保温时间对U75V重轨钢中夹杂物的影响

樊志明，杨吉春，张 滢，李向川，朱 君

（1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014000；2.包头天和磁材科技股份有限公司，内蒙古 包头 014000）

近年来，铁路运输密度增大、行车速度提高、运载量增加，对重轨钢的质量提出了更高的要求。重轨钢，即铁路承受重载轨道用钢，为铁路主要承重构件，不仅要有高强度、高韧性以及良好的耐磨性，还要有足够的硬度，一定的抗疲劳、抗压溃、抗脆断性能[1]。高质量、高洁净度的重轨钢是未来研究的重点，钢中非金属夹杂物是引起重轨钢质量不达标的主要原因，重轨钢中夹杂物主要有MnS、Al2O3以及硅酸盐类，其中MnS夹杂物最多，占65%左右，MnS为塑性非金属夹杂物，在钢液凝固过程中，大尺寸的MnS夹杂物易集聚在晶界处，成为应力源，加剧晶界滑移，促进疲劳裂纹的形成[2]，在轧制过程中，MnS夹杂物受力后易沿轧制方向变形为长条状，从而降低了钢材的横向性能[3]。Al2O3为非金属脆性夹杂物，在范德华力作用下会聚集成团簇性大尺寸夹杂物[4]，形状多为有棱角的不规则体，在受到外力作用时，易对钢基体造成损伤，是引起钢轨疲劳裂纹的主要原因[5-6]。

目前对钢中夹杂物的控制方法有很多，如Ca、Mg处理、钢液中添加稀土元素等均能对夹杂物的形状、大小、类型、分布起到一定作用，但由于Ca、Mg以及稀土元素的加入量还未定量化，钢中Ca加入量控制不当时，会生成CaS、CaO等高熔点夹杂物[7]，稀土元素的加入量、加入方法主要依靠经验，还需进一步研究。目前，采用热处理工艺来控制钢中夹杂物从而提升力学性能在实际生产中广泛应用。研究表明[8-11]，对钢进行加热保温处理后，夹杂物的形状由长条状变为球形或纺锤形，数量减少，尺寸变小，夹杂物成分发生转变。张学伟等[12]对钢轨和钢坯加热保温处理后发现，钢轨内大尺寸长条状MnS夹杂物分裂成小尺寸短粗状。加热温度对MnS夹杂物形态及尺寸影响显著，加热至1300℃保温后MnS夹杂物会发生熟化长大行为[13]。张月鑫等[14]在实验室条件下将重轨钢从1000℃升温至1300℃后发现，钢中夹杂物由CaOSiO2-Al2O3-MgO转变为CaS-MgO·Al2O3，CaS、Al2O3含量增加，CaO、SiO2含量减少。

高速重轨钢对氧硫含量、夹杂物形态要求严格，相比于Ca、Mg处理、稀土处理控制夹杂物的方法，热处理在控制重轨钢夹杂物方面更具优势。基于此，本文研究了在1100℃下，不同保温时间对U75V重轨钢中夹杂物的影响规律，为生产高质量、高洁净度重轨钢提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验钢的冶炼与轧制

试验选用钢种为U75V重轨钢，在实验室条件下使用10 kg的ZG-0.05型真空感应炉冶炼而成，其主要化学成分见表1，将铸锭的中间部分（切头去尾后得到，无气孔、致密性良好）在箱式电阻炉中随炉升温至1250℃，保温3 h后进行轧制，轧制变形量为37.5%，轧制厚度为30 mm，冷却方式为空冷。

表1 试验钢的主要化学成分（质量分数，%）Table 1 Main chemical composition of the tested steel（mass fraction，%）

