高錳鋼轍叉淬火冷卻過(guò)程模擬及淬火設(shè)備優(yōu)化

柳亞楠，劉洪武，李學(xué)通

1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北秦皇島 066004

1 序言

目前，我國(guó)鐵路轍叉使用的材料主要為高錳鋼，由于高錳鋼特有的加工硬化性能，可以使其表面在輪軌載荷下迅速硬化，使表面硬度急劇升高，從而提高其耐磨性，但心部卻能保持良好的韌性，所以高錳鋼材料非常適合用于鐵路轍叉。我國(guó)鐵路轍叉用高錳鋼的化學(xué)成分，一般為wC＝1.0%～1.3%、wMn＝12.0%～14.0%，由于其奧氏體穩(wěn)定化元素Mn含量較高，所以可擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。高錳鋼在高溫時(shí)為單相奧氏體，經(jīng)水淬后，奧氏體組織可以保持到室溫，處理后高錳鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性均有較大幅度的提高，此種熱處理方法也被稱為水韌處理。

為了減少碳化物的析出，必須從奧氏體化溫度快速冷卻，現(xiàn)有工藝為在熱處理爐中對(duì)轍叉進(jìn)行加熱，保溫完成后采用叉車將轍叉從熱處理爐轉(zhuǎn)運(yùn)到淬火水池處，將轍叉浸入水池進(jìn)行水韌處理。但冷卻水遇高溫工件時(shí)，會(huì)在工件表面形成一層過(guò)熱的蒸汽膜，不能形成對(duì)流，因此在此階段主要靠輻射散熱，水的冷卻能力大幅下降[1]，使高錳鋼的冷卻時(shí)間變長(zhǎng)，因此常規(guī)冷卻方法效果較差，容易在高錳鋼內(nèi)部析出超標(biāo)碳化物，如圖1所示。

圖1 超標(biāo)碳化物析出

為了提升高錳鋼的冷卻能力，減少高錳鋼的碳化物析出，對(duì)高錳鋼冷卻過(guò)程進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬，分析其冷卻過(guò)程中顯微組織及溫度變化情況，從而根據(jù)分析結(jié)果，指導(dǎo)淬火冷卻設(shè)備的改造，提出適合的改進(jìn)措施。

2 淬火冷卻過(guò)程熱模擬試驗(yàn)

采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，模擬實(shí)際入水時(shí)不同冷卻條件下的生產(chǎn)過(guò)程，研究冷卻速度對(duì)試驗(yàn)鋼顯微組織的影響。將試樣以10℃/s的加熱速率從室溫加熱到1200℃，并保溫15min，再以5℃/s的速率冷卻到1050℃，均溫10s，模擬轍叉保溫及出爐后的溫降過(guò)程。最后以0.5℃/s、1℃/s、3℃/s、5℃/s、10℃/s的冷卻速度冷卻至200℃，來(lái)模擬不同冷卻速度下的固溶處理過(guò)程。

圖2所示為高錳鋼在不同冷卻速度下的顯微組織。從圖2可看出，不同冷卻速度下高錳鋼顯微組織主要由奧氏體和碳化物組成，奧氏體晶粒隨冷卻速度的提高逐漸細(xì)化，不同冷卻速度下高錳鋼均有碳化物析出，但析出的量有明顯差別。在冷卻速度為0.5℃/s時(shí)，晶界上碳化物析出明顯，形態(tài)為條狀并沿晶界呈網(wǎng)狀分布；在冷卻速度為1℃/s時(shí)，與冷卻速度0.5℃/s時(shí)相似，碳化物形態(tài)為細(xì)條狀并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，但碳化物數(shù)量比冷卻速度0.5℃/s時(shí)有所減少；隨著冷卻速度提高到3℃/s時(shí)，析出碳化物的數(shù)量進(jìn)一步減少，碳化物形態(tài)為細(xì)條狀及顆粒狀，沿晶界呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布；當(dāng)冷卻速度提高到5℃/s時(shí)，晶界上碳化物數(shù)量明顯減少，同時(shí)分布狀態(tài)由斷續(xù)網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀及短線狀沿晶界分布；當(dāng)冷卻速度提高到10℃/s時(shí)，碳化物析出極少，以點(diǎn)狀沿晶界分布，且晶粒較細(xì)。

