熱處理對U76CrRE稀土重軌鋼夾雜物和微觀組織的影響

李向川， 楊吉春， 白國君， 樊志明

(內(nèi)蒙古科技大學 材料與冶金學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

隨著西藏首條電氣化鐵路——西藏拉林鐵路建成通車，標志著我國復興號實現(xiàn)全國31個省市區(qū)的全面覆蓋，這其中鐵路鋼軌功不可沒。未來，我們還要繼續(xù)在環(huán)境更加惡劣的地區(qū)開通高速鐵路，這就需要性能更加優(yōu)異的鋼軌。

U76CrRE稀土重軌鋼是為了應對更加復雜的鋼軌服役條件而研制的第二代重軌鋼產(chǎn)品，其是在U75V鋼的基礎上加入Cr元素，并加入0.02%的鑭鈰稀土元素，使鋼軌的塑韌性、耐磨性、抗拉強度等綜合性能得到全面提升[1-4]。這其中不乏稀土元素對鋼的改善作用，而熱處理工藝同樣是提升鋼材性能的重要措施。軋制過程中，鋼中大塊帶棱角的Al2O3呈線鏈狀分布于鋼基體中，嚴重影響金屬材料的流動，甚至導致鋼基體被劃傷，產(chǎn)生裂紋[5]。長條狀的MnS同樣會在鋼材軋制過程中產(chǎn)生裂紋。齊江華等[6]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在1180 ℃加熱保溫1～3 h時，大型MnS夾雜物數(shù)量明顯減少，小尺寸的夾雜物數(shù)量增多，并且總數(shù)隨著保溫時間的延長逐漸減少，長寬比也進一步降低。當熱處理溫度為1000 ℃時，重軌鋼中非金屬夾雜物轉(zhuǎn)變主要為Al2O3-CaO-SiO2→Al2O3-CaS-SiO2(-CaO)，不僅降低了MnS的長寬比，也使其尺寸、單位體積數(shù)量、形狀等發(fā)生變化[7-9]。隨著回火溫度的升高，可以使析出的碳化物發(fā)生聚集或球化，獲得回火索氏體組織，對提高鋼的塑性具有積極影響[10]。

基于此，本文通過探究不同加熱溫度與保溫時間對U76CrRE鋼夾雜物和微觀組織的影響，為進一步提升U76CrRE稀土鋼軌的綜合性能提供一些理論參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗樣品制備

本試驗采用全流程生產(chǎn)的U76CrRE稀土重軌鋼鋼坯，化學成分見表1，使用鉬絲切割機沿軋制方向從鋼坯中切取尺寸為12 mm×12 mm×12 mm的試樣10個，一個作為原始對比樣，其他9個試樣分成3組，每組3個放入SiC高溫爐中，以5 ℃/min的加熱速率分別加熱至1100、1200、1300 ℃，每個加熱爐中的試樣各保溫1、2、3 h，取出后水淬冷卻至室溫。隨后使用金相磨拋機去除氧化層，并拋光至光滑鏡面，使用超聲波清洗機清洗干凈備用。另外進行微觀組織觀察的試樣需要使用體積分數(shù)為4%硝酸酒精進行腐蝕。

表1 U76CrRE稀土重軌鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方法

1.2.1 夾雜物觀察

夾雜物觀察方法如圖1所示，將觀測面橫向和縱向分別畫上4條等距分割線，每兩條線的焦點作為視場，使用FEI-QUANTA400型掃描電鏡將視場放大至2000倍，對夾雜物進行觀察，并使用EDAX進行成分分析。

圖1 夾雜物視場選取示意圖

1.2.2 微觀組織觀察

使用Axiovert型蔡司光學顯微鏡觀察試樣晶粒和晶界變化情況，利用截點法并結(jié)合Nano Measurer 1.2軟件對晶粒尺寸進行統(tǒng)計分析。

1.2.3 硬度測試

使用Qness-Q10A+全自動顯微硬度計在每個試樣隨機尋找10個點位進行硬度測試，載荷砝碼為0.2 kg，配合Qpix-Control 軟件對數(shù)據(jù)進行整理，得出平均值。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 加熱溫度與保溫時間對夾雜物的影響

