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        25CrMoA鋼奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變參數(shù)的確定

        2018-04-18 12:06:31宋佳張銀鳳劉曉軍于善偉丁志敏
        大連交通大學學報 2018年2期
        關(guān)鍵詞:車軸珠光體貝氏體

        宋佳,張銀鳳,劉曉軍,于善偉,丁志敏

        (1.大連交通大學 材料科學與工程學院,遼寧 大連 116028; 2.中車大連機車車輛有限公司 工藝技術(shù)部,遼寧 大連 116022; 3.大連市產(chǎn)品質(zhì)量檢測研究院,遼寧 大連 116021)

        0 引言

        鐵路車軸是機車中一個非常重要的構(gòu)件,其質(zhì)量可靠性決定了列車運行的速度和運輸?shù)陌踩玔1- 2].歐洲標準EN13261中規(guī)定EA4T鋼是一種力學性能優(yōu)異的高速、重載鐵路車軸用鋼,已被廣泛地應(yīng)用于大功率機車車軸[3- 6].隨著我國鐵路升級換代的快速發(fā)展,早期使用的40鋼、50鋼已經(jīng)不能滿足鐵路對車軸鋼性能的需求,而通過對國外EA4T鋼的引進、消化、吸收并自主研發(fā)出的25CrMoA鋼已成為我國鐵路高速重載發(fā)展中的主要機車車軸用鋼之一,其成分和性能與EA4T鋼成分和性能相近,其最終熱處理工藝為淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理[7].由于淬火對鋼的組織和性能有較大影響,并且歐洲標準EN13261規(guī)定,淬火處理后的EA4T鋼(25CrMoA鋼)車軸1/2半徑處的組織必須為馬氏體+貝氏體組織,因而對奧氏體冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變參數(shù)的確定將對25CrMoA鋼生產(chǎn)實際中的加熱、冷卻工藝的制定具有較強的指導意義.此外,末端淬火法是目前在生產(chǎn)現(xiàn)場通過測定鋼加熱奧氏體化及末端淬火后的硬度-端淬距離關(guān)系曲線(即鋼的淬透性曲線[8])來指導熱處理生產(chǎn)的一種常用方法.由于組織和硬度往往不是精確地一一對應(yīng),因而,也就很難根據(jù)25CrMoA鋼的淬透性曲線來確定1/2半徑處組織為馬氏體+貝氏體組織時車軸的熱處理規(guī)范.鑒于此,本文仍將采用末端淬火法,通過結(jié)合金相分析以及傳熱學理論來確定25CrMoA車軸鋼的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變參數(shù),不但為生產(chǎn)實際中25CrMoA鋼車軸熱處理工藝的制定提供試驗依據(jù),而且也嘗試為奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變特征的研究提出一種新的方法.

        1 實驗材料及方法

        實驗所用25CrMoA鋼化學成分如表1所示.

        表1 25CrMoA車軸鋼的化學成分

        在PCY型高溫臥式膨脹儀上對尺寸為Φ10 mm×50 mm的25CrMoA鋼試樣進行了熱膨脹曲線的測試.測試時,加熱速度為5℃/min.根據(jù)試驗所得的膨脹值-溫度曲線,對突變點用切線法確定出25CrMoA鋼加熱時的相變臨界點[9].

        按照國家標準《GB/T225- 2006鋼淬透性末端淬火實驗方法》[10]的要求,在DZJ-I型端淬機上對25CrMoA鋼試樣進行了末端淬火實驗(簡稱端淬實驗,下同),奧氏體化溫度為880℃.將端淬后的試樣表面沿平行軸線的方向分別磨制出深度為0.4~0.5 mm的兩個互相平行的平面.并在LC- 200R型數(shù)顯洛氏硬度計上,測試了其平面上距水冷端不同距離(簡稱端淬距離,下同)處的硬度,從而可繪制出25CrMoA鋼的硬度-端淬距離關(guān)系曲線.隨后對端淬試樣的硬度測試平面進行研磨、機械拋光并用4%硝酸酒精浸蝕,制備出金相試樣.采用OLYMPUS BX41M金相顯微鏡對25CrMoA鋼端淬試樣上不同端淬距離處的金相組織進行了觀察,同時根據(jù)金相組織上開始出現(xiàn)5%~10%含量的貝氏體、鐵素體和珠光體來確定各組織轉(zhuǎn)變開始時的端淬距離.由于不同的端淬距離對應(yīng)不同的冷卻速度,因此,根據(jù)各組織轉(zhuǎn)變開始時的端淬距離以及傳熱學理論分析,就可以計算出各組織轉(zhuǎn)變的冷卻速度.

        2 實驗結(jié)果

        2.1 25CrMoA鋼加熱時臨界點的測定

        圖1為25CrMoA鋼的熱膨脹曲線.由圖1的熱膨脹曲線可知,25CrMoA鋼加熱轉(zhuǎn)變臨界點Ac1和Ac3分別為758℃和841℃.

        圖1 25CrMoA鋼的熱膨脹曲線

        2.2 不同端淬距離處的硬度

        圖2為25CrMoA鋼端淬后的硬度與端淬距離關(guān)系曲線.從圖2中可以看出,隨著端淬距離的增加,硬度先快速降低而后趨于平緩,開始趨于平緩的端淬距離約為37.2 mm.硬度之所以出現(xiàn)這樣的變化趨勢主要與不同端淬距離處的冷卻速度不同,進而導致所獲得顯微組織不同有關(guān).

