E300-520 材質(zhì)熱處理工藝研究

（中車大同電力機(jī)車有限公司，山西大同 037038）

1 概述

在我國(guó)鐵路機(jī)車制造行業(yè)中，鑄件生產(chǎn)占有重要地位，鑄件總重量能占到機(jī)車整車重量的5%～14%左右，在鑄件設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師往往根據(jù)鑄件所承受載荷情況來(lái)選取合適的材質(zhì)，目前在我國(guó)現(xiàn)有機(jī)車車輛中，常見(jiàn)的鑄鋼件材質(zhì)有ZG230-450，C 級(jí)鋼，E 級(jí)鋼，E300-520 MS 等，其中C 級(jí)鋼，E 級(jí)鋼主要用于機(jī)車車鉤及牽引座、電機(jī)支座等重要受力零部件，ZG230-450 多用于HXD1、HXD3 系列機(jī)車一般受力鑄鋼件，E300-520 MS 則是HXD2 系列機(jī)車較為常用的材質(zhì)，該材質(zhì)引用自UIC840-2《機(jī)車車輛用鑄鋼件供貨技術(shù)條件》，其化學(xué)成分如表1 所示、機(jī)械性能如表2 所示。

其中UIC840-2 標(biāo)準(zhǔn)中要求常溫沖擊V 型缺口沖擊韌性斷裂性能≥20 J 即可，但鐵路機(jī)車行業(yè)鑄件性能有其特殊性，該材質(zhì)在行業(yè)中統(tǒng)一要求進(jìn)行-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)中推薦該材質(zhì)進(jìn)行正火熱處理。

長(zhǎng)久以來(lái)我公司一直采用正火方式對(duì)E300-520MS 材質(zhì)鑄件進(jìn)行熱處理，工藝參數(shù)為:920 ℃下保溫3.5 h～4 h，吹風(fēng)冷卻，工藝曲線如圖1所示。2019 年上半年，經(jīng)過(guò)熱處理后機(jī)械性能不合格鑄件比例上升，僅7 月份生產(chǎn)7 熱處理爐次鑄件，不合格量達(dá)到6 爐之多，如表3 所示。

2 原有熱處理工藝分析

通過(guò)查閱之前數(shù)月的熱處理記錄發(fā)現(xiàn)，采用正火工藝熱處理的E300-520 MS 材質(zhì)鑄件性能一次性合格率一直較低，基本在60%左右，且合格的產(chǎn)品力學(xué)性能也徘徊在標(biāo)準(zhǔn)值附近，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鑄造車間熱處理窯使用年久，即使經(jīng)過(guò)2019 年設(shè)備大修后該窯升溫至920 ℃仍需要9 h以上，同時(shí)伴隨有跑火現(xiàn)象，窯內(nèi)溫度準(zhǔn)確性未知。

在生產(chǎn)過(guò)程中，額定裝爐量太大，達(dá)50 t 左右，裝窯后鑄件堆成小山形狀，大量鑄件出窯后，風(fēng)機(jī)無(wú)法及時(shí)進(jìn)行冷卻導(dǎo)致堆心溫度居高不下，E300-520 MS 在超過(guò)Ac3 溫度以上高溫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停留會(huì)使晶粒變得粗大，根據(jù)Hall-petch 關(guān)系低碳鋼屈服強(qiáng)度δ=（其中，σ0為作用在位錯(cuò)的摩擦力；d 為鐵素體晶粒直徑）可知，晶粒大小與材質(zhì)宏觀屈服性能呈反相關(guān)，升溫時(shí)間太長(zhǎng)和降溫速率過(guò)慢都無(wú)形中增加了材料在Ac3 以上高溫區(qū)的停留時(shí)間，促使晶粒變得粗大，同時(shí)高溫區(qū)降溫速率慢、過(guò)冷度小，使本應(yīng)正火熱處理的工藝變相地成為了退火熱處理，鑄件室溫金相組織中珠光體含量減少，珠光體片層間距變大，晶粒進(jìn)一步粗大。綜合各種因素，最終導(dǎo)致力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)。

圖1 E300-520 正火熱處理參數(shù)曲線

表1 E300-520 MS 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 E300-520 MS 機(jī)械性能

表3 7 月份E300-520 MS 材質(zhì)正火熱處理力學(xué)性能

為驗(yàn)證之前贅述的升溫時(shí)間長(zhǎng)、冷卻速率慢等原因，2019 年8 月曾在實(shí)驗(yàn)室的箱式熱處理爐中進(jìn)行過(guò)一次E300-520 MS 試棒正火實(shí)驗(yàn)，熱處理參數(shù)為:2 h 內(nèi)升溫至920 ℃，保溫3.5 h 后空冷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果顯示單根試棒僅在空冷的條件下即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中要求的力學(xué)性能，證明在升溫及冷卻良好的情況下正火熱處理工藝可以滿足產(chǎn)品性能要求。完成在實(shí)驗(yàn)室箱式爐的熱處理試驗(yàn)后，2019年9 月又進(jìn)行了一次生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，此次熱處理裝爐量減少，只裝了32 個(gè)軸箱體且鑄件之間擺放預(yù)留足夠通風(fēng)道以便降溫時(shí)加強(qiáng)冷卻速度，現(xiàn)場(chǎng)裝爐情況如圖2 所示，力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表5，經(jīng)檢測(cè)該批鑄件屈服強(qiáng)度雖有提高，但抗拉強(qiáng)度仍略低于標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明僅通過(guò)調(diào)整擺放位置已無(wú)法獲得足夠的冷卻速度。

