U71MnSiCu重型鋼軌的熱處理工藝研究

郎慶斌 于慎君 劉曉恩 潘志生 郭文峰

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471003)

U71MnSiCu重型鋼軌的熱處理工藝研究

郎慶斌 于慎君 劉曉恩 潘志生 郭文峰

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471003)

通過(guò)采用金相組織分析和硬度檢測(cè)等方法對(duì)U71MnSiCu鋼的熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定了U71MnSiCu鋼軌的熱處理工藝并用于生產(chǎn)實(shí)踐中。最終18件鋼軌均獲得較高硬度值，一次性合格率100%。

U71MnSiCu鋼；重型鋼軌；熱處理工藝；硬度

鋼軌是鐵路或大型設(shè)備上滑行軌道系統(tǒng)的重要組成部分。由于鋼軌需承載著較大負(fù)荷，常與其它滑行部件產(chǎn)生摩擦，磨損嚴(yán)重，因此硬度是鋼軌力學(xué)性能要求的主要指標(biāo)。我公司生產(chǎn)的U71MnSiCu鋼軌是用于鋁板拉伸機(jī)滑行軌道上的部件，由于鋼軌設(shè)計(jì)承載的負(fù)荷極大，其尺寸比一般標(biāo)準(zhǔn)鋼軌要寬，重量每米約470 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重型鋼軌重量的規(guī)定[1]。為了提高拉伸機(jī)的生產(chǎn)效率，減小更換鋼軌周期，要求鋼軌具有更好的耐磨性，要求鋼軌的硬度值為310～350HBW。我公司為了生產(chǎn)出滿足硬度要求的U71MnSiCu鋼軌，需對(duì)鋼軌熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行研究，并制定符合實(shí)際生產(chǎn)的熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 化學(xué)成分

U71MnSiCu鋼軌的主要化學(xué)成分如表1所示。由合金元素對(duì)性能的作用可以知道，U71MnSiCu鋼屬于高碳類(lèi)型的鋼種，碳含量范圍在0.65%～0.77%，是鋼軌硬度的基本保障。錳元素含量在1%左右，可以增強(qiáng)其淬透性，使表面硬度和淬硬層增加，從而提高鋼軌耐磨性。硅元素對(duì)提高鋼的硬度和強(qiáng)度具有很強(qiáng)的作用。添加適量的銅元素可以起到自潤(rùn)滑的作用，減小摩擦系數(shù)，從而增強(qiáng)其耐磨性[2]。因此，U71MnSiCu的化學(xué)成分是保證其滿足硬度和耐磨性的基本保障。

表1 U71MnSiCu鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The main chemical composition of U71MnSiCu steel(mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)方法

在U71MnSiCu重型鋼軌工件吊頭套取?18 mm×180 mm試棒后切成?18 mm×20 mm的試樣進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：分別在740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃保溫30 min，然后油冷。采用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)淬火硬度值，得出不同淬火溫度與硬度的關(guān)系曲線。然后選擇一個(gè)合適的淬火溫度進(jìn)行淬火，淬火后再分別在450℃、480℃、510℃、540℃、570℃、600℃進(jìn)行回火試驗(yàn)，保溫1 h后空冷。最后檢測(cè)試樣回火硬度值并觀察試樣金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

淬火溫度與回火溫度對(duì)U71MnSiCu鋼硬度的影響見(jiàn)表2?？梢钥闯?，U71MnSiCu鋼在740℃淬火硬度值很低，而當(dāng)淬火溫度加熱至760℃時(shí)，硬度發(fā)生了質(zhì)的變化，硬度迅速提高，硬度值達(dá)到59HRC。隨著淬火溫度繼續(xù)升高，硬度也提高，當(dāng)淬火溫度為800℃時(shí)，硬度達(dá)到峰值，約為65HRC，隨后硬度隨著淬火溫度的升高稍有下降，在淬火溫度為860℃時(shí)，硬度有明顯的下降。從淬火硬度的變化規(guī)律看，U71MnSiCu鋼的Ac3溫度大于740℃，并在740～760℃之間的適宜溫度淬火得到的硬度值應(yīng)為63～65HRC。U71MnSiCu鋼經(jīng)800℃淬火，和在450～600℃溫度范圍回火，其硬度變化規(guī)律為硬度隨回火溫度升高而降低，起初硬度隨回火溫度升高稍有下降，即回火溫度每升高30℃，硬度下降1～1.5HRC，當(dāng)回火溫度大于540℃時(shí)，硬度發(fā)生明顯的下降，即回火溫度為540℃時(shí)硬度值為37.5HRC，而回火溫度為570℃時(shí)硬度值為31.5HRC，硬度值降低了6HRC。由此可見(jiàn)U71MnSiCu鋼在450～540℃回火可以保持較高的硬度值，硬度約為37.5～41HRC。

表2 U71MnSiCu鋼不同淬火溫度和回火溫度的硬度值Table 2 Hardness values of U71MnSiCu steel at different quenching temperatures and tempering temperatures

