U75V高速軌鋼脫碳的影響因素分析

胡盛德，張 靜，杭乃勤

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430081）

U75V高速軌鋼是應(yīng)我國(guó)鐵路鋼軌強(qiáng)化改造而研制的微合金共析鋼，若在生產(chǎn)過程中控制脫碳不達(dá)標(biāo)，則將導(dǎo)致其強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鋼軌軌頭剝落［1－2］。為此，本文在不同爐內(nèi)氣氛、加熱溫度、停留時(shí)間以及是否采用保護(hù)涂料等條件下，對(duì)U75V高速軌鋼脫碳的影響因素進(jìn)行分析，以期探討加熱過程中U75V高速軌鋼脫碳層的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣的制備

本實(shí)驗(yàn)試樣取自某廠U75V高速軌連鑄鋼坯，其斷面尺寸為280 mm×380 mm×7 700 mm，化學(xué)成分如下：w（C）為0.71%～0.78%，w（Si）為0.50%～0.70%，w（Mn）為0.75%～1.05%，w（V）為0.04%～0.08%，w（Cr）不大于0.15%，w（Ni）不大于0.10%，w（Cu）不大于0.15%，w（P）、w（S）均不大于0.025%。

沿鋼坯斷面的表面截取試樣，試樣制作方法見文獻(xiàn)［3］。首先在不同爐號(hào)的連鑄鋼坯上熱切取一段250 mm坯料，并將熱切面刨平，然后切成樣條，再將各樣條鋸切為40 mm×40 mm×40 mm方塊，并對(duì)試樣編號(hào)。

1.2 加熱工藝

現(xiàn)場(chǎng)步進(jìn)式加熱爐加熱鋼坯時(shí)，鋼坯表面是一個(gè)逐漸升溫的過程，當(dāng)鋼坯運(yùn)行至加熱段中部時(shí)，其表面溫度基本達(dá)到出爐溫度。在加熱脫碳實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于試樣體積小，試樣溫度與爐溫基本一致，因此，模擬現(xiàn)場(chǎng)鋼坯表面的升溫過程，應(yīng)對(duì)加熱爐進(jìn)行分段升溫控制。圖1為正常軋制時(shí)溫控方案，圖2～圖4為停機(jī)待軋時(shí)溫控方案。為分析不同爐氣成分對(duì)鋼坯表面脫碳的影響，對(duì)步進(jìn)式加熱爐各段設(shè)定不同的空氣消耗系數(shù)。

圖1 正常軋制溫控方案Fig.1 Heating program for normal rolling

圖2 停留在預(yù)熱段溫控方案Fig.2 Heating program for pre－h(huán)eating zone

圖3 停留在加熱段溫控方案Fig.3 Heating program for heating zone

圖4 停留在均熱段溫控方案Fig.4 Heating program for soaking zone

2 結(jié)果與分析

2.1 正常軋制時(shí)鋼坯氧化及脫碳分析

稱量加熱前和去除氧化鐵皮后試樣的質(zhì)量差，將氧化失重轉(zhuǎn)換成單位面積氧化失重量，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出，2＃、4＃、6＃試樣的氧化失重高于1＃、3＃、5＃試樣，這是由于2＃、4＃、6＃試樣在均熱段均為氧化性氣氛，而1＃、3＃、5＃試樣在均熱段均為還原性氣氛。當(dāng)空氣消耗系數(shù)大于1時(shí)，隨著消耗系數(shù)的增加，含氧量也增加，加熱時(shí)氧化就越嚴(yán)重。當(dāng)空氣消耗系數(shù)小于1時(shí)，由于CO2含量遠(yuǎn)大于CO含量，所以主要發(fā)生氧化反應(yīng)，但加熱時(shí)亦發(fā)生FeO＋CO —→Fe＋CO2反應(yīng)，對(duì)氧化產(chǎn)生一定的抑制作用。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)分別為1.2和1.1時(shí)，爐內(nèi)含有較多的O2，試樣單位氧化失重最多。各種試樣的氧化燒損量均隨著預(yù)熱段空氣消耗系數(shù)的增大而增加，這是由于氧化性氣氛越來越強(qiáng)所致。

