热处理对U76CrRE稀土重轨钢夹杂物和微观组织的影响

李向川， 杨吉春， 白国君， 樊志明

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014000)

随着西藏首条电气化铁路——西藏拉林铁路建成通车，标志着我国复兴号实现全国31个省市区的全面覆盖，这其中铁路钢轨功不可没。未来，我们还要继续在环境更加恶劣的地区开通高速铁路，这就需要性能更加优异的钢轨。

U76CrRE稀土重轨钢是为了应对更加复杂的钢轨服役条件而研制的第二代重轨钢产品，其是在U75V钢的基础上加入Cr元素，并加入0.02%的镧铈稀土元素，使钢轨的塑韧性、耐磨性、抗拉强度等综合性能得到全面提升[1-4]。这其中不乏稀土元素对钢的改善作用，而热处理工艺同样是提升钢材性能的重要措施。轧制过程中，钢中大块带棱角的Al2O3呈线链状分布于钢基体中，严重影响金属材料的流动，甚至导致钢基体被划伤，产生裂纹[5]。长条状的MnS同样会在钢材轧制过程中产生裂纹。齐江华等[6]通过试验发现，在1180 ℃加热保温1～3 h时，大型MnS夹杂物数量明显减少，小尺寸的夹杂物数量增多，并且总数随着保温时间的延长逐渐减少，长宽比也进一步降低。当热处理温度为1000 ℃时，重轨钢中非金属夹杂物转变主要为Al2O3-CaO-SiO2→Al2O3-CaS-SiO2(-CaO)，不仅降低了MnS的长宽比，也使其尺寸、单位体积数量、形状等发生变化[7-9]。随着回火温度的升高，可以使析出的碳化物发生聚集或球化，获得回火索氏体组织，对提高钢的塑性具有积极影响[10]。

基于此，本文通过探究不同加热温度与保温时间对U76CrRE钢夹杂物和微观组织的影响，为进一步提升U76CrRE稀土钢轨的综合性能提供一些理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验样品制备

本试验采用全流程生产的U76CrRE稀土重轨钢钢坯，化学成分见表1，使用钼丝切割机沿轧制方向从钢坯中切取尺寸为12 mm×12 mm×12 mm的试样10个，一个作为原始对比样，其他9个试样分成3组，每组3个放入SiC高温炉中，以5 ℃/min的加热速率分别加热至1100、1200、1300 ℃，每个加热炉中的试样各保温1、2、3 h，取出后水淬冷却至室温。随后使用金相磨抛机去除氧化层，并抛光至光滑镜面，使用超声波清洗机清洗干净备用。另外进行微观组织观察的试样需要使用体积分数为4%硝酸酒精进行腐蚀。

表1 U76CrRE稀土重轨钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

1.2.1 夹杂物观察

夹杂物观察方法如图1所示，将观测面横向和纵向分别画上4条等距分割线，每两条线的焦点作为视场，使用FEI-QUANTA400型扫描电镜将视场放大至2000倍，对夹杂物进行观察，并使用EDAX进行成分分析。

图1 夹杂物视场选取示意图

1.2.2 微观组织观察

使用Axiovert型蔡司光学显微镜观察试样晶粒和晶界变化情况，利用截点法并结合Nano Measurer 1.2软件对晶粒尺寸进行统计分析。

1.2.3 硬度测试

使用Qness-Q10A+全自动显微硬度计在每个试样随机寻找10个点位进行硬度测试，载荷砝码为0.2 kg，配合Qpix-Control 软件对数据进行整理，得出平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 加热温度与保温时间对夹杂物的影响

2.1.1 加热温度对夹杂物的影响

通过对钢中的夹杂物进行归类，首先发现了短棒或树枝状的MnS夹杂物。未经过热处理的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌及能谱如图2所示，MnS尺寸均大于5 μm，形状为长条状或者方块状。当把试样加热到1100 ℃时，观察图3可以发现，钢中仍然存在长条状MnS，但尺寸得到明显改善，减小为3～4 μm；当加热到1200 ℃时，如图4所示，钢中长条状MnS夹杂物尺寸进一步减小，另外也出现了趋向于更加规则的圆形的MnS，尺寸在1～2 μm。