3 工藝改進(jìn)方案

由于熱處理爐及冷卻風(fēng)機(jī)更新改造需要很長(zhǎng)周期，依照現(xiàn)有設(shè)備和工藝，擬對(duì)E300-520 MS 材質(zhì)采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝來(lái)提高力學(xué)性能，工藝參數(shù)見(jiàn)表5.調(diào)質(zhì)處理前各試樣均進(jìn)行900 ℃×3.5 h，然后空冷的正火預(yù)熱處理，根據(jù)之前生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，淬火工藝統(tǒng)一定為920 ℃×3.5 h，水冷?；鼗饻囟瓤刂圃?80 ℃～650 ℃之間。

表4 E300-520 MS 試棒采用箱式熱處理爐正火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 E300-520 MS 鑄件調(diào)整擺放位置后正火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 E300-520 MS 材質(zhì)調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試樣經(jīng)過(guò)900 ℃正火+920 ℃淬火+不同溫度回火后的力學(xué)性能如表7 所示，回火溫度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響如圖3 所示，從圖3 可以看出，隨著回火溫度的升高，E300-520 MS 試棒的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均下降，回火溫度為580 ℃時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，其中屈服強(qiáng)度387 MPa，抗拉強(qiáng)度586 MPa，回火溫度為650 ℃時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最小值，其中屈服強(qiáng)度335 MPa，抗拉強(qiáng)度536 MPa.圖4 為回火溫度對(duì)試樣塑性的影響，從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，E300-520 MS 材質(zhì)的塑性增強(qiáng)，回火溫度為580 ℃時(shí)，試棒的斷后伸長(zhǎng)率最低，達(dá)到21.5%，回火溫度為650 ℃時(shí)，試棒的斷后伸長(zhǎng)率最高，達(dá)到31%.圖5 為回火溫度對(duì)試棒低溫沖擊性能的影響，從圖中可以看出，隨著回火溫度升高，E300-520 MS 在-40 ℃的沖擊性能變好，回火溫度為580 ℃時(shí)，試棒的低溫沖擊功最低，為40.5 J，回火溫度為650 ℃時(shí)，試棒的低溫沖擊功最高，為63.5 J.

圖2 E300-520 鑄件裝爐情況

表7 不同回火溫度下的材料力學(xué)性能

圖3 回火溫度對(duì)試樣力學(xué)性能影響

圖4 回火溫度對(duì)試樣塑性影響

圖5 回火溫度對(duì)試樣低溫沖擊性能影響

與正火工藝相比，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理的E300-520 MS 試棒屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均差別不大，但-40 ℃下的低溫沖擊功顯著提高，在回火過(guò)程中，隨著溫度的升高，超過(guò)500 ℃以后，材料基體內(nèi)合金元素開(kāi)始擴(kuò)散，碳原子從馬氏體中析出，形成滲碳體并與合金元素相互作用，均勻彌散分布在鐵素體基體內(nèi)，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，隨著回火溫度升高，析出的碳化物數(shù)量增多，導(dǎo)致E300-520 MS 材質(zhì)的強(qiáng)度降低，塑性和韌性升高。

圖6 不同溫度調(diào)質(zhì)熱處理后的金相組織

E300-520 MS 試棒分別經(jīng)過(guò)920 ℃正火熱處理和不同溫度調(diào)質(zhì)熱處理后的金相組織如圖6 所示。從圖中可以看出E300-520 MS 經(jīng)過(guò)920 ℃正火熱處理后組織為粒狀珠光體+少量鐵素體，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的金相組織均為回火索氏體，高溫回火時(shí)，合金基體內(nèi)碳原子從馬氏體中晶界處偏聚，殘余奧氏體和馬氏體分解，合金元素和碳原子開(kāi)始形成滲碳體，隨著回火溫度升高，合金滲碳體數(shù)量越來(lái)越多，彌散分布在基體中，最終形成包裹著顆粒狀合金滲碳體的等軸鐵素體復(fù)合組織。圖中可以看出，回火索氏體組織粗細(xì)基本相同，說(shuō)明回火后組織是在馬氏體原位上生成的，組織粗細(xì)取決于淬火后組織。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理的E300-520 MS 材質(zhì)-40 ℃低溫沖擊性能大幅提升，從原有的30 J 左右可提升到60 J 左右，抗拉和屈服強(qiáng)度較正火熱處理工藝提升不明顯，但性能更加穩(wěn)定，熱處理后一次性合格率從60%提升至90%左右，與正火熱處理相比，調(diào)質(zhì)熱處理工藝性好，不受鑄件堆放方式和設(shè)備冷卻能力的影響。在調(diào)質(zhì)熱處理試驗(yàn)中，隨著回火溫度的升高，E300-520 MSC 材質(zhì)強(qiáng)度降低，塑性和低溫沖擊性能提高，最終經(jīng)過(guò)綜合考慮，認(rèn)為900 ℃正火+920 ℃淬火+620 ℃回火的熱處理工藝較為適用目前生產(chǎn)。