        圖2 不同端淬距離處的硬度曲線

        2.3 不同端淬距離處的組織

        圖3為25CrMoA鋼端淬試樣上各組織開始出現(xiàn)時相對應(yīng)端淬距離處的金相組織.從圖3中可以看出,在端淬距離2.9 mm以內(nèi),全部為低碳板條馬氏體組織(圖3(a)為端淬距離為1.5 mm處金相組織).而在端淬距離為2.9 mm時,除了有板條馬氏體組織之外,開始有羽毛狀貝氏體組織的出現(xiàn)(如圖3(b)所示).隨著端淬距離的繼續(xù)增加,馬氏體組織減少,貝氏體組織數(shù)量增多.在端淬距離為7.7 mm時,除了有馬氏體和貝氏體組織外,開始有等軸狀白色鐵素體組織的出現(xiàn)(如圖3(c)所示).在端淬距離為8.5 mm時,開始有團狀黑色珠光體組織的出現(xiàn)(如圖3(d)所示). 在端淬距離為37.2 mm時,馬氏體和貝氏體組織消失,組織為鐵素體和珠光體(如圖3(e)所示).對比圖2和圖3分析可知,在端淬距離0~37.2 mm范圍內(nèi),正是由于馬氏體含量的快速下降導致硬度下降明顯,而在端淬距離37.2 mm以后,由于組織基本上均為鐵素體和珠光體,因而硬度變化不明顯.

        (a) 1.5 mm

        (b) 2.9 mm

        (c) 7.7 mm

        (d) 8.5 mm

        (e) 37.2 mm

        3 討論

        由2.3節(jié)結(jié)果可知,25CrMoA鋼試樣端淬后,在端淬距離分別為2.9、7.7和8.5 mm時,則先后開始有貝氏體、鐵素體和珠光體組織的出現(xiàn),并在端淬距離達到或超過37.2 mm時,基本上均為鐵素體和珠光體組織.由于不同的端淬距離具有不同的冷卻速度,因而,可以根據(jù)貝氏體和鐵素體開始出現(xiàn)的端淬距離,得到馬氏體和貝氏體的最小臨界冷卻速度,以及根據(jù)珠光體開始出現(xiàn)的端淬距離,得到鐵素體和珠光體同時開始出現(xiàn)的最大臨界冷卻速度.但對于25CrMoA鋼馬氏體和貝氏體組織轉(zhuǎn)變、以及鐵素體和珠光體同時開始出現(xiàn)的臨界冷卻速度是多少,到目前為止,還未見有文獻直接采用端淬實驗來獲得的報道.為此,本文希望借助于端淬實驗的結(jié)果,通過相關(guān)傳熱學理論進行分析和計算得到25CrMoA鋼880℃加熱保溫端淬后不同組織轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度,以及根據(jù)相關(guān)文獻獲得25CrMoA鋼水中淬火時鋼棒1/2半徑處具有馬氏體+貝氏體的臨界冷卻直徑.

        25CrMoA鋼在端淬時,符合端淬試樣連續(xù)冷卻傳熱模型中的兩個假設(shè)[11]:一是假設(shè)25CrMoA鋼試樣與空氣換熱時為薄材;二是假設(shè)25CrMoA鋼試樣與水流換熱時為半無限體.試樣端淬后端淬距離X處的溫度和冷卻速度分別可以表示為:

        (1)

        (2)

        將從880℃分別冷卻到各種組織開始出現(xiàn)所需的時間以及25CrMo鋼相關(guān)的熱物性參數(shù)代入冷卻速度計算式(2)中,而最終獲得25CrMo鋼端淬試樣在各種組織開始出現(xiàn)的端淬距離上分別對應(yīng)孕育期最短溫度處的冷卻速度,即25CrMo鋼奧氏體冷卻過程中各種組織的臨界冷卻速度.根據(jù)文獻[14]所給出的25CrMo鋼熱物性參數(shù)數(shù)據(jù),利用插值法可以分別求得25CrMoA鋼在454、634、675、880℃時的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù),其數(shù)值列于表2中.為了方便計算,式(1)和式(2)中的25CrMoA鋼熱物性數(shù)據(jù)取奧氏體加熱溫度880℃分別與454、634、675℃時熱物性數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值.這樣,最終計算出的25CrMoA鋼馬氏體的臨界冷卻速度為127℃/s(對應(yīng)于端淬距離2.9 mm的位置);貝氏體的臨界冷卻速度為44℃/s(對應(yīng)于端淬距離7.7 mm的位置);開始有鐵素體和珠光體出現(xiàn)的臨界冷卻速度為43℃/s(對應(yīng)于端淬距離8.5 mm的位置).

        表2 25CrMo鋼的熱物性參數(shù)

        此外,根據(jù)25CrMoA鋼試樣端淬后、在端淬距離為7.7 mm時開始有鐵素體出現(xiàn)的結(jié)果,以及文獻[15]中端淬試樣不同端淬距離同鋼棒1/2半徑處的對應(yīng)關(guān)系,可以獲得25CrMoA鋼880℃淬火時,其鋼棒1/2半徑處獲得馬氏體+貝氏體的臨界直徑約為48 mm.

        4 結(jié)論

        (1)25CrMoA鋼加熱過程中轉(zhuǎn)變的臨界溫度為Ac1=758℃,Ac3=841℃;

        (2)25CrMoA鋼880℃加熱冷卻時,馬氏體和貝氏體的臨界冷卻速度分別為127和44℃/s,而當冷卻速度低于43℃/s時,開始有珠光體和鐵素體組織的出現(xiàn);

        (3)880℃淬火時,25CrMoA鋼鋼棒半徑1/2處獲得馬氏體+貝氏體組織的臨界冷卻直徑約48 mm.

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