U71MnSiCu重型钢轨的热处理工艺研究

郎庆斌 于慎君 刘晓恩 潘志生 郭文峰

(中信重工机械股份有限公司，河南471003)

U71MnSiCu重型钢轨的热处理工艺研究

郎庆斌 于慎君 刘晓恩 潘志生 郭文峰

(中信重工机械股份有限公司，河南471003)

通过采用金相组织分析和硬度检测等方法对U71MnSiCu钢的热处理工艺参数进行研究。根据试验结果制定了U71MnSiCu钢轨的热处理工艺并用于生产实践中。最终18件钢轨均获得较高硬度值，一次性合格率100%。

U71MnSiCu钢；重型钢轨；热处理工艺；硬度

钢轨是铁路或大型设备上滑行轨道系统的重要组成部分。由于钢轨需承载着较大负荷，常与其它滑行部件产生摩擦，磨损严重，因此硬度是钢轨力学性能要求的主要指标。我公司生产的U71MnSiCu钢轨是用于铝板拉伸机滑行轨道上的部件，由于钢轨设计承载的负荷极大，其尺寸比一般标准钢轨要宽，重量每米约470 kg，远远大于国家标准对重型钢轨重量的规定[1]。为了提高拉伸机的生产效率，减小更换钢轨周期，要求钢轨具有更好的耐磨性，要求钢轨的硬度值为310～350HBW。我公司为了生产出满足硬度要求的U71MnSiCu钢轨，需对钢轨热处理工艺参数进行研究，并制定符合实际生产的热处理工艺。

1 试验材料及方法

1.1 化学成分

U71MnSiCu钢轨的主要化学成分如表1所示。由合金元素对性能的作用可以知道，U71MnSiCu钢属于高碳类型的钢种，碳含量范围在0.65%～0.77%，是钢轨硬度的基本保障。锰元素含量在1%左右，可以增强其淬透性，使表面硬度和淬硬层增加，从而提高钢轨耐磨性。硅元素对提高钢的硬度和强度具有很强的作用。添加适量的铜元素可以起到自润滑的作用，减小摩擦系数，从而增强其耐磨性[2]。因此，U71MnSiCu的化学成分是保证其满足硬度和耐磨性的基本保障。

表1 U71MnSiCu钢的主要化学成分(质量分数，%)Table 1 The main chemical composition of U71MnSiCu steel(mass fraction, %)

1.2 试验方法

在U71MnSiCu重型钢轨工件吊头套取∅18 mm×180 mm试棒后切成∅18 mm×20 mm的试样进行热处理试验。试验方法为：分别在740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃保温30 min，然后油冷。采用洛氏硬度计检测淬火硬度值，得出不同淬火温度与硬度的关系曲线。然后选择一个合适的淬火温度进行淬火，淬火后再分别在450℃、480℃、510℃、540℃、570℃、600℃进行回火试验，保温1 h后空冷。最后检测试样回火硬度值并观察试样金相组织。

2 试验结果与分析

淬火温度与回火温度对U71MnSiCu钢硬度的影响见表2。可以看出，U71MnSiCu钢在740℃淬火硬度值很低，而当淬火温度加热至760℃时，硬度发生了质的变化，硬度迅速提高，硬度值达到59HRC。随着淬火温度继续升高，硬度也提高，当淬火温度为800℃时，硬度达到峰值，约为65HRC，随后硬度随着淬火温度的升高稍有下降，在淬火温度为860℃时，硬度有明显的下降。从淬火硬度的变化规律看，U71MnSiCu钢的Ac3温度大于740℃，并在740～760℃之间的适宜温度淬火得到的硬度值应为63～65HRC。U71MnSiCu钢经800℃淬火，和在450～600℃温度范围回火，其硬度变化规律为硬度随回火温度升高而降低，起初硬度随回火温度升高稍有下降，即回火温度每升高30℃，硬度下降1～1.5HRC，当回火温度大于540℃时，硬度发生明显的下降，即回火温度为540℃时硬度值为37.5HRC，而回火温度为570℃时硬度值为31.5HRC，硬度值降低了6HRC。由此可见U71MnSiCu钢在450～540℃回火可以保持较高的硬度值，硬度约为37.5～41HRC。

表2 U71MnSiCu钢不同淬火温度和回火温度的硬度值Table 2 Hardness values of U71MnSiCu steel at different quenching temperatures and tempering temperatures

