25CrMo4钢先共析铁素体转变及其对力学性能的影响

覃作祥，李芷慧，周鹏

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

大功率机车是我国铁路货运重载的主要牵引机车，其制造难度很高.车轴是铁道车辆走行部极为重要的部件，其质量状态直接关系到铁路运输安全.而决定车轴的质量关键在于轴坯的质量及其热处理技术，为此，世界各国都对铁路车轴提出了严格的质量要求.铁路大功率机车(重载货车牵引用)的车轴采用一种新钢种——EA4T，该钢是欧洲先进标准(EN13261:2003)［1］规定的高速、重载铁路车轴用钢，国外许多大功率机车和高速列车用车轴都采用这一标准.我国的车轴用钢主要为40钢、50钢［2-3］，随着我国货车载重量的持续增加和运行速度的不断提高，原40钢、50钢已不适宜作为高速、重载机车车轴用钢，需要引进国外技术、采用力学性能更优异的EA4T钢，在调质状态下使用［4］.标准规定该钢经热处理后组织应为M+B，但由于车轴的截面积较大，热处理工艺条件多变，导致车轴检测组织中常出现超标的先共析铁素体.由于缺乏25CrMo4钢的TTT或CCT曲线，所以，需要弄清25CrMo4钢中先共析铁素体在冷却中的转变规律，为其热处理工艺提供理论指导.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本实验所用的25CrMo4钢的化学成分见表1.材料经锻造后正火，正火态洛氏硬度值HRC25～26.

表1 25CrMo4钢的化学成分 %

1.2 试验方法

试样加热到920℃保温30 min，然后将试样取出放入BaCl2+KCl+NaCl盐浴槽中分别在740℃、710℃和675℃下等温，控制等温时间，然后再在3.5%NaCl溶液中冷至室温.

将热处理后的方料用线切割切开制成金相试样，用4%的硝酸酒精腐蚀后观察显微组织，金相观察采用Neophot-32型金相显微镜.根据面积来统计铁素体的数量，计算得出铁素体含量.硬度测量用HR-150A型洛氏硬度计.

2 试验结果与分析

2.1 25CrMo4钢原材料的金相组织

图1是25CrMo4钢原材料的组织形貌，可见，钢的组织为铁素体+珠光体，铁素体和珠光体的晶粒尺寸都很细小.

图1 25CrMo4钢原材料的组织形貌

为了获得不同的铁素体含量，采用了分级淬火的工艺.具体如下:在920℃奥氏体化，然后迅速淬入650～750℃(先共析铁素体转变区)的盐浴中等温不同时间，待其析出先共析铁素体，然后再淬入盐水中，并进行回火.

本实验分别选择在740℃、710℃和675℃三个温度进行第二级淬火的等温过程，以研究铁素体的析出规律，寻求一个容易控制铁素体量的适当工艺，进而研究铁素体量对力学性能的影响.对于热处理后的试样，通过金相和硬度两种手段来对其进行分析.

2.2 不同温度下等温先共析铁素体析出规律

2.2.1 740℃等温过程

图2是25CrMo4钢在740℃等温不同时间转变的显微组织.从图中可以看到，25CrMo4钢在740℃等温70 s后才有少量的先共析铁素体(F)形成，随着等温时间的延长，到110 s时才可见F数量增多，到300 s时形成了许多多边形的先共析F组织，F块明显增大.到600 s时，铁素体块尺寸有所增大，但数量增加不是十分明显，F数量不超过8%.可见在740℃这一较高温度下等温F的析出速度较慢.由于在该温度下C、Fe元素的扩散较快，F长的较粗大.

图2 25CrMo4钢在740℃等温转变的显微组织

2.2.2 710℃等温铁素体析出规律

图3 25CrMo4钢在710℃等温转变的显微组织

图3是25CrMo4钢在710℃等温不同时间转变的显微组织，25CrMo4钢在等温30 s后可看到少量的先共析F开始形成，等温50 s时已经较为明显，随着等温时间的延长，F数量增多，到100 s时形成了许多多边形的先共析F组织，F块明显增大，其数量约6%～8%.可见在710℃这个温度等温，F的析出速度明显快于740℃下等温.

2.2.3 675℃等温铁素体析出规律

图4是25CrMo4钢在675℃等温不同时间转变的显微组织，25CrMo4钢在等温35秒时开始有铁素体析出，70 s后可看到有明显的先共析F形成，随着等温时间的延长，F数量逐渐增多.到120 s时形成了大量的先共析F，数量已接近10%，F块明显增大，F分布均匀，F也是从原奥氏体中析出.到240 s时，F块数量和尺寸都有所增大，F数量已接近15%.可见在675℃这一温度下等温，F的析出速度更快.

