车轮缓冷工艺解析

潘胜利，国新春

（宝武集团马钢轨交材科技有限公司，安徽 马鞍山 243000）

1 车轮白点缺陷的形成机理

由于氢在钢中有一定的溶解度，故在钢液凝固后，总有部分氢残留在钢中。从氢在铁中的溶解度与温度的关系曲线（见图1）[1]。从图1可以看到，当温度下降时，氢在钢中的溶解度迅速降低，则过饱和部分的氢将要析出，但在冷却速度不够慢或者断面尺寸比较大时，靠中心部分的氢将来不及完全逸出。在以后的热加工过程中，尤其在快冷的条件下，氢不断脱溶，不断析出、聚集，将在局部区域产生巨大的压力，再结合其他各种应力（如钢相变时产生的组织应力），当最后的叠加应力超过了金属的强度极限时，就会发生穿晶断裂，形成一条条细小的裂缝—白点[2]。

图1 氢在铁中的溶解度与温度的关系曲线

白点在车轮中的形貌如图2所示。白点的危害在于降低车轮的塑性和韧性，使车轮坯由塑性状态变成脆性状态，导致车轮在服役过程中产生脆性破坏，使用有白点的车轮往往导致破坏性事故的发生。即使钢中的氢含量低于某一临界值而没有生成白点时，钢的塑性和韧性叶将随着氢含量的提高而降低[3]。因此，最大限度地排除钢中的氢，是车轮生产中的重要问题之一。

图2 车轮白点的形貌

根据当溶解在钢中的氢含量低于2～3 cm3/100 g时。就不会产生白点的说法[1]，若要预防白点的产生，就必须有效地降低钢中氢含量或固定氢原子。在车轮的制造过程中，炼钢环节是控制钢中氢含量的主要工序，但是要在炼钢过程中完全消除，确实很困难。现在的车轮制造厂一般采取在炼钢工序增加真空脱气、保护浇铸以及铸坯缓冷的办法来降低钢中氢含量，在车轮轧制过程采取轧后等温或缓冷的办法来进一步降低钢中氢含量或弥散钢中的氢[4]。因此，正确理解车轮缓冷工艺操作要点，制定合理的作业办法，减少车轮缓冷工序中的工艺不合格产品，对于提高车轮缓冷工序的效率、保证缓冷效果很有意义。

2 车轮缓冷工艺设计解析

由钢中的氢在各种不同组织下溶解度，珠光体最小，奥氏体最大。因此，要将车轮中的氢扩散或弥散，最好的办法就是让车轮组织处于珠光体状态，让溶于奥氏体中的氢尽快析出。钢中氢气在不同温度下有着不同的逃逸速度或称为扩散系数。钢中氢的扩散系数与温度的关系如下页图3所示[5-6]。

从图3中可以看出钢中的最大逃逸速度对应的温度有两个：300℃和650℃。也就是说，在这两个温度要进行保温，以保证氢以最大的速度逸出。由于在实际缓冷当中做不到恒温，所以以选择最大扩散温度区间定为240~360℃和600~720℃。在这个区间中氢以较大的逃逸速度向外散，到终了时氢含量（质量分数）应小于要求值2×10-6。