圖5 試樣正常軋制加熱后氧化燒損量Fig.5 Oxygenation loss for normal rolling

對(duì)試樣加熱后的脫碳層深度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，脫碳層平均深度如圖6所示。由圖6可看出，3＃試樣總脫碳層最深，1＃、2＃、4＃試樣總脫碳層較淺。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)均為0.9時(shí)，即預(yù)熱、均熱均為還原性氣氛時(shí)，試樣脫碳層深度較薄，其原因是在還原性氣氛中形成比較致密的氧化物鐵皮，阻止了試樣脫碳的發(fā)生。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)分別為0.9和1.1時(shí)，總脫碳層厚度變薄，其原因是均熱段溫度較高，在氧化性氣氛條件下試樣脫碳速度加快，氧化速度也加快，氧化速度快于脫碳速度。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)分別為1.1和0.9時(shí)，脫碳層深度最厚，其原因是雖然在高溫段用還原性氣氛能夠阻礙試樣的氧化脫碳，但在預(yù)熱段氧化性氣氛中，試樣表面脫碳層已有一定深度。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)均為1.1時(shí)，總脫碳層深度明顯減少，其原因是氧化性氣氛加劇脫碳反應(yīng)，增加了氧化量，使脫碳層隨氧化鐵皮剝落量增加而加深。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)分別為1.2和1.1時(shí)，總脫碳量少量增加，其原因可能是在此條件下，試樣表面形成的Fe3O4變?yōu)槭杷傻腇e2O3，無(wú)法阻止氧化脫碳的發(fā)生。由此可見，加熱爐爐內(nèi)氣氛對(duì)U75V高速軌鋼脫碳有顯著影響。

圖6 試樣正常軋制加熱后脫碳層Fig.6 Decarburization depth for normal rolling

在預(yù)熱段為還原性氣氛、空氣消耗系數(shù)為0.9以及均熱段為氧化性氣氛、空氣消耗系數(shù)為1.1時(shí)，試樣脫碳層最薄，對(duì)氧化的影響較小。當(dāng)預(yù)熱段和均熱段均為氧化性氣氛、空氣消耗系數(shù)分別為1.2和1.1時(shí)，氧化明顯增多，在均熱段均為相同氧化氣氛的情況下對(duì)脫碳影響最大。為防止嚴(yán)重脫碳，應(yīng)盡量避免預(yù)熱段為氧化性氣氛。

2.2 停機(jī)待軋時(shí)鋼坯氧化及脫碳分析

2.2.1 保護(hù)涂料對(duì)停機(jī)待軋時(shí)鋼坯氧化的影響涂有涂料和未涂涂料試樣加熱后的微觀組織如圖7所示。涂料為WEN22022C型抗高溫氧化劑。由圖7可看出，未涂保護(hù)涂料試樣的脫碳層由全脫碳層和部分脫碳層組成，脫碳層的鐵素體組織粗大；涂有保護(hù)涂料試樣的脫碳層只有部分脫碳層，其鐵素體晶粒較細(xì)小。

圖7 試樣加熱后的脫碳層顯微組織結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of decarburized layer for heated samples

圖8為保護(hù)涂料對(duì)試樣脫碳深度的影響。由圖8可看出，加熱制度相同時(shí)，涂有保護(hù)涂料的試樣加熱后脫碳層深度明顯降低，涂有保護(hù)材料可使試樣的脫碳深度減少14%～44%，平均降幅為29.7%。

