兩種低碳鉻鉬鋼的等溫淬火組織和性能

李亞寧，梁晨，覃作祥，陸興

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車軸和車鉤在運行中承受拉、壓、沖擊、彎曲等多種應力的綜合作用，工況復雜且使用條件非常惡劣.隨著列車的運行速度、牽引總重不斷提高，車軸和車鉤受到的隨機交變的各種應力的作用越來越大，使用工況條件進一步惡化，疲勞斷裂問題已成為車軸和車鉤失效的主要形式［1-8］.目前，我國貨車車軸主要為50鋼，但大功率機車車軸則采用低碳鉻鉬鋼——25CrMo4(EA4T)［9］.車鉤材料主要采用25MnCrNiMo鑄鋼并經調質處理.這些材料都屬于低碳鉻鉬鋼，鉻、鉬對提高鋼的淬透性從而提高車軸和車鉤的性能起到十分關鍵的作用.但由于車軸和車鉤的尺寸較大，在調質過程中很難整體淬透，內部極容易形成貝氏體，端淬曲線測定也表明，ZG25MnCrNiMo鋼淬透性不足，貝氏體形成能力較強，25CrMo4鋼也有很強的貝氏體形成能力［10］，對車軸和車鉤的實物解剖也發現其內部出現大量的貝氏體組織，因此貝氏體組織對車軸和車鉤的性能和壽命有重要的影響.為了了解貝氏體對鋼組織和性能的影響，本文采用等溫淬火工藝，研究 25CrMo4和ZG25MnCrNiMo兩種鋼在不同溫度下等溫形成貝氏體的過程及其對鋼的組織和性能的影響規律，為低碳鉻鉬鋼車軸和車鉤的生產和使用提供一些有重要參考價值的實驗數據.

1 實驗材料與方法

實驗用鋼的化學成分如附表所示.等溫淬火工藝為:奧氏體化溫度為910℃，然后淬入熔化的硝鹽鹽浴爐中保溫，ZG25MnCrNiMo鋼的等溫溫度分別為350、400、450和480℃;25CrMo4鋼的等溫溫度分別為300、370、400和450℃，所有試樣在鹽浴爐中保溫時間均為1 h.

附表 ZG25MnCrNiMo鋼和25CrMo4鋼的化學成分

鋼經等溫淬火處理后按照GB/T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法(V型缺口)》的規定加工沖擊試樣并進行沖擊試驗，試驗溫度為室溫(25CrMo4鋼)和-40℃(ZG25MnCrNiMo鋼)，在JXB-300型擺錘式試驗機上進行.拉伸試驗根據GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，在WDW3200電子萬能試驗機上進行.金相試樣經機械磨制、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在VHX-1000超景深顯微鏡上觀察.沖擊試樣斷口形貌在JSM-6360LV型掃描電鏡上觀察.

2 實驗結果與討論

2.1 顯微組織分析

圖1為 ZG25MnCrNiMo鋼在350、400、450和480℃下等溫1 h后的顯微組織.從圖中可以看出，得到鐵素體和碳化物組成的兩相混合組織.350℃等溫時，得到均勻的下貝氏體組織，鐵素體比較細小，碳化物分布在鐵素體片中間;溫度升高，組織變得粗大;450℃等溫時，鐵素體晶粒開始長大，組織比較均勻，形成粒狀貝氏體組織;到480℃等溫，粒狀貝氏體組織中的鐵素體晶粒最大，且形狀較規則，滲碳體主要分布在鐵素體內部，并開始在一定區域聚集.

圖1 25MnCrNiMo鋼等溫淬火組織

圖2為25CrMo4鋼在300、370、400和450℃下等溫轉變后的顯微組織.在300℃等溫淬火得到的組織為下貝氏體+馬氏體組織;等溫溫度升高得到的貝氏體組織數量不斷增多;在410℃等溫時幾乎全部為貝氏體組織;450℃等溫淬火后形成粒狀貝氏體組織，此時的貝氏體鐵素體和碳化物顆粒比低溫等溫時粗大.

