25CrMoA鋼奧氏體冷卻轉變參數的確定

宋佳，張銀鳳，劉曉軍，于善偉，丁志敏

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028; 2.中車大連機車車輛有限公司 工藝技術部，遼寧 大連 116022; 3.大連市產品質量檢測研究院，遼寧 大連 116021)

0　引言

鐵路車軸是機車中一個非常重要的構件，其質量可靠性決定了列車運行的速度和運輸的安全[1- 2].歐洲標準EN13261中規定EA4T鋼是一種力學性能優異的高速、重載鐵路車軸用鋼，已被廣泛地應用于大功率機車車軸[3- 6].隨著我國鐵路升級換代的快速發展，早期使用的40鋼、50鋼已經不能滿足鐵路對車軸鋼性能的需求，而通過對國外EA4T鋼的引進、消化、吸收并自主研發出的25CrMoA鋼已成為我國鐵路高速重載發展中的主要機車車軸用鋼之一，其成分和性能與EA4T鋼成分和性能相近，其最終熱處理工藝為淬火+高溫回火的調質處理[7].由于淬火對鋼的組織和性能有較大影響，并且歐洲標準EN13261規定，淬火處理后的EA4T鋼(25CrMoA鋼)車軸1/2半徑處的組織必須為馬氏體+貝氏體組織，因而對奧氏體冷卻過程中組織轉變參數的確定將對25CrMoA鋼生產實際中的加熱、冷卻工藝的制定具有較強的指導意義.此外，末端淬火法是目前在生產現場通過測定鋼加熱奧氏體化及末端淬火后的硬度-端淬距離關系曲線(即鋼的淬透性曲線[8])來指導熱處理生產的一種常用方法.由于組織和硬度往往不是精確地一一對應，因而，也就很難根據25CrMoA鋼的淬透性曲線來確定1/2半徑處組織為馬氏體+貝氏體組織時車軸的熱處理規范.鑒于此，本文仍將采用末端淬火法，通過結合金相分析以及傳熱學理論來確定25CrMoA車軸鋼的奧氏體冷卻轉變參數，不但為生產實際中25CrMoA鋼車軸熱處理工藝的制定提供試驗依據，而且也嘗試為奧氏體冷卻轉變特征的研究提出一種新的方法.

1　實驗材料及方法

實驗所用25CrMoA鋼化學成分如表1所示.

表1　25CrMoA車軸鋼的化學成分

在PCY型高溫臥式膨脹儀上對尺寸為Φ10 mm×50 mm的25CrMoA鋼試樣進行了熱膨脹曲線的測試.測試時，加熱速度為5℃/min.根據試驗所得的膨脹值-溫度曲線，對突變點用切線法確定出25CrMoA鋼加熱時的相變臨界點[9].

按照國家標準《GB/T225- 2006鋼淬透性末端淬火實驗方法》[10]的要求，在DZJ-I型端淬機上對25CrMoA鋼試樣進行了末端淬火實驗(簡稱端淬實驗，下同)，奧氏體化溫度為880℃.將端淬后的試樣表面沿平行軸線的方向分別磨制出深度為0.4～0.5 mm的兩個互相平行的平面.并在LC- 200R型數顯洛氏硬度計上，測試了其平面上距水冷端不同距離(簡稱端淬距離，下同)處的硬度，從而可繪制出25CrMoA鋼的硬度-端淬距離關系曲線.隨后對端淬試樣的硬度測試平面進行研磨、機械拋光并用4%硝酸酒精浸蝕，制備出金相試樣.采用OLYMPUS BX41M金相顯微鏡對25CrMoA鋼端淬試樣上不同端淬距離處的金相組織進行了觀察，同時根據金相組織上開始出現5%～10%含量的貝氏體、鐵素體和珠光體來確定各組織轉變開始時的端淬距離.由于不同的端淬距離對應不同的冷卻速度，因此，根據各組織轉變開始時的端淬距離以及傳熱學理論分析，就可以計算出各組織轉變的冷卻速度.

2　實驗結果

2.1　25CrMoA鋼加熱時臨界點的測定

圖1為25CrMoA鋼的熱膨脹曲線.由圖1的熱膨脹曲線可知，25CrMoA鋼加熱轉變臨界點Ac1和Ac3分別為758℃和841℃.

圖1　25CrMoA鋼的熱膨脹曲線

2.2　不同端淬距離處的硬度

圖2為25CrMoA鋼端淬后的硬度與端淬距離關系曲線.從圖2中可以看出，隨著端淬距離的增加，硬度先快速降低而后趨于平緩，開始趨于平緩的端淬距離約為37.2 mm.硬度之所以出現這樣的變化趨勢主要與不同端淬距離處的冷卻速度不同，進而導致所獲得顯微組織不同有關.