圖8 保護(hù)涂料對(duì)試樣脫碳的影響Fig.8 Effect of protective coating on decarburization

2.2.2 氧化性氣氛對(duì)停機(jī)待軋時(shí)鋼坯脫碳的影響

對(duì)11＃、12＃、13＃試樣進(jìn)行比較，3個(gè)試樣僅在預(yù)熱段空氣消耗系數(shù)不同，其他加熱條件相同，其脫碳層深度如圖9所示。由圖9可看出，隨著預(yù)熱段空氣消耗系數(shù)增大，脫碳層深度先增加后下降。12＃、13＃試樣的氧化性氣氛比11＃試樣強(qiáng)，故加快了鋼坯脫碳的進(jìn)行。但12＃試樣的空氣消耗系數(shù)比13＃試樣小，脫碳層深度卻比13＃試樣厚。這是因?yàn)榧訜嵩嚇訒r(shí)，一方面外界的氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散，形成鋼的表面氧化；另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散，形成鋼的表面脫碳層。因此，在強(qiáng)烈的氧化性氣氛下，氧化速度和脫碳速度都加快，但當(dāng)氧化速度大于脫碳速度時(shí)，鋼坯的脫碳層減薄，但此時(shí)金屬的損耗量增加［4］。

圖9 氧化性氣氛對(duì)試樣脫碳的影響Fig.9 Effect of furnace atmosphere on decarburization

2.2.3 不同停留階段對(duì)鋼坯脫碳的影響

圖10 不同停留階段對(duì)試樣氧化脫碳的影響Fig.10 Oxygenation and decarburization of the sample under different heating programs

圖10為停機(jī)待軋時(shí)3種氧化性氣氛相同、停留階段不同的11＃、16＃、18＃試樣脫碳層與氧化燒損量的關(guān)系。由圖10（a）可看出，試樣停留在均熱段的脫碳層深度最厚，停留在加熱段的脫碳層深度最薄。因此在溫度越高的階段加熱較長(zhǎng)時(shí)間將增加試樣脫碳層的深度［5］。但16＃試樣停留階段溫度比11＃試樣停留階段溫度要高，脫碳層深度卻薄，這是因?yàn)?6＃試樣的氧化燒損是3個(gè)試樣中最嚴(yán)重的（見圖10（b）），使其脫碳層深度有所降低。總的來說，18＃試樣氧化燒損量和脫碳層深度都較大，而11＃試樣氧化和脫碳較輕，16＃試樣脫碳層深度雖然最淺，但其金屬損耗量卻遠(yuǎn)大于11＃試樣。這表明在停機(jī)待軋時(shí)，應(yīng)盡量使鋼坯停留在預(yù)熱段并采用較低的溫度保溫，即使在加熱段和均熱段，也要在工藝條件允許的情況下盡量降低其保溫溫度。

3 結(jié)論

（1）正常軋制時(shí)，應(yīng)盡量避免預(yù)熱段為氧化性氣氛，以便降低脫碳層。停機(jī)待軋加熱時(shí)間達(dá)到300 min以上時(shí)，在預(yù)熱段停留保溫時(shí)鋼坯的氧化燒損量和脫碳層較小。在預(yù)熱段和均熱段空氣消耗系數(shù)分別為1.2和0.8時(shí)，鋼坯的脫碳層深度最淺。

（2）涂有保護(hù)涂料對(duì)降低鋼坯脫碳效果明顯，使用防護(hù)涂料使鋼坯的氧化燒損減少20%～30%，脫碳層深度平均減少29.7%。

［1］ 李革，賈寶華，姜旭.百米U75V鋼軌矯直前冷卻過程彎曲變形的有限元分析［J］.特殊鋼，2010，31（3）：14－15.

［2］ 喻威，劉升，杭乃勤.軋制變形對(duì)重軌脫碳深度的影響［J］.特殊鋼，2011，34（1）：30－34.

［3］ 黃燦，杭乃勤，張細(xì)菊.重軌鋼脫碳的研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，27（3）：234－236.

［4］ 曹安然，李玉芳.彈簧鋼用氧化脫碳涂料的制備與性能［J］.機(jī)械工程材料，2010，34（7）：66－69.

［5］ 崔娟，劉雅政，黃學(xué)啟.中碳彈簧鋼加熱過程脫碳特性的試驗(yàn)研究［J］.熱加工工藝，2007，36（20）：20－23.