U71MnSiCu鋼淬火前及不同溫度下淬火的金相組織見(jiàn)圖1。淬火前的組織為珠光體組織與屈氏體組織及少量的鐵素體(見(jiàn)圖1(a))。在740℃加熱油冷得到的組織主要為粒狀珠光體與片狀珠光體組織(見(jiàn)圖1(b))。金相組織與硬度值相呼應(yīng)，同時(shí)也說(shuō)明了U71MnSiCu鋼在該溫度沒(méi)有發(fā)生完全奧氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)淬火溫度高于760℃，淬火組織主要為針狀馬氏體組織加少量的殘余奧氏體，如圖1(c)～圖1(f)所示。隨著淬火溫度的升高，成分越均勻，淬火組織中的殘余奧氏量減少，淬火硬度值逐漸升高。當(dāng)淬火溫度高于820℃時(shí)，隨著溫度升高，合金元素溶入奧氏體越充分，奧氏體穩(wěn)定性增加，淬火組織中的殘余奧氏體含量也逐漸增加，因此淬火硬度值隨溫度升高而降低[2]。由此可見(jiàn)，U71MnSiCu鋼在780～820℃溫度范圍淬火，材料硬度值達(dá)到最佳，且組織為細(xì)針狀馬氏體，殘余奧氏體量很少。在450～540℃之間回火的組織為回火屈氏體組織(見(jiàn)圖2)，因此材料的硬度值較高。

3 U71MnSiCu鋼軌的熱處理及檢驗(yàn)結(jié)果

U71MnSiCu鋼軌總長(zhǎng)5 000 mm，厚170 mm，硬度要求310～350HBW，相當(dāng)于洛氏硬度33.5～38HRC。根據(jù)U71MnSiCu鋼的工藝試驗(yàn)結(jié)果，U71MnSiCu鋼軌淬火溫度應(yīng)選在780～820℃之間。由于實(shí)際工件淬硬性比小試樣淬硬性差，為了滿足 U71MnSiCu鋼軌的硬度要求，因此回火溫度應(yīng)比試驗(yàn)結(jié)果的稍低些，應(yīng)選在450～510℃之間。按照?qǐng)D3的工藝進(jìn)行熱處理，18件鋼軌均獲得較高的硬度值，一次性合格。其硬度值見(jiàn)表3。

圖2 U71MnSiCu鋼回火后的金相組織#500×Figure 2 Microstructure of U71MnSiCu steel after tempering 500×

圖3 U71MnSiCu鋼軌熱處理工藝Figure3 Heat treatment process for U71MnSiCu steel rail

表3 U71MnSiCu鋼軌的硬度檢測(cè)值Table 3 Test values of U71MnSiCu steel rail hardness

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)U71MnSiCu鋼的研究，得知U71MnSiCu鋼在780～820℃溫度范圍內(nèi)淬火得到的硬度值最佳，約為63～65HRC，淬火組織為針狀馬氏體加極少量殘余奧氏體。在450～540℃溫度范圍回火，仍保持較高硬度值，約為37.5～41HRC，回火組織為回火屈氏體。根據(jù)研究結(jié)果制定了U71MnSiCu鋼軌的熱處理工藝。18件鋼軌熱處理后，硬度均達(dá)到硬度值要求310～350HBW的中上限，一次性熱處理合格率100%，證明U71MnSiCu鋼軌熱處理工藝合理。

[1] 孫一峰. 武鋼重軌生產(chǎn)工藝裝備改造及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)[J]. 軋鋼, 2005,22(4)：36-38.

[2] 姚小飛, 謝發(fā)勤. TC4鈦合金表面鍍Cu摩擦磨損性能的研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(12):2135-2138.

編輯 李韋螢

中國(guó)制造業(yè)新規(guī)劃有望2015年年中出臺(tái)

據(jù)悉，工信部正聯(lián)合有關(guān)部門(mén)編制《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，有望2015年年中出臺(tái)，為把我國(guó)打造成現(xiàn)代化的工業(yè)強(qiáng)國(guó)描繪出清晰的路線圖。

工信部裝備司副司長(zhǎng)李東昨日在“2014中國(guó)(北京)國(guó)際能源峰會(huì)”上表示，工信部正在會(huì)同發(fā)改委、科技部、財(cái)政部等部門(mén)，制定《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要，提出以“1+10”的規(guī)劃體系發(fā)展裝備制造業(yè)，尤其是重點(diǎn)發(fā)展重大技術(shù)裝備。目前，各部委已啟動(dòng)了《關(guān)于加快推進(jìn)新時(shí)期的重大技術(shù)裝備的指導(dǎo)意見(jiàn)》。

(摘自中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)公司網(wǎng)2014-7-31)

Research on Heat Treatment Process for U71MnSiCu Heavy Steel Rail

LangQingbin,YuShenjun,LiuXiaoen,PanZhisheng,GuoWenfeng

The heat treatment parameters of U71MnSiCu steel are studied by using the methods of metallographic analysis and hardness test. The heat treatment process of U71MnSiCu steel rail is made and used for production practice according to test results. At last 18 pieces of steel rails have

a higher hardness values and a one-time pass rate is 100%.

U71MnSiCu steel; heavy steel rail; heat treatment process; hardness

2014—01—13

TG156.6

B