两种低碳铬钼钢的等温淬火组织和性能

李亚宁，梁晨，覃作祥，陆兴

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

车轴和车钩在运行中承受拉、压、冲击、弯曲等多种应力的综合作用，工况复杂且使用条件非常恶劣.随着列车的运行速度、牵引总重不断提高，车轴和车钩受到的随机交变的各种应力的作用越来越大，使用工况条件进一步恶化，疲劳断裂问题已成为车轴和车钩失效的主要形式［1-8］.目前，我国货车车轴主要为50钢，但大功率机车车轴则采用低碳铬钼钢——25CrMo4(EA4T)［9］.车钩材料主要采用25MnCrNiMo铸钢并经调质处理.这些材料都属于低碳铬钼钢，铬、钼对提高钢的淬透性从而提高车轴和车钩的性能起到十分关键的作用.但由于车轴和车钩的尺寸较大，在调质过程中很难整体淬透，内部极容易形成贝氏体，端淬曲线测定也表明，ZG25MnCrNiMo钢淬透性不足，贝氏体形成能力较强，25CrMo4钢也有很强的贝氏体形成能力［10］，对车轴和车钩的实物解剖也发现其内部出现大量的贝氏体组织，因此贝氏体组织对车轴和车钩的性能和寿命有重要的影响.为了了解贝氏体对钢组织和性能的影响，本文采用等温淬火工艺，研究 25CrMo4和ZG25MnCrNiMo两种钢在不同温度下等温形成贝氏体的过程及其对钢的组织和性能的影响规律，为低碳铬钼钢车轴和车钩的生产和使用提供一些有重要参考价值的实验数据.

1 实验材料与方法

实验用钢的化学成分如附表所示.等温淬火工艺为:奥氏体化温度为910℃，然后淬入熔化的硝盐盐浴炉中保温，ZG25MnCrNiMo钢的等温温度分别为350、400、450和480℃;25CrMo4钢的等温温度分别为300、370、400和450℃，所有试样在盐浴炉中保温时间均为1 h.

附表 ZG25MnCrNiMo钢和25CrMo4钢的化学成分

钢经等温淬火处理后按照GB/T 229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法(V型缺口)》的规定加工冲击试样并进行冲击试验，试验温度为室温(25CrMo4钢)和-40℃(ZG25MnCrNiMo钢)，在JXB-300型摆锤式试验机上进行.拉伸试验根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，在WDW3200电子万能试验机上进行.金相试样经机械磨制、抛光后用4%硝酸酒精腐蚀，在VHX-1000超景深显微镜上观察.冲击试样断口形貌在JSM-6360LV型扫描电镜上观察.

2 实验结果与讨论

2.1 显微组织分析

图1为 ZG25MnCrNiMo钢在350、400、450和480℃下等温1 h后的显微组织.从图中可以看出，得到铁素体和碳化物组成的两相混合组织.350℃等温时，得到均匀的下贝氏体组织，铁素体比较细小，碳化物分布在铁素体片中间;温度升高，组织变得粗大;450℃等温时，铁素体晶粒开始长大，组织比较均匀，形成粒状贝氏体组织;到480℃等温，粒状贝氏体组织中的铁素体晶粒最大，且形状较规则，渗碳体主要分布在铁素体内部，并开始在一定区域聚集.

图1 25MnCrNiMo钢等温淬火组织

图2为25CrMo4钢在300、370、400和450℃下等温转变后的显微组织.在300℃等温淬火得到的组织为下贝氏体+马氏体组织;等温温度升高得到的贝氏体组织数量不断增多;在410℃等温时几乎全部为贝氏体组织;450℃等温淬火后形成粒状贝氏体组织，此时的贝氏体铁素体和碳化物颗粒比低温等温时粗大.