圖2 不同冷卻速度下高錳鋼顯微組織

根據(jù)GB/T 13925—2010《鑄造高錳鋼金相》對(duì)析出碳化物進(jìn)行評(píng)級(jí)，不同冷速下高錳鋼析出碳化物級(jí)別見(jiàn)表1。從表1可看出，高錳鋼組織內(nèi)部的析出碳化物數(shù)量隨冷卻速度的增大而呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，主要是由于碳的擴(kuò)散量不同。在冷卻速度較小時(shí)，樣品在高溫區(qū)停留的時(shí)間較長(zhǎng)，碳原子的擴(kuò)散時(shí)間與擴(kuò)散距離增加，碳原子可以充分?jǐn)U散最終在晶界上偏聚，形成較多的析出碳化物；在冷卻速度較大時(shí)，樣品在高溫區(qū)停留時(shí)間較短，使碳原子來(lái)不及擴(kuò)散，并快速降至低溫區(qū)，此時(shí)碳原子的擴(kuò)散動(dòng)力減弱，最終在晶界上形成少量的析出碳化物[2]。

表1 不同冷速下高錳鋼析出碳化物級(jí)別

3 淬火冷卻過(guò)程有限元模擬

3.1 前處理過(guò)程

以高錳鋼轍叉趾跟端75kg/m軌形為研究對(duì)象，探討高錳鋼淬火冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)變化情況，高錳鋼冷卻前的初始溫度為1050℃，環(huán)境溫度為25℃。

采用ANSYS有限元模擬軟件，對(duì)高錳鋼冷卻過(guò)程進(jìn)行模擬，有限元模型采用Thermal Solid、Quad 4node55單元，采用國(guó)際單位制“m”進(jìn)行建模。選用四邊形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖3所示。

圖3 高錳鋼有限元模型

模擬所需參數(shù)，如材料的彈性模量、泊松比、密度、熱導(dǎo)率和比熱容通過(guò)試驗(yàn)獲得。彈性模量為202GPa，泊松比為0.28，密度為7830kg/m3，熱導(dǎo)率及比熱容如圖4所示，采用反傳熱法計(jì)算水的換熱系數(shù)[3]，水的換熱系數(shù)如圖5所示。

圖4 高錳鋼的熱導(dǎo)率和比熱容

圖5 水的換熱系數(shù)

工件初始溫度為1050℃、環(huán)境溫度為25℃，對(duì)高錳鋼模型外表面施加對(duì)流換熱載荷，分析類型設(shè)置為瞬態(tài)分析，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為1s，最小增量步長(zhǎng)設(shè)為0.1s，設(shè)置求解時(shí)間為200s，開(kāi)始求解。

3.2 結(jié)果與分析

圖6所示為高錳鋼冷卻170s時(shí)斷面溫度分布情況。在冷卻水自然對(duì)流換熱條件下，高錳鋼心部最高溫度為512℃，冷卻速度為3.17℃/s。結(jié)合有限元模擬和熱模擬結(jié)果可知，高錳鋼在冷卻水中自然對(duì)流換熱時(shí)，心部可能會(huì)析出級(jí)別為X3級(jí)的碳化物，TB/T 447—2020《高錳鋼轍叉》要求析出碳化物不大于X3級(jí)[4]，處于剛好合格的水平。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)存在水溫上升或轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)等情況，冷卻條件會(huì)變差，使冷卻速度降低，高錳鋼心部可能會(huì)出現(xiàn)X4級(jí)的碳化物，因此現(xiàn)有工藝的裕量不大。