2.1.1 加熱溫度對夾雜物的影響

通過對鋼中的夾雜物進行歸類，首先發(fā)現(xiàn)了短棒或樹枝狀的MnS夾雜物。未經(jīng)過熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌及能譜如圖2所示，MnS尺寸均大于5 μm，形狀為長條狀或者方塊狀。當把試樣加熱到1100 ℃時，觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，鋼中仍然存在長條狀MnS，但尺寸得到明顯改善，減小為3～4 μm；當加熱到1200 ℃時，如圖4所示，鋼中長條狀MnS夾雜物尺寸進一步減小，另外也出現(xiàn)了趨向于更加規(guī)則的圓形的MnS，尺寸在1～2 μm。

圖2 未經(jīng)過熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖3 經(jīng)1100 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖4 經(jīng)1200 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

對比發(fā)現(xiàn)，通過對試樣進行加熱處理，可以對鋼中MnS夾雜物形狀與尺寸起到明顯的改善作用，進一步減小大尺寸長條狀MnS對重軌鋼帶來的危害。

另外在鋼中還發(fā)現(xiàn)了Al2O3-CaO-SiO2-MnS-La2O3-CeO2-Cr-V-Ti的復合夾雜物，原因是在鋼液中加入Cr、La、Ce后，對鋼中原有的Al2O3-CaO-SiO2-MnS等夾雜物起到了變質(zhì)的作用，生成了含有稀土的復合夾雜物。在使其轉(zhuǎn)變?yōu)橄⊥裂趸铩⑾⊥亮蜓趸铩⑾⊥亮蚧锏认⊥令悘秃蠆A雜后，可以使夾雜物受力更均勻，減少材料各向異性，有利于提高鋼的力學性能[11]。

未經(jīng)熱處理時，試驗鋼中的復合夾雜物如圖5所示，觀察其形狀可知，稀土元素使鋼中夾雜物的形貌有一定的改善，使其呈現(xiàn)比較規(guī)則的圓形，但尺寸分布不均勻，較大的復合夾雜物尺寸在7 μm左右，較小的也接近4 μm；加熱到1100 ℃后，如圖6所示，復合夾雜物尺寸整體有所減小，并且小尺寸復合夾雜物在鋼中分布增多；加熱至1200 ℃時，試驗鋼中多為圖7所示的小尺寸形狀規(guī)則的復合夾雜，因此對U76CrRE稀土重軌鋼進行加熱處理可以進一步促進鋼中元素的固溶。

圖5 未經(jīng)過熱處理的U76CrRE稀土重軌鋼中復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖6 經(jīng)1100 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼中復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖7 經(jīng)1200 ℃保溫1 h的U76CrRE稀土重軌鋼復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

2.1.2 保溫時間對夾雜物的影響

試驗鋼加熱至1100 ℃保溫2 h時，在試驗鋼中發(fā)現(xiàn)了如圖8所示的大型尖銳狀Al2O3。Al2O3是鋼中典型有害夾雜物之一，其在鋼中更容易聚集成大顆粒夾雜物，破壞鋼基體的連續(xù)性，造成鋼基體組織不均勻，使鋼材軋制過程中形成裂紋，對性能的危害巨大[12-13]，在實際生產(chǎn)過程工藝的選擇中要盡量避開Al2O3的生成條件。

圖8 經(jīng)1100 ℃保溫2 h的U76CrRE稀土重軌鋼中Al2O3夾雜物形貌(a)及能譜分析(b)

繼續(xù)將試樣加熱至1100 ℃保溫3 h時，發(fā)現(xiàn)了如圖9所示的MnS，整體尺寸大于保溫1 h的MnS，可能是隨著保溫時間的延長，促進了MnS的長大。

圖9 經(jīng)1100 ℃保溫3 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a)及能譜分析(b)

鋼中的復合夾雜也隨著保溫時間發(fā)生變化，通過對比1100 ℃加熱保溫1 h(見圖6)、2 h(見圖10)與3 h(見圖10)試驗鋼中的復合夾雜物可以發(fā)現(xiàn)，保溫2 h時，復合夾雜整體變小，形狀規(guī)則；保溫3 h時又趨向變大，所以在1100 ℃加熱時，隨著保溫時間的增加，鋼樣中的復合夾雜尺寸呈現(xiàn)先變小后變大的規(guī)律。