1.2 试样制备

使用DK-77型电火花线切割机沿轧制方向切取12 mm×12 mm×12 mm的正方体试样4个，一个为空白对照试样，其余3个为热处理试样，在试样的观察面（沿轧制方向）做好标记，防止热处理后氧化层过厚难以分辨。将热处理试样放入SX13/BLL12型箱式电阻炉中，随炉升温至1100℃，升温速率为5℃/min，分别保温30、60、90 min后，取出在20℃水中迅速冷却，以保留试样原有的组织及夹杂物形态。

将试样在60～1200目金相砂纸上逐级打磨，以去除表面氧化层，随后在金相抛光机上对试样进行抛光处理，直至抛出镜面为止，在超声波清洗机中将试样清洗干净后备用。

1.3 夹杂物分析方法

使用FEI-QUANTA400扫描电镜对试验钢夹杂物进行拍摄，并使用能谱仪对夹杂物进行成分分析，为分析不同保温时间对夹杂物类型、数量、圆形度的影响，利用扫描电镜中的坐标系，用点阵法在2000倍视场下，拍摄25张照片，如图1所示，以确保试验的准确性。对典型夹杂物进行能谱分析，使用Image-J软件对夹杂物圆形度进行计算。

图1 取样及夹杂物视场点位示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling and visual field of inclusions

2 试验结果与讨论

2.1 未热处理试样中夹杂物分析

通过对未热处理试样中夹杂物进行分析后发现，夹杂物主要有3种类型，分别为MnS、Al2O3及MnSAl2O3夹杂物，典型夹杂物形貌及能谱分析如图2（a～c）所示，MnS夹杂物以大尺寸长条形为主，也有少量呈链条状、纺锤形零散分布，平均长度为5.97μm，平均圆形度为3.38，链条状夹杂物是在轧制过程中长条状夹杂物断裂后形成的[15]，破坏了钢基体的连续性，降低了钢的横向性能；Al2O3夹杂物平均圆形度为1.91，平均尺寸较MnS夹杂物小，为4.75μm，但其形状多为尖锐的不规则体，Al2O3为非金属脆性夹杂物，尖角处易对钢基体造成损伤；MnS-Al2O3夹杂物较为常见，圆形度介于MnS和Al2O3之间，为2.92。

图2 未热处理试样中典型夹杂物形貌及能谱Fig.2 Morphologies and energy spectra of typical inclusions in the unheated specimen

2.2 保温时间对夹杂物的影响

2.2.1 保温时间对MnS夹杂物的影响

MnS可以降低H在钢中的扩散速度，从而减少氢致白点对钢的伤害，但MnS夹杂物颗粒在轧制过程中易被拉成长条状，影响钢的力学性能[16]，随着保温时间的延长，观察到MnS夹杂物有分裂趋势，如图3所示，在长条状夹杂物的长度方向上，由于各处粗细不同，当保温一定时间后，长条状夹杂物会在较细处断裂，导致一个长条状夹杂物分成两个或多个小夹杂物，圆形度变小，对25个视场全部分析后发现，在保温90 min时，试样中具有分裂趋势的MnS夹杂物几乎消失，长条状夹杂物减少，圆形度低的MnS夹杂物增加，说明在1100℃下保温90 min有利于长条状MnS夹杂物的分裂。另外，在均热过程中，纺锤状、圆形的MnS夹杂物增多，平均圆形度为1.86，与未经热处理的试样相比，圆形度降低了1.52，说明保温时间的延长可以降低MnS夹杂物的圆形度。绝大多数大尺寸MnS夹杂物会存在于晶界处，造成晶界脆化，通过均热处理后，夹杂物尺寸变小，能够阻止晶粒长大，从而提高钢的韧性[17]。

图3 1100℃加热不同时间后试样中MnS夹杂物形貌及能谱Fig.3 Morphologies and energy spectra of MnSinclusions in the specimens heated at 1100℃for different time