圖6 高錳鋼在水中自然冷卻模擬結(jié)果

為了減少高錳鋼冷卻過(guò)程中碳化物的析出，擬改進(jìn)淬火冷卻設(shè)備，采用高速循環(huán)水冷卻，提高冷卻能力。在改進(jìn)設(shè)備之前，首先進(jìn)行有限元模擬，模擬高錳鋼在改進(jìn)設(shè)備條件后的冷卻過(guò)程，以確保設(shè)備的冷卻效果。采用反傳熱法計(jì)算高速循環(huán)水的換熱系數(shù)，如圖7所示。采用計(jì)算的高速循環(huán)水換熱系數(shù)，對(duì)高錳鋼冷卻過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算高錳鋼在高速循環(huán)水冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)變化。

圖7 高速循環(huán)水的換熱系數(shù)

圖8所示為高錳鋼在高速循環(huán)水下的冷卻模擬結(jié)果。根據(jù)高錳鋼冷卻170s時(shí)斷面溫度分布可看出，心部最高溫度為171℃，心部冷卻速度為5.2℃/s。結(jié)合有限元模擬和熱模擬結(jié)果，預(yù)測(cè)高錳鋼心部析出碳化物級(jí)別為X2級(jí)，可以滿足TB/T 447—2020要求，并且有一定的工藝裕量。

圖8 高錳鋼在高速循環(huán)水中冷卻模擬結(jié)果

4 設(shè)備優(yōu)化及結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)冷卻設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，改進(jìn)為高速循環(huán)水冷卻設(shè)備，對(duì)高錳鋼進(jìn)行冷卻。設(shè)備采用循環(huán)水作為冷卻水，冷卻水儲(chǔ)存在水面面積較大的集水池中，以保證冷卻水在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)仍能處于較低的溫度。轍叉從出爐到入水過(guò)程采用傳動(dòng)輥方式轉(zhuǎn)運(yùn)，使轍叉在短時(shí)間內(nèi)入水冷卻。轍叉在高速循環(huán)水作用下降低到較低溫度后，通過(guò)傳動(dòng)輥傳送到水池中繼續(xù)冷卻，避免占用高速循環(huán)水區(qū)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率。

采用改進(jìn)高速循環(huán)水設(shè)備后，高速循環(huán)水沖擊工件表面時(shí)，破壞工件表面蒸汽膜，達(dá)到強(qiáng)制冷卻，使高溫階段的輻射散熱變?yōu)閷?duì)流散熱，大大提高了工件與水之間的換熱系數(shù)，提高了高錳鋼心部的冷卻速度，使碳化物來(lái)不及析出。

圖9所示為改進(jìn)冷卻設(shè)備后高錳鋼心部的顯微組織。從圖9可看出，高錳鋼心部的析出碳化物數(shù)量減少，析出碳化物評(píng)級(jí)由改進(jìn)前的X3級(jí)提高到X2級(jí)。改進(jìn)后，高錳鋼的冷卻速度得到提高，冷卻時(shí)間縮短，高錳鋼晶粒長(zhǎng)大得到抑制，晶粒度由改進(jìn)前的2級(jí)提高到3級(jí)，細(xì)化晶粒不僅能提高強(qiáng)度，還能提高韌性。

圖9 改進(jìn)設(shè)備后高錳鋼顯微組織

設(shè)備改進(jìn)前后高錳鋼水韌處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表2。從表2可看出，改進(jìn)冷卻設(shè)備后，高錳鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量得到明顯提升。

表2 改進(jìn)設(shè)備前后高錳鋼的力學(xué)性能

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高錳鋼轍叉導(dǎo)熱性差的特點(diǎn)，改進(jìn)了其淬火冷卻設(shè)備，結(jié)果表明，采用改進(jìn)的高速循環(huán)水淬火冷卻設(shè)備后，提高了高錳鋼入水后的冷卻速度，尤其是心部冷卻速度得到提高，高錳鋼心部碳化物析出數(shù)量明顯減少，力學(xué)性能得到提升，從而提高了高錳鋼轍叉的產(chǎn)品質(zhì)量。