图2 未经过热处理的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图3 经1100 ℃保温1 h的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图4 经1200 ℃保温1 h的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

对比发现，通过对试样进行加热处理，可以对钢中MnS夹杂物形状与尺寸起到明显的改善作用，进一步减小大尺寸长条状MnS对重轨钢带来的危害。

另外在钢中还发现了Al2O3-CaO-SiO2-MnS-La2O3-CeO2-Cr-V-Ti的复合夹杂物，原因是在钢液中加入Cr、La、Ce后，对钢中原有的Al2O3-CaO-SiO2-MnS等夹杂物起到了变质的作用，生成了含有稀土的复合夹杂物。在使其转变为稀土氧化物、稀土硫氧化物、稀土硫化物等稀土类复合夹杂后，可以使夹杂物受力更均匀，减少材料各向异性，有利于提高钢的力学性能[11]。

未经热处理时，试验钢中的复合夹杂物如图5所示，观察其形状可知，稀土元素使钢中夹杂物的形貌有一定的改善，使其呈现比较规则的圆形，但尺寸分布不均匀，较大的复合夹杂物尺寸在7 μm左右，较小的也接近4 μm；加热到1100 ℃后，如图6所示，复合夹杂物尺寸整体有所减小，并且小尺寸复合夹杂物在钢中分布增多；加热至1200 ℃时，试验钢中多为图7所示的小尺寸形状规则的复合夹杂，因此对U76CrRE稀土重轨钢进行加热处理可以进一步促进钢中元素的固溶。

图5 未经过热处理的U76CrRE稀土重轨钢中复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图6 经1100 ℃保温1 h的U76CrRE稀土重轨钢中复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图7 经1200 ℃保温1 h的U76CrRE稀土重轨钢复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

2.1.2 保温时间对夹杂物的影响

试验钢加热至1100 ℃保温2 h时，在试验钢中发现了如图8所示的大型尖锐状Al2O3。Al2O3是钢中典型有害夹杂物之一，其在钢中更容易聚集成大颗粒夹杂物，破坏钢基体的连续性，造成钢基体组织不均匀，使钢材轧制过程中形成裂纹，对性能的危害巨大[12-13]，在实际生产过程工艺的选择中要尽量避开Al2O3的生成条件。

图8 经1100 ℃保温2 h的U76CrRE稀土重轨钢中Al2O3夹杂物形貌(a)及能谱分析(b)

继续将试样加热至1100 ℃保温3 h时，发现了如图9所示的MnS，整体尺寸大于保温1 h的MnS，可能是随着保温时间的延长，促进了MnS的长大。

图9 经1100 ℃保温3 h的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a)及能谱分析(b)

钢中的复合夹杂也随着保温时间发生变化，通过对比1100 ℃加热保温1 h(见图6)、2 h(见图10)与3 h(见图10)试验钢中的复合夹杂物可以发现，保温2 h时，复合夹杂整体变小，形状规则；保温3 h时又趋向变大，所以在1100 ℃加热时，随着保温时间的增加，钢样中的复合夹杂尺寸呈现先变小后变大的规律。

图10 经1100 ℃保温2 h(a, b)与3 h(c, d)后U76CrRE稀土重轨钢中复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

对比加热至1200 ℃保温1 h(见图4)、2 h(见图11)、3 h(见图12)的MnS夹杂物后可发现，试验钢中的长条状MnS已基本消除，形状皆为规则的圆形，整体尺寸随着保温时间的延长而逐步减小。

图11 经1200 ℃保温2 h后U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图12 经1200 ℃保温3 h的U76CrRE稀土重轨钢中MnS夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

而对比同等条件下的复合夹杂(见图13与图14)，可以发现在保温3 h(见图14)时，大颗粒椭球状的复合夹杂大幅增加，说明附近的夹杂物发生了高温聚集现象。

图13 经1200 ℃保温2 h后U76CrRE稀土重轨钢中复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

图14 经1200 ℃保温3 h后U76CrRE稀土重轨钢中复合夹杂物形貌(a, c)及能谱分析(b, d)

