25CrMoA钢奥氏体冷却转变参数的确定

宋佳，张银凤，刘晓军，于善伟，丁志敏

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028; 2.中车大连机车车辆有限公司 工艺技术部，辽宁 大连 116022; 3.大连市产品质量检测研究院，辽宁 大连 116021)

0　引言

铁路车轴是机车中一个非常重要的构件，其质量可靠性决定了列车运行的速度和运输的安全[1- 2].欧洲标准EN13261中规定EA4T钢是一种力学性能优异的高速、重载铁路车轴用钢，已被广泛地应用于大功率机车车轴[3- 6].随着我国铁路升级换代的快速发展，早期使用的40钢、50钢已经不能满足铁路对车轴钢性能的需求，而通过对国外EA4T钢的引进、消化、吸收并自主研发出的25CrMoA钢已成为我国铁路高速重载发展中的主要机车车轴用钢之一，其成分和性能与EA4T钢成分和性能相近，其最终热处理工艺为淬火+高温回火的调质处理[7].由于淬火对钢的组织和性能有较大影响，并且欧洲标准EN13261规定，淬火处理后的EA4T钢(25CrMoA钢)车轴1/2半径处的组织必须为马氏体+贝氏体组织，因而对奥氏体冷却过程中组织转变参数的确定将对25CrMoA钢生产实际中的加热、冷却工艺的制定具有较强的指导意义.此外，末端淬火法是目前在生产现场通过测定钢加热奥氏体化及末端淬火后的硬度-端淬距离关系曲线(即钢的淬透性曲线[8])来指导热处理生产的一种常用方法.由于组织和硬度往往不是精确地一一对应，因而，也就很难根据25CrMoA钢的淬透性曲线来确定1/2半径处组织为马氏体+贝氏体组织时车轴的热处理规范.鉴于此，本文仍将采用末端淬火法，通过结合金相分析以及传热学理论来确定25CrMoA车轴钢的奥氏体冷却转变参数，不但为生产实际中25CrMoA钢车轴热处理工艺的制定提供试验依据，而且也尝试为奥氏体冷却转变特征的研究提出一种新的方法.

1　实验材料及方法

实验所用25CrMoA钢化学成分如表1所示.

表1　25CrMoA车轴钢的化学成分

在PCY型高温卧式膨胀仪上对尺寸为Φ10 mm×50 mm的25CrMoA钢试样进行了热膨胀曲线的测试.测试时，加热速度为5℃/min.根据试验所得的膨胀值-温度曲线，对突变点用切线法确定出25CrMoA钢加热时的相变临界点[9].

按照国家标准《GB/T225- 2006钢淬透性末端淬火实验方法》[10]的要求，在DZJ-I型端淬机上对25CrMoA钢试样进行了末端淬火实验(简称端淬实验，下同)，奥氏体化温度为880℃.将端淬后的试样表面沿平行轴线的方向分别磨制出深度为0.4～0.5 mm的两个互相平行的平面.并在LC- 200R型数显洛氏硬度计上，测试了其平面上距水冷端不同距离(简称端淬距离，下同)处的硬度，从而可绘制出25CrMoA钢的硬度-端淬距离关系曲线.随后对端淬试样的硬度测试平面进行研磨、机械抛光并用4%硝酸酒精浸蚀，制备出金相试样.采用OLYMPUS BX41M金相显微镜对25CrMoA钢端淬试样上不同端淬距离处的金相组织进行了观察，同时根据金相组织上开始出现5%～10%含量的贝氏体、铁素体和珠光体来确定各组织转变开始时的端淬距离.由于不同的端淬距离对应不同的冷却速度，因此，根据各组织转变开始时的端淬距离以及传热学理论分析，就可以计算出各组织转变的冷却速度.

2　实验结果

2.1　25CrMoA钢加热时临界点的测定

图1为25CrMoA钢的热膨胀曲线.由图1的热膨胀曲线可知，25CrMoA钢加热转变临界点Ac1和Ac3分别为758℃和841℃.

图1　25CrMoA钢的热膨胀曲线

2.2　不同端淬距离处的硬度

图2为25CrMoA钢端淬后的硬度与端淬距离关系曲线.从图2中可以看出，随着端淬距离的增加，硬度先快速降低而后趋于平缓，开始趋于平缓的端淬距离约为37.2 mm.硬度之所以出现这样的变化趋势主要与不同端淬距离处的冷却速度不同，进而导致所获得显微组织不同有关.

图2　不同端淬距离处的硬度曲线

2.3　不同端淬距离处的组织

图3为25CrMoA钢端淬试样上各组织开始出现时相对应端淬距离处的金相组织.从图3中可以看出，在端淬距离2.9 mm以内，全部为低碳板条马氏体组织(图3(a)为端淬距离为1.5 mm处金相组织).而在端淬距离为2.9 mm时，除了有板条马氏体组织之外，开始有羽毛状贝氏体组织的出现(如图3(b)所示).随着端淬距离的继续增加，马氏体组织减少，贝氏体组织数量增多.在端淬距离为7.7 mm时，除了有马氏体和贝氏体组织外，开始有等轴状白色铁素体组织的出现(如图3(c)所示).在端淬距离为8.5 mm时，开始有团状黑色珠光体组织的出现(如图3(d)所示). 在端淬距离为37.2 mm时，马氏体和贝氏体组织消失，组织为铁素体和珠光体(如图3(e)所示).对比图2和图3分析可知，在端淬距离0～37.2 mm范围内，正是由于马氏体含量的快速下降导致硬度下降明显，而在端淬距离37.2 mm以后，由于组织基本上均为铁素体和珠光体，因而硬度变化不明显.

