回火工艺对贝氏体钢轨组织性能影响研究

金纪勇 ，刘宏 ，王冬 ，陈昕 ，刘祥

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司产品发展部，辽宁 鞍山 114021）

贝氏体钢轨具有韧性好、疲劳强度高和耐磨性好等特点，逐渐成为各研究机构及企业关注的焦点。应用在铁路道岔上的贝氏体钢翼轨及尖轨使用寿命比高锰钢辙叉高出1倍以上，在铁路小半径曲线上使用寿命是热轧珠光体的3～5倍，已然成为未来重载铁路用高强耐磨钢轨发展的研究重点。出于铁路运营的安全性以及贝氏体钢轨的组织特性考虑，正线铁路上应用的贝氏体钢轨一般采用低温回火热处理工艺以保证其组织与性能的稳定。

为解析回火和未回火工艺对钢轨组织和力学性能的影响，本文拟对不同回火温度、回火时间、回火次数条件下贝氏体钢轨的组织与性能进行研究，以指导贝氏体钢轨的实际生产工艺和应用。

1 试验方法

试验钢轨材质为热轧贝氏体钢U22SiMn，规格为60AT，主要化学成分见表1。

表1 试验钢轨化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions of Testing Rails（Mass Fraction） %

试验钢轨拉伸、断裂韧性试验取样及检测分析参照《TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m钢轨订货技术条件试验方法》，设备为液压伺服万能材料试验机和拉伸试验机；冲击试验试样取自试验钢轨轨头踏面下方，设备为夏比冲击试验机；残余奥氏体测量采用磁性法，组织分析采用场发射JEM-2010F透射电子显微镜（TEM），回火处理设备为箱式电炉。试验钢轨回火工艺参数见表2。

表2 试验钢轨回火工艺参数Table 2 Tempering Process Parameters of Testing Rails

2 试验结果及分析

2.1 回火温度对显微组织和力学性能的影响

2.1.1 回火温度对显微组织的影响

材料的组织决定其性能，为了研究不同回火温度条件下材料显微组织的变化，选取350℃和450℃的回火试样，通过透射电镜对试验钢的显微组织进行深入观察，结果见图1和图2。

图1 350℃回火试样的TEM形貌Fig.1 Appearance of Tempered Samples by TEM at 350℃

图2 450℃回火试样的TEM形貌Fig.2 Appearance of Tempered Samples by TEM at 450℃

可以看出，350℃回火试样的显微组织主要由不同尺度的M-A岛、板条贝氏铁素体、残余奥氏体和极少量铁素体组成，而450℃回火试样的显微组织中贝氏铁素体板条上有明显的碳化物析出。

2.1.2 回火温度对力学性能的影响

回火试验在250～550℃温度范围内进行，加热炉升温至目标温度后装炉，保温4 h后出炉空冷。不同回火温度下力学性能参数见表3。

表3 不同回火温度下力学性能指标Table 3 Mechanical Properties at Different Tempering Temperatures

由表3可知，随着回火温度的提高，钢轨的屈服强度和抗拉强度略有降低，但能分别保持在925 MPa和1 210 MPa以上；回火温度达到550℃时，钢的强度没有显著降低，回火温度在350℃以上时，塑性均有明显的改善，断面收缩率由34.5%提高至40.0%。同时可以看出，回火温度对冲击韧性和断裂韧性影响较大，与热轧态钢轨相比，350℃回火时，钢轨的冲击韧性为81 J，而400℃回火时，冲击韧性下降至48.5 J，450℃回火时冲击韧性急剧下降至25 J；断裂韧性的变化规律与冲击韧性相似，350 ℃以下回火，K均在 52.9 MPa·m以上，400℃回火后发生明显降低，K为32 MPa·m，回火温度提高，断裂韧性继续降低，450℃回火时仅为28 MPa·m。

2.1.3 回火温度对残余奥氏体含量和稳定性影响

相关贝氏体钢的资料表明，残余奥氏体的稳定性会对贝氏体钢的力学性能产生明显的影响。因此，为进一步分析残余奥氏体对试验钢的力学性能影响，对不同回火温度的试样进行了未变形、施加3%的预变形两种条件下的残余奥氏体含量测定，结果见表4。