2.2.2 保温时间对Al2O3夹杂物的影响

Al2O3是一种非金属脆性夹杂物，其尖锐的棱角对钢基体损伤很大[4]，为避免该夹杂物的生成，在工业生产中，常采用无铝脱氧工艺[18]，与铝脱氧工艺相比，无铝脱氧工艺从根源处阻断了Al2O3夹杂物的生成，但是，由于合金原料中含有铝，因此，Al2O3夹杂物依然存在。试验钢在1100℃下保温30、60 min时，纯Al2O3夹杂物形态、大小变化不大，但数量减少；保温90 min时，部分Al2O3夹杂物尖锐棱角发生钝化，如图4所示，圆形度略微减小。随着保温时间的延长，出现了被MnS包裹着Al2O3的复合夹杂物，如图5所示，由元素面扫描分析结果可知，最外层的MnS夹杂物几乎将Al2O3完全包裹，由于MnS是非金属塑性夹杂物，在受力时，其作为缓冲层可以减小尖锐Al2O3夹杂物对钢基体的损伤。

图4 1100℃加热90 min后试样中Al2O3夹杂物形貌及能谱Fig.4 Morphology and energy spectrum of Al2O3 inclusion in the specimen heated at 1100℃for 90 min

图5 1100℃加热90 min后试样中典型复合夹杂物形貌Fig.5 Morphology and EDSanalysis of typical composite inclusions in the specimen heated at 1100℃for 90 min

2.2.3 保温时间对MnS-Al2O3夹杂物的影响

试样经1100℃均热处理后，复合型夹杂物增多，主要为MnS-Al2O3夹杂物，随着保温时间的延长，MnS-Al2O3夹杂物中MnS和Al2O3分布发生改变，平均圆形度降低，为2.52，典型MnS-Al2O3夹杂物如图6所示。保温30 min时，含Al2O3的MnS夹杂物将含MnS的Al2O3夹杂物半包裹，如图6（a）所示，此时夹杂物中Al2O3和MnS成分掺杂；保温60 min时，外层几乎为MnS夹杂物，Al2O3含量较低，如图6（b）所示，与保温30 min时内部夹杂物相比，在成分上差别不大，但内部MnS-Al2O3夹杂物几乎被全部包裹，说明随着保温时间的延长，夹杂物外层的Al2O3会有相对向内部运动的趋势；保温90 min时，试样中被MnS包裹着的Al2O3型夹杂物增多，夹杂物内部Al2O3富集，外层包裹层中Al2O3含量极低，可以认为外层夹杂物有与MnS夹杂物同样的塑性，减小了Al2O3及MnS-Al2O3夹杂物对钢基体的损伤。赵洋等[19]通过热力学计算得出，Al2O3夹杂物在炼钢温度下析出，MnS夹杂物在钢液凝固过程中析出，为钢中MnS包裹Al2O3复合型夹杂物的形成提供了理论依据，在保温时间持续延长时，MnS以Al2O3为异质形核核心，逐渐将Al2O3包裹，提高了钢的力学性能。

图6 1100℃加热保温不同时间后试样中典型复合夹杂物的形貌及能谱Fig.6 Morphologies and energy spectra of typical composite inclusions in the specimens heated at 1100℃for different time

3 结论

1）未经热处理的试验钢中，夹杂物类型主要有3种，分别为MnS、Al2O3及MnS-Al2O3夹杂物。

2）在1100℃下，随着保温时间的延长，长条状MnS夹杂物有分裂趋势，在保温90 min时，MnS夹杂物平均圆形度为1.86，与未经热处理的试样相比，圆形度降低了1.52。

3）在1100℃下保温30、60 min时，纯Al2O3夹杂物形态、大小变化不大，但数量减少，保温90 min时，部分Al2O3夹杂物尖锐棱角发生钝化，圆形度略微减小。

4）试样经1100℃均热处理后，复合夹杂物增多，随着保温时间的延长，MnS-Al2O3夹杂物中MnS和Al2O3成分分布发生变化，外层的Al2O3有向内部运动的趋势，保温90 min时，夹杂物内部Al2O3富集，外包裹层中Al2O3含量极低。