熱處理對(duì)U76CrRE稀土重軌鋼夾雜物和微觀組織的影響

李向川， 楊吉春， 白國(guó)君， 樊志明

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

隨著西藏首條電氣化鐵路——西藏拉林鐵路建成通車(chē)，標(biāo)志著我國(guó)復(fù)興號(hào)實(shí)現(xiàn)全國(guó)31個(gè)省市區(qū)的全面覆蓋，這其中鐵路鋼軌功不可沒(méi)。未來(lái)，我們還要繼續(xù)在環(huán)境更加惡劣的地區(qū)開(kāi)通高速鐵路，這就需要性能更加優(yōu)異的鋼軌。

U76CrRE稀土重軌鋼是為了應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的鋼軌服役條件而研制的第二代重軌鋼產(chǎn)品，其是在U75V鋼的基礎(chǔ)上加入Cr元素，并加入0.02%的鑭鈰稀土元素，使鋼軌的塑韌性、耐磨性、抗拉強(qiáng)度等綜合性能得到全面提升[1-4]。這其中不乏稀土元素對(duì)鋼的改善作用，而熱處理工藝同樣是提升鋼材性能的重要措施。軋制過(guò)程中，鋼中大塊帶棱角的Al2O3呈線鏈狀分布于鋼基體中，嚴(yán)重影響金屬材料的流動(dòng)，甚至導(dǎo)致鋼基體被劃傷，產(chǎn)生裂紋[5]。長(zhǎng)條狀的MnS同樣會(huì)在鋼材軋制過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。齊江華等[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1180 ℃加熱保溫1～3 h時(shí)，大型MnS夾雜物數(shù)量明顯減少，小尺寸的夾雜物數(shù)量增多，并且總數(shù)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減少，長(zhǎng)寬比也進(jìn)一步降低。當(dāng)熱處理溫度為1000 ℃時(shí)，重軌鋼中非金屬夾雜物轉(zhuǎn)變主要為Al2O3-CaO-SiO2→Al2O3-CaS-SiO2(-CaO)，不僅降低了MnS的長(zhǎng)寬比，也使其尺寸、單位體積數(shù)量、形狀等發(fā)生變化[7-9]。隨著回火溫度的升高，可以使析出的碳化物發(fā)生聚集或球化，獲得回火索氏體組織，對(duì)提高鋼的塑性具有積極影響[10]。

基于此，本文通過(guò)探究不同加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)U76CrRE鋼夾雜物和微觀組織的影響，為進(jìn)一步提升U76CrRE稀土鋼軌的綜合性能提供一些理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)樣品制備

本試驗(yàn)采用全流程生產(chǎn)的U76CrRE稀土重軌鋼鋼坯，化學(xué)成分見(jiàn)表1，使用鉬絲切割機(jī)沿軋制方向從鋼坯中切取尺寸為12 mm×12 mm×12 mm的試樣10個(gè)，一個(gè)作為原始對(duì)比樣，其他9個(gè)試樣分成3組，每組3個(gè)放入SiC高溫爐中，以5 ℃/min的加熱速率分別加熱至1100、1200、1300 ℃，每個(gè)加熱爐中的試樣各保溫1、2、3 h，取出后水淬冷卻至室溫。隨后使用金相磨拋機(jī)去除氧化層，并拋光至光滑鏡面，使用超聲波清洗機(jī)清洗干凈備用。另外進(jìn)行微觀組織觀察的試樣需要使用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕。

表1 U76CrRE稀土重軌鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 夾雜物觀察

夾雜物觀察方法如圖1所示，將觀測(cè)面橫向和縱向分別畫(huà)上4條等距分割線，每?jī)蓷l線的焦點(diǎn)作為視場(chǎng)，使用FEI-QUANTA400型掃描電鏡將視場(chǎng)放大至2000倍，對(duì)夾雜物進(jìn)行觀察，并使用EDAX進(jìn)行成分分析。