表4 不同回火温度、3%预变形条件下残余奥氏体含量Table 4 Content of Residual Austenite under Different Tempering Temperatures and Pre-deformation（3%） %

结果表明，回火温度的变化确实引起了残余奥氏体含量的变化，热轧态时残余奥氏体很不稳定，发生3%的变形时会引起41.2%以上的残余奥氏体发生转变；250℃回火时，残余奥氏体所占的比例有所减少，约有27.7%的残余奥氏体发生了转变；350℃回火时基本实现残余奥氏体稳定化；随着回火温度继续升高，残余奥氏体的含量下降趋于稳定，但残余奥氏体的稳定性明显降低，直到回火温度达到550℃时，51.1%的残余奥氏体发生转变。

结合表3和表4可以看出，当采用低温回火时，回火温度从250℃提高至350℃时，钢轨中残余奥氏体的含量有所降低，钢中残余奥氏体的稳定性逐渐提高，至350℃时最稳定，此时力学性能尤其是冲击韧性、断裂韧性得到最大程度的优化，达到最高值。回火温度进一步提高至450℃，残余奥氏体中碳饱和达到一定程度时，开始析出碳化物，残余奥氏体中的碳含量开始下降，残余奥氏体的稳定性也开始下降，温度进一步提高还会伴随着碳化物的聚集长大，引起贝氏体钢轨冲击韧性及断裂韧性的逐渐下降。

2.2 二次回火对力学性能的影响

实际生产中不可避免地会发生特殊情况，若一次回火处理后未达到工艺要求，那么未达到工艺要求的钢轨是否能够挽救，二次回火处理的钢轨性能能否达到技术指标的要求。为研究上述问题，对325℃保温4 h一次回火和二次回火、325℃保温10 h一次回火和二次回火的试验钢轨性能进行分析，结果见表5。

表5 不同回火时间、二次回火的贝氏体钢轨拉伸性能Table 5 Tensile Properties of Bainite Rails by Secondary Tempering with Different Tempering Time

可以看出，与热轧矫直态钢轨相比，钢轨在低温回火时抗拉强度基本保持不变，屈服强度有一定提升，尤其轨腰和轨底提升显著，断后伸长率和断面收缩率提升最为显著；325℃保温4 h一次回火和二次回火得到的延伸率均偏低且数值基本一致，而325℃保温10 h一次回火和二次回火得到的延伸率较好且数值基本一致。325℃保温10 h一次回火与325℃保温4 h二次回火相比，贝氏体钢轨全断面（轨头圆角、轨头1/2中心、轨头中心、轨腰、轨底）伸长率提高了1.5%～2.5%，断面收缩率增加了9.5%～20%。由此可以说明，回火保温4 h条件下试图增加回火次数来提高延伸率效果不明显，只有适当增加回火保温时间才能提高延伸率，而回火保温10 h的确提高了延伸率，而且一次回火即可达到预期效果。

与轨头中心相比，轨头圆角及1/2轨头中心更接近钢轨表面。因此，上述回火制度下该部位强度及延伸率均较好；在整个横断面的强度分布上，轨头部位的强度与延伸率最高，轨腰最低，轨底与轨头相当；回火后和回火前相比，强度略有降低，约降低20 MPa，回火后轨头的平均强度在1 330 MPa。

3 结论

（1）350℃回火处理时，贝氏体钢轨组织状态良好，未出现碳化物析出，残余奥氏体的稳定性最好，施加3%的残余塑性变形后，残余奥氏体的转变量为9.6%，冲击韧性和-20℃断裂韧性分别为81 J和 52.9 MPa·m，均达到较高水平。

（2）回火温度低于或高于350℃时，贝氏体钢轨残余奥氏体稳定性降低，尤其是高于350℃时，残余奥氏体含量及稳定性急剧降低，450℃时组织出现明显的碳化物析出，冲击韧性和断裂韧性明显降低。

（3）增加回火次数对提高延伸率效果不明显，而适当增加回火保温时间可以提高延伸率。325℃保温10 h一次回火与325℃保温4h二次回火相比，贝氏体钢轨全断面（轨头圆角、轨头1/2中心、轨头中心、轨腰、轨底）伸长率提高了1.5%～2.5%，断面收缩率增加了9.5%～20%，得到的贝氏体钢轨伸长率及断面收缩率较好，更适用于指导实际生产工艺。