通过以上对比可以发现，不同加热温度与不同保温时间都会对U76CrRE稀土重轨钢中不同种类的夹杂物产生影响。不同加热温度的对比印证了热处理可以进一步优化MnS和复合夹杂物的形貌和尺寸，促进单个夹杂物向复合夹杂转变，提高稀土对MnS、Al2O3等有害夹杂物的改善作用；另外不同的保温时间同样会导致试验钢中夹杂物的变化，随着保温时间的增加，MnS进一步得到细化，复合夹杂物在1200 ℃下会逐步长大。试验钢中夹杂物的尺寸是影响其力学性能的重要参数，随着夹杂物尺寸的增大，力学性能会随之减小[14-15]，所以通过热处理要尽量保持夹杂物尺寸在较小范围内。

2.2 加热温度与保温时间对微观组织的影响

微观组织也是影响钢材力学性能的重要因素，晶粒细化效果好，钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、耐磨性等都会保持在良好的范围内[16-17]。通过在不同的淬火温度与保温时间下对钢样进行热处理，就是希望在不增大晶粒的情况下加快碳化物的溶解速度，同时使获得的组织更加细小、分布更加均匀，硬度也适中，进而提高其后续的使用性能。

通过分析热处理后的U76CrRE稀土重轨钢微观组织(见图15)、使用截点法配合Nano Measurer 1.2软件统计得到的晶粒平均尺寸(见图16、表2)和硬度数据(见图17)可以发现，晶粒大小随着加热温度的升高变大明显，硬度呈现先减后增的趋势；相同加热温度下，保温时间越久，晶粒尺寸也越大，硬度整体呈下降趋势。晶粒变化在1300 ℃时较为明显，随着加热温度升高，最大晶粒与最小晶粒尺寸相差较大。其中，在1100 ℃加热时，试验钢组织为马氏体、贝氏体和残留奥氏体，且晶界均不明显；在1200 ℃与1300 ℃加热时，试验钢中羽毛状贝氏体在保温时间超过1 h后向网状渗碳体转化明显，渗碳体硬度高、脆性大、塑韧性较差，不适合重轨钢的使用条件。在1300 ℃保温1 h时，晶界积碳严重，碳化物未得到有效溶解，硬度最大，为512 HV0.2。当在1200 ℃保温1 h时，试验钢中晶粒均匀，晶界明显，组织主要为残留奥氏体与珠光体，组织均匀，硬度为430 HV0.2，根据文献[18]和王军平等[19]的试验可知，热处理后的钢轨踏面硬度在370～420 HBW之间，约等值为390～440 HV，而在硬度范围为310～420 HBW，即330～440 HV时，随着硬度的升高，钢轨单点疲劳损伤相对较小，疲劳裂纹萌生寿命也逐渐增加，且平均磨耗发展率逐渐降低，所以此时对应重轨钢的使用性能较好。

图15 不同热处理条件下U76CrRE稀土重轨钢的微观组织

图16 不同热处理条件下U76CrRE稀土重轨钢的平均晶粒尺寸

表2 不同热处理条件下U76CrRE稀土重轨钢的最大与最小晶粒尺寸

图17 不同热处理条件下U76CrRE稀土重轨钢踏面硬度对比

3 结论

1) 热处理对U76CrRE稀土重轨钢中夹杂物的作用明显，使夹杂物形状与尺寸有明显改善。随着加热温度的升高，可以进一步优化MnS和复合夹杂物的形貌和尺寸。在1100 ℃加热时，MnS与复合夹杂尺寸随着保温时间的增加而减小，形状得到明显改善；在1200 ℃加热时，随着保温时间的增加，MnS尺寸减小，复合夹杂尺寸变大。

2) U76CrRE稀土重轨钢的晶粒随着加热温度的升高明显增大，硬度随着加热温度的升高整体呈现先减小后增大的趋势，随着保温时间的增加逐渐减小。在1100 ℃加热时，试验钢中组织皆为马氏体、贝氏体和残留奥氏体，且晶界均不明显；在1200 ℃与1300 ℃保温超过1 h后，试验钢中网状渗碳体明显；在1300 ℃保温1 h时，晶界积碳严重，碳化物未得到有效溶解。在1200 ℃保温1 h时，试验钢中晶粒均匀，晶界明显，组织主要为残留奥氏体与珠光体，组织均匀。