共析F，數(shù)量已接近10%，F(xiàn)塊明顯增大，F(xiàn)分布均勻，F(xiàn)也是從原奧氏體中析出.到240 s時(shí)，F(xiàn)塊數(shù)量和尺寸都有所增大，F(xiàn)數(shù)量已接近15%.可見(jiàn)在675℃這一溫度下等溫，F(xiàn)的析出速度更快.

圖4 25CrMo4鋼在675℃等溫轉(zhuǎn)變的顯微組織

圖5 等溫時(shí)間對(duì)25CrMo4鋼先共析鐵素體含量的影響

從圖5可以更直觀地看出等溫處理下等溫溫度及等溫時(shí)間對(duì)F析出量的規(guī)律，25CrMo4鋼在740℃等溫(曲線a)下F的析出速度很慢，到600 s時(shí)，F(xiàn)數(shù)量也不超過(guò)8%;25CrMo4鋼在710℃(曲線b)及675℃(曲線c)下等溫，F(xiàn)析出速度明顯加快，且25CrMo4鋼在675℃這一溫度下等溫，F(xiàn)的析出速度快且數(shù)量容易控制.

2.3 鐵素體量對(duì)25CrMo4鋼力學(xué)性能的影響

2.3.1 鐵素體量對(duì)25CrMo4鋼硬度的影響

圖6是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，740℃等溫不同時(shí)間，鹽水淬火和回火后的硬度.可見(jiàn)，在未形成F前其淬火硬度較高，達(dá)到了HRC50以上，當(dāng)F析出后，淬火硬度略有降低，但至600 s時(shí)鐵素體析出量仍不大，因而硬度下降較少.650℃回火后其硬度基本接近，只是F含量多的樣品的硬度略低.

圖6 在740℃等溫所得的淬火和回火硬度

圖7是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，710℃等溫不同時(shí)間，鹽水淬火以及回火后的硬度.可見(jiàn)，在未形成F前其淬火硬度較高，都達(dá)到了HRC53左右，當(dāng)開(kāi)始有F析出后，淬火硬度略有降低.回火硬度基本接近，隨F含量增多，硬度稍有下降.

圖7 在710℃等溫所得的淬火和回火硬度

圖8是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，675℃等溫不同時(shí)間，鹽水淬火和回火后的硬度.可見(jiàn)，在未形成F前其淬火硬度較高，達(dá)到了HRC53左右，當(dāng)F析出后，淬火硬度逐漸降低，當(dāng)析出大量的鐵素體時(shí)，硬度下降較多，當(dāng)鐵素體量達(dá)到15%左右時(shí)，硬度已降至 HRC40以下.650℃回火后其硬度不隨鐵素體量變化，硬度不變.

圖8 在675°C等溫所得的淬火和回火硬度

2.3.2 鐵素體量對(duì)25CrMo4鋼拉伸性能的影響

表2為不同鐵素體含量的4個(gè)試樣經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果.由表中結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)鐵素體量控制在11%以內(nèi)，25CrMo4鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服極限基本相同，伸長(zhǎng)量和面縮率也基本接近.可見(jiàn)，當(dāng)鐵素體量較少時(shí)，對(duì)25GrMo4鋼的拉伸性能影響較小.但其中3號(hào)試樣，因發(fā)生標(biāo)距外斷裂的現(xiàn)象而出現(xiàn)奇異值.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，強(qiáng)度值偏高，因而仍需提高回火溫度或延長(zhǎng)回火時(shí)間來(lái)提高其塑性.

表2 不同鐵素體含量試樣的拉伸性能

2.3.3 鐵素體量對(duì)25CrMo4鋼沖擊韌性的影響

圖9 不同鐵素體量試樣的沖擊功

圖9為不同鐵素體含量的試樣經(jīng)沖擊試驗(yàn)所得的結(jié)果.由圖中結(jié)果可見(jiàn)，隨鐵素體含量的增加，25CrMo4鋼的沖擊功逐漸減小，當(dāng)鐵素體量超過(guò)5%時(shí)，沖擊功下降顯著.這很可能是由于鐵素體組織受沖擊時(shí)，產(chǎn)生了微裂紋.鐵素體容易引起裂紋的萌生，尤其是當(dāng)鐵素體量較多時(shí)，所產(chǎn)生的裂紋匯集而導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致沖擊韌性下降.

3 結(jié)論

(1)在先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)，隨溫度的降低，鐵素體的析出速率加快，F(xiàn)逐漸呈均勻分布，并且F轉(zhuǎn)為在原奧氏體晶界析出.而隨著等溫時(shí)間的增加，鐵素體的尺寸和數(shù)量都會(huì)有所增加，形態(tài)由細(xì)小的針狀變?yōu)榇髩K的多邊形狀;

(2)在675～740℃溫度區(qū)間保溫，隨著溫度的降低，鐵素體析出速度加快;

(3)在675℃等溫時(shí)，鐵素體的析出速度較快，且析出數(shù)量容易控制.獲得2%～3%，5%～8%，10%～15%鐵素體的保溫時(shí)間分別是70 s，120 s和240 s;

(4)當(dāng)鐵素體量在11%以內(nèi)，25CrMo4鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服極限基本相同.沖擊韌性在鐵素體量小于5%時(shí)也基本相同，但當(dāng)鐵素體含量達(dá)到11%時(shí)則有所降低.

［1］BS EN13261:2003.鐵路應(yīng)用-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架-車軸-產(chǎn)品要求［S］.歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，2003.

［2］戚正風(fēng).車軸用鋼的碳含量及熱處理［J］.材料工程，1999(3):32-33.

［3］李學(xué)鋒.鐵道車輛用LZW車軸鋼晶粒度研究［J］.鋼鐵，2001(8):36-38.

［4］任民.馮偉.德國(guó)低合金調(diào)制鋼25CrMo4的焊接［J］.石油化工建設(shè)，2007(4):52-53.