鋼軌焊接介質的鍛造工藝優化

中鐵山橋集團有限公司 （河北秦皇島 066200） 曹開林 曹桂林

道岔制造中需要將高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌進行焊接，眾所周知，高錳鋼和高碳鋼焊接性能極差，如果將兩者直接焊接將存在較大困難，為此我公司開發了一種中間介質并采用閃光對焊將兩種材質不同的鋼軌進行焊接，該焊接介質必須滿足一定的綜合力學性能以保證焊接質量和焊后機械強度。但在前期介質試生產過程中，介質的綜合力學性能較難滿足要求，主要表現為沖擊韌度較高而抗拉強度偏低。沖擊韌度和抗拉強度是鋼軌焊接介質兩個最為主要的力學性能參數，關乎車輛行車安全，所以解決這一問題顯得尤為迫切和重要。

1.焊接介質質量問題分析

我公司開發的焊接介質為奧氏體不銹鋼，Cr、Ni、Mn含量較高。奧氏體不銹鋼在熱處理過程中不發生相變，因此不能通過熱處理手段改善其內部組織結構。該奧氏體鋼屬于中高合金鋼，鍛造性能不如碳鋼，鍛造溫度范圍窄，始鍛、終鍛溫度僅相差150℃，且高溫強度比碳鋼高得多，盡管如此增大變形量是提高該鋼種力學性能的有效措施之一。另外，該奧氏體鋼導熱性較低，在加熱和冷卻過程中溫變緩慢，特別在緩冷過程中容易析出碳化物和含鉻化合物，另外還可能造成晶粒粗大，所以控制冷卻速度也是改善力學性能的一個重要方面。

在前期焊接介質試驗階段，經常出現沖擊韌度較高而抗拉強度偏低，或抗拉強度偏高而沖擊韌度偏低。以下是不合格的兩組數據（見表1）。第一組數據表現為抗拉強度達標而室溫沖擊韌度偏低；第2組數據表現為抗拉強度較低而沖擊韌度較高。

對上述出現的問題，進一步進行了微觀組織觀察。對原材和鍛造后產品分別取樣在100倍金相顯微鏡觀測分析。圖1為原材料微觀組織，可以看出，金相組織為單相奧氏體組織，晶粒度7級，由此可以認為原材料質量合格，晶界較為干凈，無其他雜質。圖2為第2組不合格焊接介質微觀組織，圖中晶粒粗大，晶粒度為超1級。

表1 不合格焊接介質力學性能

圖1 原材料金相 100×

圖2 鍛后成品金相 100×

由原材料和鍛后組織分析顯示，問題存在于鍛造過程中某一工序環節中。可能原因是：鍛造過程溫度過高，使得晶粒急劇長大；鍛造過程中工件塑性變形不均勻，使得局部變形不充分，晶粒沒有破碎；冷卻過程緩慢也可能使得晶粒長大并出現二次再結晶。

2.試驗方法

該介質原鍛造工序為：下料→裝爐加熱→一火自由鍛制坯（始鍛溫度1150℃，終鍛溫度1000℃）→二火胎模鍛工件成形→空冷→機加工→水韌處理→擴氫處理→打磨。

為分析晶粒長大環節，作了如下試驗：按照上述生產工藝，鍛造一批介質，在主要工序分別留樣檢查，留樣狀態為：一火制坯后、二火鍛后、水韌后。金相分析顯示：一火制坯后（見圖3）留樣介質晶粒基本上沒有長大，介質晶粒度為5～6級；而二火鍛后介質（見圖4）晶粒明顯長大，平均晶粒度為4級；形貌為在粗晶粒的晶界上分布著較細晶粒；水韌后晶粒大小不均現象減輕，平均晶粒度為4級（見圖5）。由以上圖3～圖5可以看出，晶粒長大出現在二火加熱以后。而水韌處理幾乎不改變其晶粒大小，其目的為使可能還未溶入奧氏體的碳化物完全溶入其中，得到單一的奧氏體組織，當然，這一單一組織是焊接介質所必需的。

圖3 一火制坯金相 ×100

圖4 二火鍛后金相 ×100

圖5 水韌后金相 ×100

為進一步驗證晶粒度對力學性能的影響，對試驗成品介質抽樣進行力學性能試驗，在軌頭中心線部位取樣，試驗結果如表2所示，從表中看出，按照原鍛造和熱處理工藝，主要指標抗拉強度偏低而室溫沖擊韌度較高，與表1表現出了相同的規律。