圖1 夾雜物視場(chǎng)選取示意圖

1.2.2 微觀組織觀察

使用Axiovert型蔡司光學(xué)顯微鏡觀察試樣晶粒和晶界變化情況，利用截點(diǎn)法并結(jié)合Nano Measurer 1.2軟件對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.3 硬度測(cè)試

使用Qness-Q10A+全自動(dòng)顯微硬度計(jì)在每個(gè)試樣隨機(jī)尋找10個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷砝碼為0.2 kg，配合Qpix-Control 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)夾雜物的影響

2.1.1 加熱溫度對(duì)夾雜物的影響

通過(guò)對(duì)鋼中的夾雜物進(jìn)行歸類(lèi)，首先發(fā)現(xiàn)了短棒或樹(shù)枝狀的MnS夾雜物。未經(jīng)過(guò)熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌及能譜如圖2所示，MnS尺寸均大于5 μm，形狀為長(zhǎng)條狀或者方塊狀。當(dāng)把試樣加熱到1100 ℃時(shí)，觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，鋼中仍然存在長(zhǎng)條狀MnS，但尺寸得到明顯改善，減小為3～4 μm；當(dāng)加熱到1200 ℃時(shí)，如圖4所示，鋼中長(zhǎng)條狀MnS夾雜物尺寸進(jìn)一步減小，另外也出現(xiàn)了趨向于更加規(guī)則的圓形的MnS，尺寸在1～2 μm。

圖2 未經(jīng)過(guò)熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖3 經(jīng)1100 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖4 經(jīng)1200 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行加熱處理，可以對(duì)鋼中MnS夾雜物形狀與尺寸起到明顯的改善作用，進(jìn)一步減小大尺寸長(zhǎng)條狀MnS對(duì)重軌鋼帶來(lái)的危害。

另外在鋼中還發(fā)現(xiàn)了Al2O3-CaO-SiO2-MnS-La2O3-CeO2-Cr-V-Ti的復(fù)合夾雜物，原因是在鋼液中加入Cr、La、Ce后，對(duì)鋼中原有的Al2O3-CaO-SiO2-MnS等夾雜物起到了變質(zhì)的作用，生成了含有稀土的復(fù)合夾雜物。在使其轉(zhuǎn)變?yōu)橄⊥裂趸铩⑾⊥亮蜓趸?、稀土硫化物等稀土?lèi)復(fù)合夾雜后，可以使夾雜物受力更均勻，減少材料各向異性，有利于提高鋼的力學(xué)性能[11]。

未經(jīng)熱處理時(shí)，試驗(yàn)鋼中的復(fù)合夾雜物如圖5所示，觀察其形狀可知，稀土元素使鋼中夾雜物的形貌有一定的改善，使其呈現(xiàn)比較規(guī)則的圓形，但尺寸分布不均勻，較大的復(fù)合夾雜物尺寸在7 μm左右，較小的也接近4 μm；加熱到1100 ℃后，如圖6所示，復(fù)合夾雜物尺寸整體有所減小，并且小尺寸復(fù)合夾雜物在鋼中分布增多；加熱至1200 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中多為圖7所示的小尺寸形狀規(guī)則的復(fù)合夾雜，因此對(duì)U76CrRE稀土重軌鋼進(jìn)行加熱處理可以進(jìn)一步促進(jìn)鋼中元素的固溶。

圖5 未經(jīng)過(guò)熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖6 經(jīng)1100 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖7 經(jīng)1200 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

2.1.2 保溫時(shí)間對(duì)夾雜物的影響

試驗(yàn)鋼加熱至1100 ℃保溫2 h時(shí)，在試驗(yàn)鋼中發(fā)現(xiàn)了如圖8所示的大型尖銳狀A(yù)l2O3。Al2O3是鋼中典型有害夾雜物之一，其在鋼中更容易聚集成大顆粒夾雜物，破壞鋼基體的連續(xù)性，造成鋼基體組織不均勻，使鋼材軋制過(guò)程中形成裂紋，對(duì)性能的危害巨大[12-13]，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程工藝的選擇中要盡量避開(kāi)Al2O3的生成條件。