(a) 1.5 mm

(b) 2.9 mm

(c) 7.7 mm

(d) 8.5 mm

(e) 37.2 mm

3　讨论

由2.3节结果可知，25CrMoA钢试样端淬后，在端淬距离分别为2.9、7.7和8.5 mm时，则先后开始有贝氏体、铁素体和珠光体组织的出现，并在端淬距离达到或超过37.2 mm时，基本上均为铁素体和珠光体组织.由于不同的端淬距离具有不同的冷却速度，因而，可以根据贝氏体和铁素体开始出现的端淬距离，得到马氏体和贝氏体的最小临界冷却速度，以及根据珠光体开始出现的端淬距离，得到铁素体和珠光体同时开始出现的最大临界冷却速度.但对于25CrMoA钢马氏体和贝氏体组织转变、以及铁素体和珠光体同时开始出现的临界冷却速度是多少，到目前为止，还未见有文献直接采用端淬实验来获得的报道.为此，本文希望借助于端淬实验的结果，通过相关传热学理论进行分析和计算得到25CrMoA钢880℃加热保温端淬后不同组织转变的临界冷却速度，以及根据相关文献获得25CrMoA钢水中淬火时钢棒1/2半径处具有马氏体+贝氏体的临界冷却直径.

25CrMoA钢在端淬时，符合端淬试样连续冷却传热模型中的两个假设[11]：一是假设25CrMoA钢试样与空气换热时为薄材；二是假设25CrMoA钢试样与水流换热时为半无限体.试样端淬后端淬距离X处的温度和冷却速度分别可以表示为：

(1)

(2)

将从880℃分别冷却到各种组织开始出现所需的时间以及25CrMo钢相关的热物性参数代入冷却速度计算式(2)中，而最终获得25CrMo钢端淬试样在各种组织开始出现的端淬距离上分别对应孕育期最短温度处的冷却速度，即25CrMo钢奥氏体冷却过程中各种组织的临界冷却速度.根据文献[14]所给出的25CrMo钢热物性参数数据，利用插值法可以分别求得25CrMoA钢在454、634、675、880℃时的热物性参数数据，其数值列于表2中.为了方便计算，式(1)和式(2)中的25CrMoA钢热物性数据取奥氏体加热温度880℃分别与454、634、675℃时热物性数据的算术平均值.这样，最终计算出的25CrMoA钢马氏体的临界冷却速度为127℃/s(对应于端淬距离2.9 mm的位置)；贝氏体的临界冷却速度为44℃/s(对应于端淬距离7.7 mm的位置)；开始有铁素体和珠光体出现的临界冷却速度为43℃/s(对应于端淬距离8.5 mm的位置).

表2　25CrMo钢的热物性参数

此外，根据25CrMoA钢试样端淬后、在端淬距离为7.7 mm时开始有铁素体出现的结果，以及文献[15]中端淬试样不同端淬距离同钢棒1/2半径处的对应关系，可以获得25CrMoA钢880℃淬火时，其钢棒1/2半径处获得马氏体+贝氏体的临界直径约为48 mm.

4　结论

(1)25CrMoA钢加热过程中转变的临界温度为Ac1=758℃，Ac3=841℃；

(2)25CrMoA钢880℃加热冷却时，马氏体和贝氏体的临界冷却速度分别为127和44℃/s，而当冷却速度低于43℃/s时，开始有珠光体和铁素体组织的出现；

(3)880℃淬火时，25CrMoA钢钢棒半径1/2处获得马氏体+贝氏体组织的临界冷却直径约48 mm.

参考文献：

[1]边书.高铁用25CrMo车轴钢淬透性的研究[D].沈阳：沈阳理工大学,2012.

[2]CHADWICK S G, ZHOU N, SAAT M R. Highway-rail grade crossing safety challenges for shared operations of high-speed passenger and heavy freight rail in the U.S.[J].Safety Science,2014,68(10):128- 137.

[3]European Committee for Standardization (CEN).EN13261- 2009Railway Applications-Wheelsets and Bogies-Axles-Product Requirements[S]. Brussels: European Committee for Standardization,2010.

[4]傅成骏,李芷慧,朱瑾陶,等.EA4T车轴钢热处理冷却转变特性的研究[J].机车车辆工艺,2009(3):1- 3.

[5]邹静,雷晏,梁益龙,等.国产高速重载列车车轴用钢EA4T的冷脆转变温度测定[J].现代机械,2011(2):79- 80.

[6]郑业方,杨军,苏立武,等.热处理工艺对EA4T钢车轴组织与性能的影响[J].金属热处理,2011,36(12):38- 40.

[7]覃作祥,李芷慧,周鹏.25CrMo4钢先共析铁素体转变及其对力学性能的影响[J].大连交通大学学报,2011,32(5):62- 66.

[8]LUND ,THORE. Measurement and prediction of Jominy hardenability[J]. Scandinavian Journal of Metallurgy, 1990,19:227.

[9]徐光,王巍,张鑫强,等.金属材料CCT曲线测定及绘制[M].北京:化学工业出版社,2009.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T225- 2006钢淬透性的末端淬火试验方法[S].北京：中国标准出版社,2006:3- 5.

[11]丁志敏,左丽丽,赵晶,等.ZGMn13高锰钢950℃水韧处理的可行性[J].材料热处理学报,2013,34(12):132- 133.

[12]胡景豫.低合金高强度钢的组织和性能的优化[M].哈尔滨工程大学,2011.

[13]《数学手册》编写组.数学手册[M].北京:高等教育出版社,1979.

[14]李益华.车轴锻造应力演变及热处理残余应力研究[D].长沙：中南大学,2013.

[15]吴季恂,周光裕,荀毓闽.钢的淬透性应用技术[M].北京：机械工业出版社,1994:242- 245.