中鐵山橋集團(tuán)有限公司 （河北秦皇島 066200） 曹開林 曹桂林

道岔制造中需要將高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌進(jìn)行焊接，眾所周知，高錳鋼和高碳鋼焊接性能極差，如果將兩者直接焊接將存在較大困難，為此我公司開發(fā)了一種中間介質(zhì)并采用閃光對焊將兩種材質(zhì)不同的鋼軌進(jìn)行焊接，該焊接介質(zhì)必須滿足一定的綜合力學(xué)性能以保證焊接質(zhì)量和焊后機(jī)械強(qiáng)度。但在前期介質(zhì)試生產(chǎn)過程中，介質(zhì)的綜合力學(xué)性能較難滿足要求，主要表現(xiàn)為沖擊韌度較高而抗拉強(qiáng)度偏低。沖擊韌度和抗拉強(qiáng)度是鋼軌焊接介質(zhì)兩個(gè)最為主要的力學(xué)性能參數(shù)，關(guān)乎車輛行車安全，所以解決這一問題顯得尤為迫切和重要。

1.焊接介質(zhì)質(zhì)量問題分析

我公司開發(fā)的焊接介質(zhì)為奧氏體不銹鋼，Cr、Ni、Mn含量較高。奧氏體不銹鋼在熱處理過程中不發(fā)生相變，因此不能通過熱處理手段改善其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。該奧氏體鋼屬于中高合金鋼，鍛造性能不如碳鋼，鍛造溫度范圍窄，始鍛、終鍛溫度僅相差150℃，且高溫強(qiáng)度比碳鋼高得多，盡管如此增大變形量是提高該鋼種力學(xué)性能的有效措施之一。另外，該奧氏體鋼導(dǎo)熱性較低，在加熱和冷卻過程中溫變緩慢，特別在緩冷過程中容易析出碳化物和含鉻化合物，另外還可能造成晶粒粗大，所以控制冷卻速度也是改善力學(xué)性能的一個(gè)重要方面。

在前期焊接介質(zhì)試驗(yàn)階段，經(jīng)常出現(xiàn)沖擊韌度較高而抗拉強(qiáng)度偏低，或抗拉強(qiáng)度偏高而沖擊韌度偏低。以下是不合格的兩組數(shù)據(jù)（見表1）。第一組數(shù)據(jù)表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度達(dá)標(biāo)而室溫沖擊韌度偏低；第2組數(shù)據(jù)表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度較低而沖擊韌度較高。

對上述出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步進(jìn)行了微觀組織觀察。對原材和鍛造后產(chǎn)品分別取樣在100倍金相顯微鏡觀測分析。圖1為原材料微觀組織，可以看出，金相組織為單相奧氏體組織，晶粒度7級，由此可以認(rèn)為原材料質(zhì)量合格，晶界較為干凈，無其他雜質(zhì)。圖2為第2組不合格焊接介質(zhì)微觀組織，圖中晶粒粗大，晶粒度為超1級。

表1 不合格焊接介質(zhì)力學(xué)性能

圖1 原材料金相 100×

圖2 鍛后成品金相 100×

由原材料和鍛后組織分析顯示，問題存在于鍛造過程中某一工序環(huán)節(jié)中?？赡茉蚴牵哄懺爝^程溫度過高，使得晶粒急劇長大；鍛造過程中工件塑性變形不均勻，使得局部變形不充分，晶粒沒有破碎；冷卻過程緩慢也可能使得晶粒長大并出現(xiàn)二次再結(jié)晶。

2.試驗(yàn)方法

該介質(zhì)原鍛造工序?yàn)椋合铝稀b爐加熱→一火自由鍛制坯（始鍛溫度1150℃，終鍛溫度1000℃）→二火胎模鍛工件成形→空冷→機(jī)加工→水韌處理→擴(kuò)氫處理→打磨。

為分析晶粒長大環(huán)節(jié)，作了如下試驗(yàn)：按照上述生產(chǎn)工藝，鍛造一批介質(zhì)，在主要工序分別留樣檢查，留樣狀態(tài)為：一火制坯后、二火鍛后、水韌后。金相分析顯示：一火制坯后（見圖3）留樣介質(zhì)晶粒基本上沒有長大，介質(zhì)晶粒度為5～6級；而二火鍛后介質(zhì)（見圖4）晶粒明顯長大，平均晶粒度為4級；形貌為在粗晶粒的晶界上分布著較細(xì)晶粒；水韌后晶粒大小不均現(xiàn)象減輕，平均晶粒度為4級（見圖5）。由以上圖3～圖5可以看出，晶粒長大出現(xiàn)在二火加熱以后。而水韌處理幾乎不改變其晶粒大小，其目的為使可能還未溶入奧氏體的碳化物完全溶入其中，得到單一的奧氏體組織，當(dāng)然，這一單一組織是焊接介質(zhì)所必需的。

圖3 一火制坯金相 ×100

圖4 二火鍛后金相 ×100

圖5 水韌后金相 ×100

為進(jìn)一步驗(yàn)證晶粒度對力學(xué)性能的影響，對試驗(yàn)成品介質(zhì)抽樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，在軌頭中心線部位取樣，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，從表中看出，按照原鍛造和熱處理工藝，主要指標(biāo)抗拉強(qiáng)度偏低而室溫沖擊韌度較高，與表1表現(xiàn)出了相同的規(guī)律。