组织的变化是由于当等温淬火工艺采用的温度较低时，具有很大的相变驱动力，在过冷奥氏体中的贫碳区，贝氏体将沿着惯习面进行切变并且大量形核.但是在温度较低的条件下碳的扩散能力有限，在奥氏体中难以长距离扩散.因此，当等温淬火的温度较低时贝氏体能够进行较为充分的转变，形成细小的组织［11］.

图2 25CrMo4钢等温淬火组织

2.2 力学性能分析

图3所示为ZG25MnCrNiMo钢经不同温度等温淬火后，其力学性能的变化.可以看出，在350℃等温时钢的抗拉强度和冲击功都达到最大值，结合图1(a)中ZG25MnCrNiMo钢的显微组织可知，这是因为等温温度较低时形成了均匀细小的下贝氏体组织，碳化物分布于铁素体内部，表现出高的强度和韧性.等温温度升高，贝氏体晶粒变大，碳化物颗粒变大，碳化物的数量相应减少，固溶碳量低，故抗拉强度和冲击功变低［12］.

图3 不同等温淬火温度对ZG25MnCrNiMo钢力学性能的影响

图4所示为25CrMo4钢经不同温度等温处理后，其力学性能的变化.从图中可以看出，实验用钢在300℃等温时抗拉强度和冲击功都达到最大值，分别为1 177 MPa和30 J，具有最佳的强韧性配合.原因是在300℃等温时组织中少量细小的板条马氏体对贝氏体转变起到了分割作用，减小了材料的局部塑形变形倾向，增强了均匀变形能力，使其表现出较高的强韧性［13］.等温温度升高，贝氏体组织增多且变大，使材料性能下降.

图4 不同等温淬火温度对25CrMo4钢力学性能的影响

2.3 冲击断口分析

图5 ZG25MnCrNiMo钢在不同温度等温后－40℃冲击断口形貌

图5为ZG25MnCrNiMo钢在不同温度下等温相同温度回火后的冲击断口形貌.在400℃等温时，断口中显示出解理小平面，还能观察到明显的撕裂棱存在，冲击功不高，仅为33 J.见图5(a);升高温度等温，断口都为准解理形貌，无韧窝形成，冲击功仅为20 J左右.见图5(b)、(c).

25CrMo4钢等温处理后，-40℃低温冲击断口形貌如图6所示.300、370℃等温淬火后的断口形貌主要由大小不一的韧窝组成，宏观表现为韧性断裂.但在370℃时形成的韧窝较平，说明试样在断裂前的塑性变形较小，因此冲击功较300℃等温处理后的低.410℃与450℃等温后的冲击断口都为明显解理特征，宏观表现为脆性断裂，冲击功较低.

图6 25CrMo4钢不同温度等温后－40℃冲击断口形貌

由此看来，两种低碳铬钼钢都是在较低等温温度时得到最高强韧性配合，形成下贝氏体组织.ZG25MnCrNiMo钢等温转变后整体性能较差，抗拉强度值在800～920 MPa之间;冲击功除350℃很高外，其余都在 10～40 J之间，不能满足ZG25MnCrNiMo钢车钩的性能要求.25CrMo4锻钢等温转变后强度较高，抗拉强度在最高为1 177 MPa，最低也达975 MPa.而冲击功很低，最高也仅为30 J.

3 结论

本文主要研究了两种低碳铬钼钢(ZG25MnCrNiMo钢和25CrMo4钢)经等温淬火工艺后的组织性能，得出以下结论:

(1)ZG25MnCrNiMo和25CrMo4钢在较低的温度下等温得到最优强韧性配合，此时形成下贝氏体组织.随着等温温度升高，铁素体基体和碳化物变得粗大，强度和韧性显著降低，微观组织产物为粒状贝氏体组织;

(2)ZG25MnCrNiMo钢等温淬火形成贝氏体后整体性能较差，抗拉强度和冲击功都不能满足车钩的性能要求;25CrMo4钢等温淬火形成贝氏体后强度较高而韧性较低.

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