圖2　不同端淬距離處的硬度曲線

2.3　不同端淬距離處的組織

圖3為25CrMoA鋼端淬試樣上各組織開始出現時相對應端淬距離處的金相組織.從圖3中可以看出，在端淬距離2.9 mm以內，全部為低碳板條馬氏體組織(圖3(a)為端淬距離為1.5 mm處金相組織).而在端淬距離為2.9 mm時，除了有板條馬氏體組織之外，開始有羽毛狀貝氏體組織的出現(如圖3(b)所示).隨著端淬距離的繼續增加，馬氏體組織減少，貝氏體組織數量增多.在端淬距離為7.7 mm時，除了有馬氏體和貝氏體組織外，開始有等軸狀白色鐵素體組織的出現(如圖3(c)所示).在端淬距離為8.5 mm時，開始有團狀黑色珠光體組織的出現(如圖3(d)所示). 在端淬距離為37.2 mm時，馬氏體和貝氏體組織消失，組織為鐵素體和珠光體(如圖3(e)所示).對比圖2和圖3分析可知，在端淬距離0～37.2 mm范圍內，正是由于馬氏體含量的快速下降導致硬度下降明顯，而在端淬距離37.2 mm以后，由于組織基本上均為鐵素體和珠光體，因而硬度變化不明顯.

(a) 1.5 mm

(b) 2.9 mm

(c) 7.7 mm

(d) 8.5 mm

(e) 37.2 mm

3　討論

由2.3節結果可知，25CrMoA鋼試樣端淬后，在端淬距離分別為2.9、7.7和8.5 mm時，則先后開始有貝氏體、鐵素體和珠光體組織的出現，并在端淬距離達到或超過37.2 mm時，基本上均為鐵素體和珠光體組織.由于不同的端淬距離具有不同的冷卻速度，因而，可以根據貝氏體和鐵素體開始出現的端淬距離，得到馬氏體和貝氏體的最小臨界冷卻速度，以及根據珠光體開始出現的端淬距離，得到鐵素體和珠光體同時開始出現的最大臨界冷卻速度.但對于25CrMoA鋼馬氏體和貝氏體組織轉變、以及鐵素體和珠光體同時開始出現的臨界冷卻速度是多少，到目前為止，還未見有文獻直接采用端淬實驗來獲得的報道.為此，本文希望借助于端淬實驗的結果，通過相關傳熱學理論進行分析和計算得到25CrMoA鋼880℃加熱保溫端淬后不同組織轉變的臨界冷卻速度，以及根據相關文獻獲得25CrMoA鋼水中淬火時鋼棒1/2半徑處具有馬氏體+貝氏體的臨界冷卻直徑.

25CrMoA鋼在端淬時，符合端淬試樣連續冷卻傳熱模型中的兩個假設[11]：一是假設25CrMoA鋼試樣與空氣換熱時為薄材；二是假設25CrMoA鋼試樣與水流換熱時為半無限體.試樣端淬后端淬距離X處的溫度和冷卻速度分別可以表示為：

(1)

(2)

將從880℃分別冷卻到各種組織開始出現所需的時間以及25CrMo鋼相關的熱物性參數代入冷卻速度計算式(2)中，而最終獲得25CrMo鋼端淬試樣在各種組織開始出現的端淬距離上分別對應孕育期最短溫度處的冷卻速度，即25CrMo鋼奧氏體冷卻過程中各種組織的臨界冷卻速度.根據文獻[14]所給出的25CrMo鋼熱物性參數數據，利用插值法可以分別求得25CrMoA鋼在454、634、675、880℃時的熱物性參數數據，其數值列于表2中.為了方便計算，式(1)和式(2)中的25CrMoA鋼熱物性數據取奧氏體加熱溫度880℃分別與454、634、675℃時熱物性數據的算術平均值.這樣，最終計算出的25CrMoA鋼馬氏體的臨界冷卻速度為127℃/s(對應于端淬距離2.9 mm的位置)；貝氏體的臨界冷卻速度為44℃/s(對應于端淬距離7.7 mm的位置)；開始有鐵素體和珠光體出現的臨界冷卻速度為43℃/s(對應于端淬距離8.5 mm的位置).

表2　25CrMo鋼的熱物性參數

此外，根據25CrMoA鋼試樣端淬后、在端淬距離為7.7 mm時開始有鐵素體出現的結果，以及文獻[15]中端淬試樣不同端淬距離同鋼棒1/2半徑處的對應關系，可以獲得25CrMoA鋼880℃淬火時，其鋼棒1/2半徑處獲得馬氏體+貝氏體的臨界直徑約為48 mm.

4　結論

(1)25CrMoA鋼加熱過程中轉變的臨界溫度為Ac1=758℃，Ac3=841℃；

(2)25CrMoA鋼880℃加熱冷卻時，馬氏體和貝氏體的臨界冷卻速度分別為127和44℃/s，而當冷卻速度低于43℃/s時，開始有珠光體和鐵素體組織的出現；

(3)880℃淬火時，25CrMoA鋼鋼棒半徑1/2處獲得馬氏體+貝氏體組織的臨界冷卻直徑約48 mm.

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