表2 按原工藝制造-焊接介質(zhì)力學(xué)性能

3.影響鍛件質(zhì)量的因素

（1）鍛造溫度影響 針對二火晶粒長大問題，對鍛造工藝進(jìn)行調(diào)整，一火制坯時(shí)，增加一次鍛拔次數(shù)，通過增加鍛造比增大塑性變形量細(xì)化晶粒，還起到控制終鍛溫度的目的；二火加熱時(shí)，加熱溫度降低為1100℃，以控制工件始鍛溫度；裝爐數(shù)量降低為10件，爐中高溫區(qū)鍛件不能超過3件，以避免工件在高溫區(qū)加熱時(shí)間過長造成晶粒粗大。

工藝調(diào)整后進(jìn)行試生產(chǎn)，主要觀察介質(zhì)水韌前后晶粒的變化，金相顯示，二火鍛造成形后（見圖6），晶粒度得到改善，在粗大晶粒周圍有較多細(xì)小晶粒，平均晶粒度為4級。水韌后，晶粒度不均勻性減輕（見圖7）。檢測力學(xué)性能如表3所示，綜合力學(xué)性能得到改善，雖然抗拉強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，但其抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度和伸長率等關(guān)鍵指標(biāo)偏離程度減輕，均向規(guī)定要求值接近，不再如表1、表2所示。

表3 控制鍛造溫度-焊接介質(zhì)力學(xué)性能

圖6 二火鍛后金相 100×

圖7 水韌后金相 100×

由此可見，降低鍛造始鍛、終鍛溫度對改造鍛造性能有利，但同時(shí)也注意到，當(dāng)終鍛溫度降低到920℃以下時(shí)，變形抗力較大，工件還未達(dá)到變形程度時(shí)，工件較薄部位軌腰已經(jīng)發(fā)黑，如果在此溫度下鍛造，可能造成工件開裂。

（2）冷卻速度影響 按照常規(guī)鍛件鍛后熱處理工藝，鍛件鍛后一般采用緩慢冷卻，本文原工藝采用空氣自然冷卻，但對于奧氏體不銹鋼，考慮到為單相奧氏體，在熱處理過程中，幾乎沒有組織應(yīng)力，僅存在溫度應(yīng)力，可采用風(fēng)冷、水冷等快速冷卻方式，但采用鍛后立即水冷還是極為少見，僅大型發(fā)電機(jī)組護(hù)環(huán)鍛后熱處理采用了鍛后快速水冷。本文晶粒長大環(huán)節(jié)出現(xiàn)在二火鍛前，因此，有可能為二火鍛后緩慢冷卻過程中晶粒長大。本文試驗(yàn)采用二火鍛后直接水冷，金相觀測顯示（見圖8），晶粒沒有急劇長大，晶粒度平均為4級。水韌處理后晶粒幾乎沒有變化度，仍為4級（見圖9）。從水韌處理后介質(zhì)上進(jìn)行取樣，檢測力學(xué)性能如表4所示。各項(xiàng)指標(biāo)均大幅超過規(guī)定要求。由此可得，采用鍛后立即水冷能縮短工件在高溫區(qū)停留時(shí)間，抑制了晶粒的快速長大，對改善力學(xué)性能極為有利。

表4 水韌處理-焊接介質(zhì)力學(xué)性能

圖8 水冷金相 100×

圖9 水韌處理金相 100×

（3）其他影響因素的討論 分析原鍛造熱處理工藝，其中有一工序?yàn)閿U(kuò)氫處理，即工件在500～600℃保溫10h以達(dá)到工件中氫擴(kuò)散排除的目的，避免在工件上形成白點(diǎn)等容易造成工件開裂缺陷，分析認(rèn)為白點(diǎn)應(yīng)在有相變和氫達(dá)到一定濃度下形成，而奧氏體不銹鋼不存在相變，且該原材料經(jīng)過較為嚴(yán)格冶煉環(huán)節(jié)，所以白點(diǎn)產(chǎn)生可能性極小，資料表明，某些奧氏體鋼在中溫下長期保溫會促使晶粒長大。另外，擴(kuò)氫工藝耗能大，也增加了制造成本。所以，去除這一工序環(huán)節(jié)具有其合理性，本文調(diào)整后制造工藝沒有進(jìn)行擴(kuò)氫處理同樣獲得了良好的力學(xué)性能。

在上述金相分析中，晶粒大小存在不均勻變形，鍛造工序采用兩火加熱，一火制坯，二火成形，最終工件如圖10所示。針對我公司此焊接介質(zhì)形狀，存在著一火制坯變形大，二火成形變形量小的問題。這樣不僅增加一次高溫加熱，還造成工件變形不均勻。生產(chǎn)實(shí)例表明，多次加熱、不均勻變形使晶粒大小不均，產(chǎn)生粗晶。由于模具改進(jìn)的不成熟，本文沒有給予驗(yàn)證，但通過模具改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一火成形是完全有可能的。

圖10

4.結(jié)語

通過上述試驗(yàn)，獲得了較為合理的工藝參數(shù)，鍛件綜合力學(xué)性能得到大幅的提高，工藝優(yōu)化總結(jié)如下：

（1）控制始鍛、終鍛溫度，特別是二火加熱溫度不得超過1100℃，終鍛溫度不低于920℃。

（2）盡量縮短高溫停留時(shí)間，爐中加熱時(shí)達(dá)到鍛造溫度，應(yīng)及時(shí)出爐鍛造，避免長時(shí)加熱，尤其是二火鍛造后應(yīng)立即進(jìn)行水冷。

（3）去掉擴(kuò)氫工序。

（4）可考慮改進(jìn)模具，減少成形火次，做到一火成形。