30MnSiCrMoNi貝氏體鋼轍叉熱處理工藝性能的研究

黃科偉

摘 要：本文主要研究了目前商用的30MnSiCrMoNi鋼貝氏體轍叉鍛后去氫工藝和最終的回火工藝。實驗表明，鍛后采用去氫處理，可減少貝氏體鋼中的含氫量，提高轍叉的沖擊韌性；采用正火溫度為930℃，回火溫度為350℃時，30MnSiCrMoNi鋼具有最佳的硬度和韌性的匹配。

關鍵詞：貝氏體鋼；轍叉；熱處理工藝

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0070-03

Study on Properties of Bainitic Steel Heat Treatment Process 30MnSiCrMoNi

Huang Kewei 1，2

（1.Hubei University of Technology，Wuhan Hubei 430068；2.Changzhou Railway Higher Vocational and Technical School，Changzhou Jiangsu 213011）

Abstract： This paper studied the 30MnSiCrMoNi bainitic steel after forging to commercial hydrogen technology and final tempering process. Experiments showed that after forging by hydrogen treatment， could reduce the hydrogen content in bainitic steel；improv impact toughness of crossing when the normalizing temperature is 930 °C， the tempering temperature is 350 degrees centigrade， 30MnSiCrMoNi steel has the best hardness and toughness.

Keywords： bainitic steel；crossing；heat treatment process

轍叉是鐵路軌道結構的重要組成部件，承受高強度的沖擊碾壓。隨著各國鐵路向高速、重載方向發展，特別是時速350km高速列車的開通，對轍叉心軌性能也相應提出了更高的要求。目前，國內主要采用高錳鋼整體鑄轍叉，但因其鑄造后不可避免地會產生疏松縮孔等缺陷，加之與鋼軌焊接性較差，導致高錳鋼整體轍叉強度較低，質量不易控制。珠光體型鋼軌，主要通過合金化和熱處理兩種方法來提高自身性能，強度可以達到1 200～1 300MPa。但在現有技術條件下，已很難再通過這兩種方法進一步提高其強度及耐磨性[1]。貝氏體鋼因其具有高強度、適當的韌度和硬度而表現出優良的抗接觸疲勞和耐磨性能，尤其是具有優異的焊接工藝性能，使其成為制作重載、高速鐵路用轍叉的理想材料之一。目前，商用轍叉貝氏體鋼主要是空冷貝氏體鋼，鍛造后未經過除氫處理，鋼中氫含量普遍較高，在一定程度上對鋼的力學性能影響較大，特別是對塑性和沖擊韌性影響最為明顯[2]。另外，據鐵道部門不完全統計，目前在軌的轍叉用貝氏體鋼由于沖擊韌度較低往往出現過早脆性斷裂及剝離掉塊等失效現象[3]。本文針對轍叉用貝氏體鋼的塑性不足及韌度低的問題，對商用30MnSiCrMoNi貝氏體鋼熱處理工藝及組織和性能進行研究。

1 鍛后熱處理工藝

1.1 試驗方案

對已鍛造的30MnSiCrMoNi貝氏體轍叉心軌取樣，試樣成份見表1。取樣的規格為230mm×200mm×80mm。鍛后熱處理方案如表2所示。保溫后，試樣進行完最終的去氫處理，然后取樣進行沖擊功、硬度和金相組織的檢測。

1.2 試驗結果及分析

表3為鍛后去氫保溫時間與30MnSiCrMoNi鋼中含氫量的關系。從表3可以看出，隨著保溫時間的延長，30MnSiCrMoNi貝氏體鋼中的含氫量減少，但減少幅度較小。

圖1為去氫保溫時間與30MnSiCrMoNi鋼的硬度和沖擊功的關系圖。從圖1可以看出，隨著保溫時間的延長，30MnSiCrMoNi鋼的硬度基本保持不變，但U型沖擊功不斷增加，V型沖擊功則是先增加然后保持不變。結合表2和圖1可知，通過鍛后去氫處理，可在一定程度上提高30MnSiCrMoNi鋼的沖擊韌性。結合表3從工效和經濟性的角度考慮，去氫的保溫時間在1 200min較為合適。

沖擊功的關系

圖2為不同去氫保溫時間對30MnSiCrMoNi貝氏鋼金相組織的影響。圖中黃白色為回火馬氏體組織，其他為貝氏體組織，由放大圖可以清晰地看到馬氏體板條。從圖2可知，去氫保溫時間對金相組織的影響不大。

2 最終熱處理工藝

2.1 試驗方案

研究表明，適當的回火可以進一步提升無碳化物貝氏體性能[4]。轍叉貝氏體鋼通常采用正火和回火進行最終熱處理。通過JMatPro模擬軟件計算可知，30MnSiCrMoNi鋼貝氏體轉變的“鼻子尖”溫度大約為350℃。因此，為了使鋼中貝氏體轉變更加充分，則需要進行回火工藝的研究。現采用930℃保溫一定時間正火后，再進行不同溫度的回火，回火溫度分別為：200、280、350、420、500℃。

2.2 試驗結果分析

圖3為回火溫度對30MnSiCrMoNi鋼的硬度和沖擊韌性的影響。可以將此圖以350℃作為重要分界線，隨著回火溫度的升高，30MnSiCrMoNi鋼的硬度不斷降低，但沖擊韌性在350℃具有最高的韌性。由此可見，當正火溫度為930℃，回火溫度為350℃時，30MnSiCrMoNi鋼具有最佳的硬度和韌性的匹配性。

3 結論

結合鍛后去氫工藝和最終熱處理工藝研究可以得出以下結論：

①鍛后采用去氫處理，可減少30MnSiCrMoNi鋼中的含氫量，這在一定程度上可以提高30MnSiCrMoNi的沖擊韌性，同時對鋼的金相組織影響不大，經最終處理后，30MnSiCrMoNi 鋼依然以貝氏體組織為主，存在少量的馬氏體。

②從工效和經濟性的角度考慮，去氫保溫時間控制在1 200min左右較為合適。

③正火溫度為930℃，回火溫度為350℃時，30MnSiCrMoNi鋼具有最佳的硬度和韌性的匹配。

參考文獻：

[1]陳朝陽.道岔用空冷貝氏體軌鋼的研究[D].北京：鐵道部科學研究院，2001.

[2]鄭春雷，張福成，呂博，等.轍叉用貝氏體鋼的氫脆特性及去氫退火工藝[J].材料熱處理學報，2008（2）：71-75.

[3]Kramer J. Turnout- frog technotogy， buitding on gains in design，materials and execution[J] .R T & S，1998（5）：19-21.

[4]陳曉男，欒道成，劉志鵬，等.回火工藝對貝氏體轍叉心軌鋼組織性能影響研究[J].特鋼技術，2009（3）：22-25.