圖8 經(jīng)1100 ℃保溫2 h的U76CrRE稀土重軌鋼中Al2O3夾雜物形貌(a)及能譜分析(b)

繼續(xù)將試樣加熱至1100 ℃保溫3 h時(shí)，發(fā)現(xiàn)了如圖9所示的MnS，整體尺寸大于保溫1 h的MnS，可能是隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，促進(jìn)了MnS的長(zhǎng)大。

圖9 經(jīng)1100 ℃保溫3 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a)及能譜分析(b)

鋼中的復(fù)合夾雜也隨著保溫時(shí)間發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)比1100 ℃加熱保溫1 h(見(jiàn)圖6)、2 h(見(jiàn)圖10)與3 h(見(jiàn)圖10)試驗(yàn)鋼中的復(fù)合夾雜物可以發(fā)現(xiàn)，保溫2 h時(shí)，復(fù)合夾雜整體變小，形狀規(guī)則；保溫3 h時(shí)又趨向變大，所以在1100 ℃加熱時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，鋼樣中的復(fù)合夾雜尺寸呈現(xiàn)先變小后變大的規(guī)律。

圖10 經(jīng)1100 ℃保溫2 h(a, b)與3 h(c, d)后U76CrRE稀土重軌鋼中復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

對(duì)比加熱至1200 ℃保溫1 h(見(jiàn)圖4)、2 h(見(jiàn)圖11)、3 h(見(jiàn)圖12)的MnS夾雜物后可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼中的長(zhǎng)條狀MnS已基本消除，形狀皆為規(guī)則的圓形，整體尺寸隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步減小。

圖11 經(jīng)1200 ℃保溫2 h后U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖12 經(jīng)1200 ℃保溫3 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

而對(duì)比同等條件下的復(fù)合夾雜(見(jiàn)圖13與圖14)，可以發(fā)現(xiàn)在保溫3 h(見(jiàn)圖14)時(shí)，大顆粒橢球狀的復(fù)合夾雜大幅增加，說(shuō)明附近的夾雜物發(fā)生了高溫聚集現(xiàn)象。

圖13 經(jīng)1200 ℃保溫2 h后U76CrRE稀土重軌鋼中復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖14 經(jīng)1200 ℃保溫3 h后U76CrRE稀土重軌鋼中復(fù)合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

通過(guò)以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同加熱溫度與不同保溫時(shí)間都會(huì)對(duì)U76CrRE稀土重軌鋼中不同種類(lèi)的夾雜物產(chǎn)生影響。不同加熱溫度的對(duì)比印證了熱處理可以進(jìn)一步優(yōu)化MnS和復(fù)合夾雜物的形貌和尺寸，促進(jìn)單個(gè)夾雜物向復(fù)合夾雜轉(zhuǎn)變，提高稀土對(duì)MnS、Al2O3等有害夾雜物的改善作用；另外不同的保溫時(shí)間同樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)鋼中夾雜物的變化，隨著保溫時(shí)間的增加，MnS進(jìn)一步得到細(xì)化，復(fù)合夾雜物在1200 ℃下會(huì)逐步長(zhǎng)大。試驗(yàn)鋼中夾雜物的尺寸是影響其力學(xué)性能的重要參數(shù)，隨著夾雜物尺寸的增大，力學(xué)性能會(huì)隨之減小[14-15]，所以通過(guò)熱處理要盡量保持夾雜物尺寸在較小范圍內(nèi)。

2.2 加熱溫度與保溫時(shí)間對(duì)微觀組織的影響

微觀組織也是影響鋼材力學(xué)性能的重要因素，晶粒細(xì)化效果好，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、耐磨性等都會(huì)保持在良好的范圍內(nèi)[16-17]。通過(guò)在不同的淬火溫度與保溫時(shí)間下對(duì)鋼樣進(jìn)行熱處理，就是希望在不增大晶粒的情況下加快碳化物的溶解速度，同時(shí)使獲得的組織更加細(xì)小、分布更加均勻，硬度也適中，進(jìn)而提高其后續(xù)的使用性能。

