潘勝利，國新春

（寶武集團(tuán)馬鋼軌交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 車輪白點(diǎn)缺陷的形成機(jī)理

由于氫在鋼中有一定的溶解度，故在鋼液凝固后，總有部分氫殘留在鋼中。從氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系曲線（見圖1）[1]。從圖1可以看到，當(dāng)溫度下降時(shí)，氫在鋼中的溶解度迅速降低，則過飽和部分的氫將要析出，但在冷卻速度不夠慢或者斷面尺寸比較大時(shí)，靠中心部分的氫將來不及完全逸出。在以后的熱加工過程中，尤其在快冷的條件下，氫不斷脫溶，不斷析出、聚集，將在局部區(qū)域產(chǎn)生巨大的壓力，再結(jié)合其他各種應(yīng)力（如鋼相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力），當(dāng)最后的疊加應(yīng)力超過了金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，就會發(fā)生穿晶斷裂，形成一條條細(xì)小的裂縫—白點(diǎn)[2]。

圖1 氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系曲線

白點(diǎn)在車輪中的形貌如圖2所示。白點(diǎn)的危害在于降低車輪的塑性和韌性，使車輪坯由塑性狀態(tài)變成脆性狀態(tài)，導(dǎo)致車輪在服役過程中產(chǎn)生脆性破壞，使用有白點(diǎn)的車輪往往導(dǎo)致破壞性事故的發(fā)生。即使鋼中的氫含量低于某一臨界值而沒有生成白點(diǎn)時(shí)，鋼的塑性和韌性葉將隨著氫含量的提高而降低[3]。因此，最大限度地排除鋼中的氫，是車輪生產(chǎn)中的重要問題之一。

圖2 車輪白點(diǎn)的形貌

根據(jù)當(dāng)溶解在鋼中的氫含量低于2～3 cm3/100 g時(shí)。就不會產(chǎn)生白點(diǎn)的說法[1]，若要預(yù)防白點(diǎn)的產(chǎn)生，就必須有效地降低鋼中氫含量或固定氫原子。在車輪的制造過程中，煉鋼環(huán)節(jié)是控制鋼中氫含量的主要工序，但是要在煉鋼過程中完全消除，確實(shí)很困難?，F(xiàn)在的車輪制造廠一般采取在煉鋼工序增加真空脫氣、保護(hù)澆鑄以及鑄坯緩冷的辦法來降低鋼中氫含量，在車輪軋制過程采取軋后等溫或緩冷的辦法來進(jìn)一步降低鋼中氫含量或彌散鋼中的氫[4]。因此，正確理解車輪緩冷工藝操作要點(diǎn)，制定合理的作業(yè)辦法，減少車輪緩冷工序中的工藝不合格產(chǎn)品，對于提高車輪緩冷工序的效率、保證緩冷效果很有意義。

2 車輪緩冷工藝設(shè)計(jì)解析

由鋼中的氫在各種不同組織下溶解度，珠光體最小，奧氏體最大。因此，要將車輪中的氫擴(kuò)散或彌散，最好的辦法就是讓車輪組織處于珠光體狀態(tài)，讓溶于奧氏體中的氫盡快析出。鋼中氫氣在不同溫度下有著不同的逃逸速度或稱為擴(kuò)散系數(shù)。鋼中氫的擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系如下頁圖3所示[5-6]。

從圖3中可以看出鋼中的最大逃逸速度對應(yīng)的溫度有兩個(gè)：300℃和650℃。也就是說，在這兩個(gè)溫度要進(jìn)行保溫，以保證氫以最大的速度逸出。由于在實(shí)際緩冷當(dāng)中做不到恒溫，所以以選擇最大擴(kuò)散溫度區(qū)間定為240~360℃和600~720℃。在這個(gè)區(qū)間中氫以較大的逃逸速度向外散，到終了時(shí)氫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)小于要求值2×10-6。

圖3 鋼中氫的擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系

再考慮車輪外觀尺寸，車輪輪轂截面尺寸比輪輞尺寸大，當(dāng)車輪在緩冷時(shí)，輪轂金屬中的氫擴(kuò)散和彌散需要的時(shí)間比輪輞長，同時(shí)輪轂部位金屬在冷床上溫降速度較輪輞慢，當(dāng)輪輞冷卻到轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下時(shí)，輪轂還處在轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上，輪輞組織為珠光體，輪轂為奧氏體。根據(jù)氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，以及在不同組織中的溶解度影響，輪輞中的氫在“上坡效應(yīng)”作用下，會有一部分?jǐn)U散到輪轂中。要將輪轂中的氫擴(kuò)散或彌散，關(guān)鍵是要將輪轂溫度降低，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后再濃度的擴(kuò)散效應(yīng)下，將輪轂部位的高濃度氫慢慢擴(kuò)散降低。因此，車輪緩冷工藝規(guī)定落垛溫度＞500℃，輪轂溫度＜700℃，來保證輪轂溫度在最大的氫擴(kuò)散溫度區(qū)間入爐，并蓋上爐蓋，使其緩冷，并在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，要求出爐溫度＞200℃，保證車輪講過最大的氫擴(kuò)散溫度區(qū)間。如果車輪落垛鋼溫低于500℃，或進(jìn)入緩冷坑后，在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)爐溫低于200℃，專門標(biāo)識、記錄，成品檢查時(shí)進(jìn)行100%輪輞輪轂超聲波探傷。所屬垛任一件車輪存在白點(diǎn)，則該垛車輪報(bào)廢處理。