表2 按原工藝制造-焊接介質力學性能

3.影響鍛件質量的因素

（1）鍛造溫度影響 針對二火晶粒長大問題，對鍛造工藝進行調整，一火制坯時，增加一次鍛拔次數，通過增加鍛造比增大塑性變形量細化晶粒，還起到控制終鍛溫度的目的；二火加熱時，加熱溫度降低為1100℃，以控制工件始鍛溫度；裝爐數量降低為10件，爐中高溫區鍛件不能超過3件，以避免工件在高溫區加熱時間過長造成晶粒粗大。

工藝調整后進行試生產，主要觀察介質水韌前后晶粒的變化，金相顯示，二火鍛造成形后（見圖6），晶粒度得到改善，在粗大晶粒周圍有較多細小晶粒，平均晶粒度為4級。水韌后，晶粒度不均勻性減輕（見圖7）。檢測力學性能如表3所示，綜合力學性能得到改善，雖然抗拉強度未達標準，但其抗拉強度、沖擊韌度和伸長率等關鍵指標偏離程度減輕，均向規定要求值接近，不再如表1、表2所示。

表3 控制鍛造溫度-焊接介質力學性能

圖6 二火鍛后金相 100×

圖7 水韌后金相 100×

由此可見，降低鍛造始鍛、終鍛溫度對改造鍛造性能有利，但同時也注意到，當終鍛溫度降低到920℃以下時，變形抗力較大，工件還未達到變形程度時，工件較薄部位軌腰已經發黑，如果在此溫度下鍛造，可能造成工件開裂。

（2）冷卻速度影響 按照常規鍛件鍛后熱處理工藝，鍛件鍛后一般采用緩慢冷卻，本文原工藝采用空氣自然冷卻，但對于奧氏體不銹鋼，考慮到為單相奧氏體，在熱處理過程中，幾乎沒有組織應力，僅存在溫度應力，可采用風冷、水冷等快速冷卻方式，但采用鍛后立即水冷還是極為少見，僅大型發電機組護環鍛后熱處理采用了鍛后快速水冷。本文晶粒長大環節出現在二火鍛前，因此，有可能為二火鍛后緩慢冷卻過程中晶粒長大。本文試驗采用二火鍛后直接水冷，金相觀測顯示（見圖8），晶粒沒有急劇長大，晶粒度平均為4級。水韌處理后晶粒幾乎沒有變化度，仍為4級（見圖9）。從水韌處理后介質上進行取樣，檢測力學性能如表4所示。各項指標均大幅超過規定要求。由此可得，采用鍛后立即水冷能縮短工件在高溫區停留時間，抑制了晶粒的快速長大，對改善力學性能極為有利。

表4 水韌處理-焊接介質力學性能

圖8 水冷金相 100×

圖9 水韌處理金相 100×

（3）其他影響因素的討論 分析原鍛造熱處理工藝，其中有一工序為擴氫處理，即工件在500～600℃保溫10h以達到工件中氫擴散排除的目的，避免在工件上形成白點等容易造成工件開裂缺陷，分析認為白點應在有相變和氫達到一定濃度下形成，而奧氏體不銹鋼不存在相變，且該原材料經過較為嚴格冶煉環節，所以白點產生可能性極小，資料表明，某些奧氏體鋼在中溫下長期保溫會促使晶粒長大。另外，擴氫工藝耗能大，也增加了制造成本。所以，去除這一工序環節具有其合理性，本文調整后制造工藝沒有進行擴氫處理同樣獲得了良好的力學性能。

在上述金相分析中，晶粒大小存在不均勻變形，鍛造工序采用兩火加熱，一火制坯，二火成形，最終工件如圖10所示。針對我公司此焊接介質形狀，存在著一火制坯變形大，二火成形變形量小的問題。這樣不僅增加一次高溫加熱，還造成工件變形不均勻。生產實例表明，多次加熱、不均勻變形使晶粒大小不均，產生粗晶。由于模具改進的不成熟，本文沒有給予驗證，但通過模具改進，實現一火成形是完全有可能的。

圖10

4.結語

通過上述試驗，獲得了較為合理的工藝參數，鍛件綜合力學性能得到大幅的提高，工藝優化總結如下：

（1）控制始鍛、終鍛溫度，特別是二火加熱溫度不得超過1100℃，終鍛溫度不低于920℃。

（2）盡量縮短高溫停留時間，爐中加熱時達到鍛造溫度，應及時出爐鍛造，避免長時加熱，尤其是二火鍛造后應立即進行水冷。

（3）去掉擴氫工序。

（4）可考慮改進模具，減少成形火次，做到一火成形。