图3 钢中氢的扩散系数与温度的关系

再考虑车轮外观尺寸，车轮轮毂截面尺寸比轮辋尺寸大，当车轮在缓冷时，轮毂金属中的氢扩散和弥散需要的时间比轮辋长，同时轮毂部位金属在冷床上温降速度较轮辋慢，当轮辋冷却到转变点以下时，轮毂还处在转变点以上，轮辋组织为珠光体，轮毂为奥氏体。根据氢在钢中的扩散系数，以及在不同组织中的溶解度影响，轮辋中的氢在“上坡效应”作用下，会有一部分扩散到轮毂中。要将轮毂中的氢扩散或弥散，关键是要将轮毂温度降低，使之转变为珠光体组织，然后再浓度的扩散效应下，将轮毂部位的高浓度氢慢慢扩散降低。因此，车轮缓冷工艺规定落垛温度＞500℃，轮毂温度＜700℃，来保证轮毂温度在最大的氢扩散温度区间入炉，并盖上炉盖，使其缓冷，并在工艺规定的时间内，要求出炉温度＞200℃，保证车轮讲过最大的氢扩散温度区间。如果车轮落垛钢温低于500℃，或进入缓冷坑后，在工艺规定的时间内炉温低于200℃，专门标识、记录，成品检查时进行100%轮辋轮毂超声波探伤。所属垛任一件车轮存在白点，则该垛车轮报废处理。

在设计缓冷时间时，主要要考虑轮毂转变为珠光体后的有效时间。轮毂部位的氢扩散条件最为苛刻，缓冷时间主要考虑给轮毂足够的氢扩散时间以减小锻件的残余应力、细化晶粒、减小奥氏体的稳定性，从而使氢在整个截面上均匀分布，促使奥氏体向铁素体和碳化物的混合物迅速转变，达到降低车轮对白点敏感性的目的。

3 缓冷工艺介绍

为了既提高防白点效果，又保证生产顺行，车轮公司和技术中心进行了调研、理论研究和大量的工艺试验，结果表明，采用轧后缓冷工艺，即完全不燃烧煤气（或其他热能原料），仅仅依靠钢锭本身余热，安全、高效冷却下来的热处理工艺方法。具体的方法是：在轧后落垛后，通过天车，将整垛车轮置于炉内，密封起来，依靠其自身散热形成的气氛为保护屏障，减缓轧后钢坯内部的温度分布梯度，降低温度应力的影响，使其自然平缓地冷却，冷却时间达到工艺规定方可出炉，在此期间，不需要任何人为或保温措施。

4 生产控制要点

在车轮生产过程中，由于轧制不正常或设备出现故障，或是出现了异常事件，使落垛温度小于500℃，在工艺规定的时间长度（如10 h）内缓冷温度不足200℃，以及在缓冷坑缓冷时间不足工艺时间（如10 h）时，就要判定为低温钢。出现低温钢时，要在低温钢上，做好低温钢标识，标明低温钢、件数、标识号、垛号等，同时在记录卡上做好低温钢记录，写明低温钢产生原因，件数，垛号等，传送卡上写明已做好标识等字样，做标识转移，进行100%轮毂的探伤。

在现场的操作中，在轧制不正常时，当轮辋温度降至接近500℃时，可将不足整吊的车轮先行入炉，等后续正常再合并入炉的方法减少低温钢的发生机率。出现设备故障时，可在处理设备故障的同时，利用行车使车轮能够及时正常入炉，保证工艺的正常施行。

5 缓冷工艺的优点

1）采用缓冷工艺处理，防白点可靠性会进一步提高；该操作简单，减轻工人工作压力。

2）采用缓冷处理工艺是鉴于理论分析和试验跟踪的基础上提出来的。同时还有生产效率高及节能、降耗、减排的优点，具有技术、经济双重优势。

3）降低了车轮整体在两相区的停留时间。研究结果表明[7]：为最大程度地减少氢从铁素体到奥氏体的偏析，应避免在铁素体＋奥氏体两相区停留时间过长。由于新线冷床长度的限制，新热处理线的车轮轧后在冷床上停留时间很短，落垛后车轮整体温度很高，大多数部位相变还没开始，采用缓冷工艺可以大大缩短车轮在两相区的停留时间，从而减缓了氢的偏析。

4）增加了氢在α-Fe区的扩散时间。采用缓冷工艺，车轮在A1点以下时间长，从而也大大增加了氢在氢在α-Fe区的扩散时间。

5）采用缓冷处理时，尽管扩散能力有所减弱，但由于溶解度低，可扩散氢相对增加。