30MnSiCrMoNi贝氏体钢辙叉热处理工艺性能的研究

黄科伟

摘 要：本文主要研究了目前商用的30MnSiCrMoNi钢贝氏体辙叉锻后去氢工艺和最终的回火工艺。实验表明，锻后采用去氢处理，可减少贝氏体钢中的含氢量，提高辙叉的冲击韧性；采用正火温度为930℃，回火温度为350℃时，30MnSiCrMoNi钢具有最佳的硬度和韧性的匹配。

关键词：贝氏体钢；辙叉；热处理工艺

中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0070-03

Study on Properties of Bainitic Steel Heat Treatment Process 30MnSiCrMoNi

Huang Kewei 1，2

（1.Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068；2.Changzhou Railway Higher Vocational and Technical School，Changzhou Jiangsu 213011）

Abstract： This paper studied the 30MnSiCrMoNi bainitic steel after forging to commercial hydrogen technology and final tempering process. Experiments showed that after forging by hydrogen treatment， could reduce the hydrogen content in bainitic steel；improv impact toughness of crossing when the normalizing temperature is 930 °C， the tempering temperature is 350 degrees centigrade， 30MnSiCrMoNi steel has the best hardness and toughness.

Keywords： bainitic steel；crossing；heat treatment process

轍叉是铁路轨道结构的重要组成部件，承受高强度的冲击碾压。随着各国铁路向高速、重载方向发展，特别是时速350km高速列车的开通，对辙叉心轨性能也相应提出了更高的要求。目前，国内主要采用高锰钢整体铸辙叉，但因其铸造后不可避免地会产生疏松缩孔等缺陷，加之与钢轨焊接性较差，导致高锰钢整体辙叉强度较低，质量不易控制。珠光体型钢轨，主要通过合金化和热处理两种方法来提高自身性能，强度可以达到1 200～1 300MPa。但在现有技术条件下，已很难再通过这两种方法进一步提高其强度及耐磨性[1]。贝氏体钢因其具有高强度、适当的韧度和硬度而表现出优良的抗接触疲劳和耐磨性能，尤其是具有优异的焊接工艺性能，使其成为制作重载、高速铁路用辙叉的理想材料之一。目前，商用辙叉贝氏体钢主要是空冷贝氏体钢，锻造后未经过除氢处理，钢中氢含量普遍较高，在一定程度上对钢的力学性能影响较大，特别是对塑性和冲击韧性影响最为明显[2]。另外，据铁道部门不完全统计，目前在轨的辙叉用贝氏体钢由于冲击韧度较低往往出现过早脆性断裂及剥离掉块等失效现象[3]。本文针对辙叉用贝氏体钢的塑性不足及韧度低的问题，对商用30MnSiCrMoNi贝氏体钢热处理工艺及组织和性能进行研究。

1 锻后热处理工艺

1.1 试验方案

对已锻造的30MnSiCrMoNi贝氏体辙叉心轨取样，试样成份见表1。取样的规格为230mm×200mm×80mm。锻后热处理方案如表2所示。保温后，试样进行完最终的去氢处理，然后取样进行冲击功、硬度和金相组织的检测。

1.2 试验结果及分析

表3为锻后去氢保温时间与30MnSiCrMoNi钢中含氢量的关系。从表3可以看出，随着保温时间的延长，30MnSiCrMoNi贝氏体钢中的含氢量减少，但减少幅度较小。

图1为去氢保温时间与30MnSiCrMoNi钢的硬度和冲击功的关系图。从图1可以看出，随着保温时间的延长，30MnSiCrMoNi钢的硬度基本保持不变，但U型冲击功不断增加，V型冲击功则是先增加然后保持不变。结合表2和图1可知，通过锻后去氢处理，可在一定程度上提高30MnSiCrMoNi钢的冲击韧性。结合表3从工效和经济性的角度考虑，去氢的保温时间在1 200min较为合适。

冲击功的关系

图2为不同去氢保温时间对30MnSiCrMoNi贝氏钢金相组织的影响。图中黄白色为回火马氏体组织，其他为贝氏体组织，由放大图可以清晰地看到马氏体板条。从图2可知，去氢保温时间对金相组织的影响不大。

2 最终热处理工艺

2.1 试验方案

研究表明，适当的回火可以进一步提升无碳化物贝氏体性能[4]。辙叉贝氏体钢通常采用正火和回火进行最终热处理。通过JMatPro模拟软件计算可知，30MnSiCrMoNi钢贝氏体转变的“鼻子尖”温度大约为350℃。因此，为了使钢中贝氏体转变更加充分，则需要进行回火工艺的研究。现采用930℃保温一定时间正火后，再进行不同温度的回火，回火温度分别为：200、280、350、420、500℃。

2.2 试验结果分析

图3为回火温度对30MnSiCrMoNi钢的硬度和冲击韧性的影响。可以将此图以350℃作为重要分界线，随着回火温度的升高，30MnSiCrMoNi钢的硬度不断降低，但冲击韧性在350℃具有最高的韧性。由此可见，当正火温度为930℃，回火温度为350℃时，30MnSiCrMoNi钢具有最佳的硬度和韧性的匹配性。

3 结论

结合锻后去氢工艺和最终热处理工艺研究可以得出以下结论：

①锻后采用去氢处理，可减少30MnSiCrMoNi钢中的含氢量，这在一定程度上可以提高30MnSiCrMoNi的冲击韧性，同时对钢的金相组织影响不大，经最终处理后，30MnSiCrMoNi 钢依然以贝氏体组织为主，存在少量的马氏体。

②从工效和经济性的角度考虑，去氢保温时间控制在1 200min左右较为合适。

③正火温度为930℃，回火温度为350℃时，30MnSiCrMoNi钢具有最佳的硬度和韧性的匹配。

参考文献：

[1]陈朝阳.道岔用空冷贝氏体轨钢的研究[D].北京：铁道部科学研究院，2001.

[2]郑春雷，张福成，吕博，等.辙叉用贝氏体钢的氢脆特性及去氢退火工艺[J].材料热处理学报，2008（2）：71-75.

[3]Kramer J. Turnout- frog technotogy， buitding on gains in design，materials and execution[J] .R T & S，1998（5）：19-21.

[4]陈晓男，栾道成，刘志鹏，等.回火工艺对贝氏体辙叉心轨钢组织性能影响研究[J].特钢技术，2009（3）：22-25.