图4 25CrMo4钢在675℃等温转变的显微组织

图5 等温时间对25CrMo4钢先共析铁素体含量的影响

从图5可以更直观地看出等温处理下等温温度及等温时间对F析出量的规律，25CrMo4钢在740℃等温(曲线a)下F的析出速度很慢，到600 s时，F数量也不超过8%;25CrMo4钢在710℃(曲线b)及675℃(曲线c)下等温，F析出速度明显加快，且25CrMo4钢在675℃这一温度下等温，F的析出速度快且数量容易控制.

2.3 铁素体量对25CrMo4钢力学性能的影响

2.3.1 铁素体量对25CrMo4钢硬度的影响

图6是25CrMo4钢在920℃ ×30 min加热，740℃等温不同时间，盐水淬火和回火后的硬度.可见，在未形成F前其淬火硬度较高，达到了HRC50以上，当F析出后，淬火硬度略有降低，但至600 s时铁素体析出量仍不大，因而硬度下降较少.650℃回火后其硬度基本接近，只是F含量多的样品的硬度略低.

图6 在740℃等温所得的淬火和回火硬度

图7是25CrMo4钢在920℃ ×30 min加热，710℃等温不同时间，盐水淬火以及回火后的硬度.可见，在未形成F前其淬火硬度较高，都达到了HRC53左右，当开始有F析出后，淬火硬度略有降低.回火硬度基本接近，随F含量增多，硬度稍有下降.

图7 在710℃等温所得的淬火和回火硬度

图8是25CrMo4钢在920℃ ×30 min加热，675℃等温不同时间，盐水淬火和回火后的硬度.可见，在未形成F前其淬火硬度较高，达到了HRC53左右，当F析出后，淬火硬度逐渐降低，当析出大量的铁素体时，硬度下降较多，当铁素体量达到15%左右时，硬度已降至 HRC40以下.650℃回火后其硬度不随铁素体量变化，硬度不变.

图8 在675°C等温所得的淬火和回火硬度

2.3.2 铁素体量对25CrMo4钢拉伸性能的影响

表2为不同铁素体含量的4个试样经拉伸实验所得的结果.由表中结果可见，当铁素体量控制在11%以内，25CrMo4钢的抗拉强度、屈服极限基本相同，伸长量和面缩率也基本接近.可见，当铁素体量较少时，对25GrMo4钢的拉伸性能影响较小.但其中3号试样，因发生标距外断裂的现象而出现奇异值.由实验结果可见，强度值偏高，因而仍需提高回火温度或延长回火时间来提高其塑性.

表2 不同铁素体含量试样的拉伸性能

2.3.3 铁素体量对25CrMo4钢冲击韧性的影响

图9 不同铁素体量试样的冲击功

图9为不同铁素体含量的试样经冲击试验所得的结果.由图中结果可见，随铁素体含量的增加，25CrMo4钢的冲击功逐渐减小，当铁素体量超过5%时，冲击功下降显著.这很可能是由于铁素体组织受冲击时，产生了微裂纹.铁素体容易引起裂纹的萌生，尤其是当铁素体量较多时，所产生的裂纹汇集而导致裂纹迅速扩展，导致冲击韧性下降.

3 结论

(1)在先共析铁素体的转变区间内，随温度的降低，铁素体的析出速率加快，F逐渐呈均匀分布，并且F转为在原奥氏体晶界析出.而随着等温时间的增加，铁素体的尺寸和数量都会有所增加，形态由细小的针状变为大块的多边形状;

(2)在675～740℃温度区间保温，随着温度的降低，铁素体析出速度加快;

(3)在675℃等温时，铁素体的析出速度较快，且析出数量容易控制.获得2%～3%，5%～8%，10%～15%铁素体的保温时间分别是70 s，120 s和240 s;

(4)当铁素体量在11%以内，25CrMo4钢的抗拉强度、屈服极限基本相同.冲击韧性在铁素体量小于5%时也基本相同，但当铁素体含量达到11%时则有所降低.

［1］BS EN13261:2003.铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求［S］.欧洲标准委员会，2003.

［2］戚正风.车轴用钢的碳含量及热处理［J］.材料工程，1999(3):32-33.

［3］李学锋.铁道车辆用LZW车轴钢晶粒度研究［J］.钢铁，2001(8):36-38.

［4］任民.冯伟.德国低合金调制钢25CrMo4的焊接［J］.石油化工建设，2007(4):52-53.