組織的變化是由于當等溫淬火工藝采用的溫度較低時，具有很大的相變驅動力，在過冷奧氏體中的貧碳區，貝氏體將沿著慣習面進行切變并且大量形核.但是在溫度較低的條件下碳的擴散能力有限，在奧氏體中難以長距離擴散.因此，當等溫淬火的溫度較低時貝氏體能夠進行較為充分的轉變，形成細小的組織［11］.

圖2 25CrMo4鋼等溫淬火組織

2.2 力學性能分析

圖3所示為ZG25MnCrNiMo鋼經不同溫度等溫淬火后，其力學性能的變化.可以看出，在350℃等溫時鋼的抗拉強度和沖擊功都達到最大值，結合圖1(a)中ZG25MnCrNiMo鋼的顯微組織可知，這是因為等溫溫度較低時形成了均勻細小的下貝氏體組織，碳化物分布于鐵素體內部，表現出高的強度和韌性.等溫溫度升高，貝氏體晶粒變大，碳化物顆粒變大，碳化物的數量相應減少，固溶碳量低，故抗拉強度和沖擊功變低［12］.

圖3 不同等溫淬火溫度對ZG25MnCrNiMo鋼力學性能的影響

圖4所示為25CrMo4鋼經不同溫度等溫處理后，其力學性能的變化.從圖中可以看出，實驗用鋼在300℃等溫時抗拉強度和沖擊功都達到最大值，分別為1 177 MPa和30 J，具有最佳的強韌性配合.原因是在300℃等溫時組織中少量細小的板條馬氏體對貝氏體轉變起到了分割作用，減小了材料的局部塑形變形傾向，增強了均勻變形能力，使其表現出較高的強韌性［13］.等溫溫度升高，貝氏體組織增多且變大，使材料性能下降.

圖4 不同等溫淬火溫度對25CrMo4鋼力學性能的影響

2.3 沖擊斷口分析

圖5 ZG25MnCrNiMo鋼在不同溫度等溫后－40℃沖擊斷口形貌

圖5為ZG25MnCrNiMo鋼在不同溫度下等溫相同溫度回火后的沖擊斷口形貌.在400℃等溫時，斷口中顯示出解理小平面，還能觀察到明顯的撕裂棱存在，沖擊功不高，僅為33 J.見圖5(a);升高溫度等溫，斷口都為準解理形貌，無韌窩形成，沖擊功僅為20 J左右.見圖5(b)、(c).

25CrMo4鋼等溫處理后，-40℃低溫沖擊斷口形貌如圖6所示.300、370℃等溫淬火后的斷口形貌主要由大小不一的韌窩組成，宏觀表現為韌性斷裂.但在370℃時形成的韌窩較平，說明試樣在斷裂前的塑性變形較小，因此沖擊功較300℃等溫處理后的低.410℃與450℃等溫后的沖擊斷口都為明顯解理特征，宏觀表現為脆性斷裂，沖擊功較低.

圖6 25CrMo4鋼不同溫度等溫后－40℃沖擊斷口形貌

由此看來，兩種低碳鉻鉬鋼都是在較低等溫溫度時得到最高強韌性配合，形成下貝氏體組織.ZG25MnCrNiMo鋼等溫轉變后整體性能較差，抗拉強度值在800～920 MPa之間;沖擊功除350℃很高外，其余都在 10～40 J之間，不能滿足ZG25MnCrNiMo鋼車鉤的性能要求.25CrMo4鍛鋼等溫轉變后強度較高，抗拉強度在最高為1 177 MPa，最低也達975 MPa.而沖擊功很低，最高也僅為30 J.

3 結論

本文主要研究了兩種低碳鉻鉬鋼(ZG25MnCrNiMo鋼和25CrMo4鋼)經等溫淬火工藝后的組織性能，得出以下結論:

(1)ZG25MnCrNiMo和25CrMo4鋼在較低的溫度下等溫得到最優強韌性配合，此時形成下貝氏體組織.隨著等溫溫度升高，鐵素體基體和碳化物變得粗大，強度和韌性顯著降低，微觀組織產物為粒狀貝氏體組織;

(2)ZG25MnCrNiMo鋼等溫淬火形成貝氏體后整體性能較差，抗拉強度和沖擊功都不能滿足車鉤的性能要求;25CrMo4鋼等溫淬火形成貝氏體后強度較高而韌性較低.

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