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地铁车轮低温冲击韧性研究

2014-08-13王建国

技术与市场 2014年9期
关键词:轮辋冲击韧性珠光体

王建国

(太原重工轨道交通设备有限公司,山西太原030024)

0 引言

车轮在列车运行中起承载、传递动力以及制动等作用。与高强度和高耐磨性一样,在地铁安全运行过程中冲击韧性具有重要意义。ER9车轮是一种在欧洲广泛应用的车轮,其性能要求遵循欧洲铁路标准(NF EN13262:2009),需达到强度、硬度、冲击性能的良好匹配。本次用户对出口某国家的ER9地铁车轮低温冲击韧性提出了更高要求,-20℃时,KV2平均值≥10J(欧标要求≥8J)。所以,生产这批车轮需对工艺进行精确控制,以满足用户的特殊需求。

在车轮生产过程中,有一批ER9地铁车轮低温冲击韧性不合格。为找出原因,对冲击试样的断口、夹杂物形貌、金相组织、化学成分等做了全面分析,以研究低温冲击韧性低的原因。

1 试验方法

地铁车轮的冲击试样取样位于车轮轮辋上。用户规定,冲击韧性检验用轮辋的试样进行,每炉批解剖1个车轮,在其轮辋部位取三个冲击试样,试样V型缺口槽深2 mm,并且在-20℃时,KV2≥10J。具体冲击韧性值见表1。

冲击试样断口端面方向研磨抛光后,观察金相组织和夹杂物评级。应用英国产LEO 438VP型扫描电镜进行断口分析;应用PE Optimo S300Ⅴ型电感耦合等离子体发射光谱仪分析试样成分;应用LECO公司TC 600型氮氧分析仪分析轮辋部位的氮氧含量;应用OLYMPUS的GX71金相显微镜进行金相组织观察;应用能谱仪分析了夹杂物的微区成分。

2 结果和讨论

2.1 化学成分

对车轮冲击试样进行光谱仪分析,对相应的轮辋部位进行氮氧分析仪分析,结果见表1。由化学成分分析可知,有害硫磷含量及氮氧含量均很低,说明钢的冶炼质量较好,合金元素种类不多,其中Cr含量较高,主要为增加车轮钢的淬透性,提高车轮轮辋在淬火过程中的冷却速度,其作用是形成细珠光体和少量铁素体组织,保证钢的高强度、高耐磨性和良好的韧性,材料成分设计符合EN13262中ER9钢的要求。

表1 试样的化学成分及其冲击韧性值

2.2 断口分析

电镜观察,首先,在试样的起裂部位,3#样有宽约800 μm的塑性变形区,在塑性变形区可观察到夹杂很少且尺寸较小,均<5 μm(见图1),而2#及1#试样起裂部位的塑性变形区宽度分别为200 μm及160 μm左右。其次,对试样的准解理脆断区比较:①在解理面大小方面,三个试样相近。②在撕裂棱及二次裂纹方面,3#试样的撕裂棱较多,而且二次裂纹较少。③同时,在三个试样解理面上均未观察到夹杂物。综上所述,我们认为,钢中夹杂物不是影响这批车轮冲击韧性的主要影响因素。

2.3 晶粒度、夹杂物及组织分析

金相观察,三个冲击试样中:①夹杂物较少,形态均为球状,分布较弥散,夹杂尺寸均<5μm,夹杂类型主要为球状氧化物,其他类型夹杂极少;夹杂物评级,A~D类均为0.5级。②晶粒度评级,1#~3#样均为7.5级;带状组织评级,1#样为0.5级,2#及3#样为0级。③经定量金相方法计算,1#~3#样的铁素体含量分别约为5%、3%及15%(见图2及表2)。

图1 1#~3#试样断口塑性变形区及其夹杂物(SEM)照片

表2 试样夹杂物及组织分析

图2 1~3试样中典型金相组织的照片

2.4 综合分析

3个试样车轮钢的夹杂物评级级别较低,断口分析中三个试样的断裂解理面均为观察到夹杂物,由此表明钢中夹杂物不是影响这批地铁车轮冲击韧性差的主要因素。

根据试样研究结果并结合以往生产实践分析,在车轮热处理时:①通过控制轮辋处的喷水冷却强度,可控制相变后生成铁素体比例。②冷速越慢,相变后生成铁素体比例就越高[1]。③而且相对较多的呈网状分布的铁素体将珠光体组织有效地分割包裹在铁素体网之内,可降低珠光体团的尺寸。④铁素体比例越高、珠光体团尺寸越小,冲击韧性就越高。

前期试验发现,ER9地铁车轮钢而言,当冷速>1℃/S时,容易造成冷速不均匀,导致金相组织中珠光体团粗大,相变后不能获得足够多的铁素体以保证轮辋区域的冲击韧性。因此,在后续的热处理过程中要严格控制车轮轮辋的冷却速率,以获得均匀的细珠光体组织及含量较多的铁素体含量。

3 改进措施及效果

根据影响车轮钢低温冲击韧性的综合原因分析,降低车轮热处理冷却强度为关键要点,具体措施:通过降低淬火加热温度和淬火冷却水压,严格控制淬火冷却水量。

对此进行改进试验,其车轮生产工艺为:坯料锻轧成型,经860℃~880℃淬火加热后对车轮踏面部位以一定的冷速喷水冷却,通过控制淬火水压、喷水时间等参数控制车轮轮辋的冷却速度,并经回火处理,回火温度约520℃。

采取以上措施优化生产工艺后,该批次1 200 t ER9地铁车轮-20℃的冲击韧性 KV2平均值达到10J以上,合格率100%。

4 结语

ER9地铁车轮低温冲击韧性差的主要原因是铁素体含量少、且珠光体团较粗大。在车轮热处理时,通过控制轮辋处的喷水冷却强度,提高了相变后生成铁素体的比例和避免出现大块的珠光体团,改善了地铁车轮的低温冲击韧性,提高了产品的合格率。

[1] 吴斯,李秀程,尚成嘉,等.工艺因素和组织对高速动车车轮断裂韧性的影响[J].材料热处理学报,2012,33(7):104.

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