在設(shè)計(jì)緩冷時(shí)間時(shí)，主要要考慮輪轂轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w后的有效時(shí)間。輪轂部位的氫擴(kuò)散條件最為苛刻，緩冷時(shí)間主要考慮給輪轂足夠的氫擴(kuò)散時(shí)間以減小鍛件的殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒、減小奧氏體的穩(wěn)定性，從而使氫在整個(gè)截面上均勻分布，促使奧氏體向鐵素體和碳化物的混合物迅速轉(zhuǎn)變，達(dá)到降低車輪對白點(diǎn)敏感性的目的。

3 緩冷工藝介紹

為了既提高防白點(diǎn)效果，又保證生產(chǎn)順行，車輪公司和技術(shù)中心進(jìn)行了調(diào)研、理論研究和大量的工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用軋后緩冷工藝，即完全不燃燒煤氣（或其他熱能原料），僅僅依靠鋼錠本身余熱，安全、高效冷卻下來的熱處理工藝方法。具體的方法是：在軋后落垛后，通過天車，將整垛車輪置于爐內(nèi)，密封起來，依靠其自身散熱形成的氣氛為保護(hù)屏障，減緩軋后鋼坯內(nèi)部的溫度分布梯度，降低溫度應(yīng)力的影響，使其自然平緩地冷卻，冷卻時(shí)間達(dá)到工藝規(guī)定方可出爐，在此期間，不需要任何人為或保溫措施。

4 生產(chǎn)控制要點(diǎn)

在車輪生產(chǎn)過程中，由于軋制不正常或設(shè)備出現(xiàn)故障，或是出現(xiàn)了異常事件，使落垛溫度小于500℃，在工藝規(guī)定的時(shí)間長度（如10 h）內(nèi)緩冷溫度不足200℃，以及在緩冷坑緩冷時(shí)間不足工藝時(shí)間（如10 h）時(shí)，就要判定為低溫鋼。出現(xiàn)低溫鋼時(shí)，要在低溫鋼上，做好低溫鋼標(biāo)識，標(biāo)明低溫鋼、件數(shù)、標(biāo)識號、垛號等，同時(shí)在記錄卡上做好低溫鋼記錄，寫明低溫鋼產(chǎn)生原因，件數(shù)，垛號等，傳送卡上寫明已做好標(biāo)識等字樣，做標(biāo)識轉(zhuǎn)移，進(jìn)行100%輪轂的探傷。

在現(xiàn)場的操作中，在軋制不正常時(shí)，當(dāng)輪輞溫度降至接近500℃時(shí)，可將不足整吊的車輪先行入爐，等后續(xù)正常再合并入爐的方法減少低溫鋼的發(fā)生機(jī)率。出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，可在處理設(shè)備故障的同時(shí)，利用行車使車輪能夠及時(shí)正常入爐，保證工藝的正常施行。

5 緩冷工藝的優(yōu)點(diǎn)

1）采用緩冷工藝處理，防白點(diǎn)可靠性會進(jìn)一步提高；該操作簡單，減輕工人工作壓力。

2）采用緩冷處理工藝是鑒于理論分析和試驗(yàn)跟蹤的基礎(chǔ)上提出來的。同時(shí)還有生產(chǎn)效率高及節(jié)能、降耗、減排的優(yōu)點(diǎn)，具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)雙重優(yōu)勢。

3）降低了車輪整體在兩相區(qū)的停留時(shí)間。研究結(jié)果表明[7]：為最大程度地減少氫從鐵素體到奧氏體的偏析，應(yīng)避免在鐵素體＋奧氏體兩相區(qū)停留時(shí)間過長。由于新線冷床長度的限制，新熱處理線的車輪軋后在冷床上停留時(shí)間很短，落垛后車輪整體溫度很高，大多數(shù)部位相變還沒開始，采用緩冷工藝可以大大縮短車輪在兩相區(qū)的停留時(shí)間，從而減緩了氫的偏析。

4）增加了氫在α-Fe區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間。采用緩冷工藝，車輪在A1點(diǎn)以下時(shí)間長，從而也大大增加了氫在氫在α-Fe區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間。

5）采用緩冷處理時(shí)，盡管擴(kuò)散能力有所減弱，但由于溶解度低，可擴(kuò)散氫相對增加。