通過(guò)分析熱處理后的U76CrRE稀土重軌鋼微觀組織(見(jiàn)圖15)、使用截點(diǎn)法配合Nano Measurer 1.2軟件統(tǒng)計(jì)得到的晶粒平均尺寸(見(jiàn)圖16、表2)和硬度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖17)可以發(fā)現(xiàn)，晶粒大小隨著加熱溫度的升高變大明顯，硬度呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)；相同加熱溫度下，保溫時(shí)間越久，晶粒尺寸也越大，硬度整體呈下降趨勢(shì)。晶粒變化在1300 ℃時(shí)較為明顯，隨著加熱溫度升高，最大晶粒與最小晶粒尺寸相差較大。其中，在1100 ℃加熱時(shí)，試驗(yàn)鋼組織為馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體，且晶界均不明顯；在1200 ℃與1300 ℃加熱時(shí)，試驗(yàn)鋼中羽毛狀貝氏體在保溫時(shí)間超過(guò)1 h后向網(wǎng)狀滲碳體轉(zhuǎn)化明顯，滲碳體硬度高、脆性大、塑韌性較差，不適合重軌鋼的使用條件。在1300 ℃保溫1 h時(shí)，晶界積碳嚴(yán)重，碳化物未得到有效溶解，硬度最大，為512 HV0.2。當(dāng)在1200 ℃保溫1 h時(shí)，試驗(yàn)鋼中晶粒均勻，晶界明顯，組織主要為殘留奧氏體與珠光體，組織均勻，硬度為430 HV0.2，根據(jù)文獻(xiàn)[18]和王軍平等[19]的試驗(yàn)可知，熱處理后的鋼軌踏面硬度在370～420 HBW之間，約等值為390～440 HV，而在硬度范圍為310～420 HBW，即330～440 HV時(shí)，隨著硬度的升高，鋼軌單點(diǎn)疲勞損傷相對(duì)較小，疲勞裂紋萌生壽命也逐漸增加，且平均磨耗發(fā)展率逐漸降低，所以此時(shí)對(duì)應(yīng)重軌鋼的使用性能較好。

圖15 不同熱處理?xiàng)l件下U76CrRE稀土重軌鋼的微觀組織

圖16 不同熱處理?xiàng)l件下U76CrRE稀土重軌鋼的平均晶粒尺寸

表2 不同熱處理?xiàng)l件下U76CrRE稀土重軌鋼的最大與最小晶粒尺寸

圖17 不同熱處理?xiàng)l件下U76CrRE稀土重軌鋼踏面硬度對(duì)比

3 結(jié)論

1) 熱處理對(duì)U76CrRE稀土重軌鋼中夾雜物的作用明顯，使夾雜物形狀與尺寸有明顯改善。隨著加熱溫度的升高，可以進(jìn)一步優(yōu)化MnS和復(fù)合夾雜物的形貌和尺寸。在1100 ℃加熱時(shí)，MnS與復(fù)合夾雜尺寸隨著保溫時(shí)間的增加而減小，形狀得到明顯改善；在1200 ℃加熱時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，MnS尺寸減小，復(fù)合夾雜尺寸變大。

2) U76CrRE稀土重軌鋼的晶粒隨著加熱溫度的升高明顯增大，硬度隨著加熱溫度的升高整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，隨著保溫時(shí)間的增加逐漸減小。在1100 ℃加熱時(shí)，試驗(yàn)鋼中組織皆為馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體，且晶界均不明顯；在1200 ℃與1300 ℃保溫超過(guò)1 h后，試驗(yàn)鋼中網(wǎng)狀滲碳體明顯；在1300 ℃保溫1 h時(shí)，晶界積碳嚴(yán)重，碳化物未得到有效溶解。在1200 ℃保溫1 h時(shí)，試驗(yàn)鋼中晶粒均勻，晶界明顯，組織主要為殘留奧氏體與珠光體，組織均勻。