U71MnSiCu钢淬火前及不同温度下淬火的金相组织见图1。淬火前的组织为珠光体组织与屈氏体组织及少量的铁素体(见图1(a))。在740℃加热油冷得到的组织主要为粒状珠光体与片状珠光体组织(见图1(b))。金相组织与硬度值相呼应，同时也说明了U71MnSiCu钢在该温度没有发生完全奥氏体转变。当淬火温度高于760℃，淬火组织主要为针状马氏体组织加少量的残余奥氏体，如图1(c)～图1(f)所示。随着淬火温度的升高，成分越均匀，淬火组织中的残余奥氏量减少，淬火硬度值逐渐升高。当淬火温度高于820℃时，随着温度升高，合金元素溶入奥氏体越充分，奥氏体稳定性增加，淬火组织中的残余奥氏体含量也逐渐增加，因此淬火硬度值随温度升高而降低[2]。由此可见，U71MnSiCu钢在780～820℃温度范围淬火，材料硬度值达到最佳，且组织为细针状马氏体，残余奥氏体量很少。在450～540℃之间回火的组织为回火屈氏体组织(见图2)，因此材料的硬度值较高。

3 U71MnSiCu钢轨的热处理及检验结果

U71MnSiCu钢轨总长5 000 mm，厚170 mm，硬度要求310～350HBW，相当于洛氏硬度33.5～38HRC。根据U71MnSiCu钢的工艺试验结果，U71MnSiCu钢轨淬火温度应选在780～820℃之间。由于实际工件淬硬性比小试样淬硬性差，为了满足 U71MnSiCu钢轨的硬度要求，因此回火温度应比试验结果的稍低些，应选在450～510℃之间。按照图3的工艺进行热处理，18件钢轨均获得较高的硬度值，一次性合格。其硬度值见表3。

图2 U71MnSiCu钢回火后的金相组织#500×Figure 2 Microstructure of U71MnSiCu steel after tempering 500×

图3 U71MnSiCu钢轨热处理工艺Figure3 Heat treatment process for U71MnSiCu steel rail

表3 U71MnSiCu钢轨的硬度检测值Table 3 Test values of U71MnSiCu steel rail hardness

4 结论

通过对U71MnSiCu钢的研究，得知U71MnSiCu钢在780～820℃温度范围内淬火得到的硬度值最佳，约为63～65HRC，淬火组织为针状马氏体加极少量残余奥氏体。在450～540℃温度范围回火，仍保持较高硬度值，约为37.5～41HRC，回火组织为回火屈氏体。根据研究结果制定了U71MnSiCu钢轨的热处理工艺。18件钢轨热处理后，硬度均达到硬度值要求310～350HBW的中上限，一次性热处理合格率100%，证明U71MnSiCu钢轨热处理工艺合理。

[1] 孙一峰. 武钢重轨生产工艺装备改造及产品开发[J]. 轧钢, 2005,22(4)：36-38.

[2] 姚小飞, 谢发勤. TC4钛合金表面镀Cu摩擦磨损性能的研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2012, 41(12):2135-2138.

编辑 李韦萤

中国制造业新规划有望2015年年中出台

据悉，工信部正联合有关部门编制《中国制造2025》规划，有望2015年年中出台，为把我国打造成现代化的工业强国描绘出清晰的路线图。

工信部装备司副司长李东昨日在“2014中国(北京)国际能源峰会”上表示，工信部正在会同发改委、科技部、财政部等部门，制定《中国制造2025》规划纲要，提出以“1+10”的规划体系发展装备制造业，尤其是重点发展重大技术装备。目前，各部委已启动了《关于加快推进新时期的重大技术装备的指导意见》。

(摘自中国机械工业集团公司网2014-7-31)

Research on Heat Treatment Process for U71MnSiCu Heavy Steel Rail

LangQingbin,YuShenjun,LiuXiaoen,PanZhisheng,GuoWenfeng

The heat treatment parameters of U71MnSiCu steel are studied by using the methods of metallographic analysis and hardness test. The heat treatment process of U71MnSiCu steel rail is made and used for production practice according to test results. At last 18 pieces of steel rails have

a higher hardness values and a one-time pass rate is 100%.

U71MnSiCu steel; heavy steel rail; heat treatment process; hardness

2014—01—13

TG156.6

B