圖10 經(jīng)1100 ℃保溫2 h(a, b)與3 h(c, d)后U76CrRE稀土重軌鋼中復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

對比加熱至1200 ℃保溫1 h(見圖4)、2 h(見圖11)、3 h(見圖12)的MnS夾雜物后可發(fā)現(xiàn)，試驗鋼中的長條狀MnS已基本消除，形狀皆為規(guī)則的圓形，整體尺寸隨著保溫時間的延長而逐步減小。

圖11 經(jīng)1200 ℃保溫2 h后U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖12 經(jīng)1200 ℃保溫3 h的U76CrRE稀土重軌鋼中MnS夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

而對比同等條件下的復合夾雜(見圖13與圖14)，可以發(fā)現(xiàn)在保溫3 h(見圖14)時，大顆粒橢球狀的復合夾雜大幅增加，說明附近的夾雜物發(fā)生了高溫聚集現(xiàn)象。

圖13 經(jīng)1200 ℃保溫2 h后U76CrRE稀土重軌鋼中復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

圖14 經(jīng)1200 ℃保溫3 h后U76CrRE稀土重軌鋼中復合夾雜物形貌(a, c)及能譜分析(b, d)

通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，不同加熱溫度與不同保溫時間都會對U76CrRE稀土重軌鋼中不同種類的夾雜物產(chǎn)生影響。不同加熱溫度的對比印證了熱處理可以進一步優(yōu)化MnS和復合夾雜物的形貌和尺寸，促進單個夾雜物向復合夾雜轉(zhuǎn)變，提高稀土對MnS、Al2O3等有害夾雜物的改善作用；另外不同的保溫時間同樣會導致試驗鋼中夾雜物的變化，隨著保溫時間的增加，MnS進一步得到細化，復合夾雜物在1200 ℃下會逐步長大。試驗鋼中夾雜物的尺寸是影響其力學性能的重要參數(shù)，隨著夾雜物尺寸的增大，力學性能會隨之減小[14-15]，所以通過熱處理要盡量保持夾雜物尺寸在較小范圍內(nèi)。

2.2 加熱溫度與保溫時間對微觀組織的影響

微觀組織也是影響鋼材力學性能的重要因素，晶粒細化效果好，鋼材的屈服強度、抗拉強度、伸長率、耐磨性等都會保持在良好的范圍內(nèi)[16-17]。通過在不同的淬火溫度與保溫時間下對鋼樣進行熱處理，就是希望在不增大晶粒的情況下加快碳化物的溶解速度，同時使獲得的組織更加細小、分布更加均勻，硬度也適中，進而提高其后續(xù)的使用性能。

通過分析熱處理后的U76CrRE稀土重軌鋼微觀組織(見圖15)、使用截點法配合Nano Measurer 1.2軟件統(tǒng)計得到的晶粒平均尺寸(見圖16、表2)和硬度數(shù)據(jù)(見圖17)可以發(fā)現(xiàn)，晶粒大小隨著加熱溫度的升高變大明顯，硬度呈現(xiàn)先減后增的趨勢；相同加熱溫度下，保溫時間越久，晶粒尺寸也越大，硬度整體呈下降趨勢。晶粒變化在1300 ℃時較為明顯，隨著加熱溫度升高，最大晶粒與最小晶粒尺寸相差較大。其中，在1100 ℃加熱時，試驗鋼組織為馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體，且晶界均不明顯；在1200 ℃與1300 ℃加熱時，試驗鋼中羽毛狀貝氏體在保溫時間超過1 h后向網(wǎng)狀滲碳體轉(zhuǎn)化明顯，滲碳體硬度高、脆性大、塑韌性較差，不適合重軌鋼的使用條件。在1300 ℃保溫1 h時，晶界積碳嚴重，碳化物未得到有效溶解，硬度最大，為512 HV0.2。當在1200 ℃保溫1 h時，試驗鋼中晶粒均勻，晶界明顯，組織主要為殘留奧氏體與珠光體，組織均勻，硬度為430 HV0.2，根據(jù)文獻[18]和王軍平等[19]的試驗可知，熱處理后的鋼軌踏面硬度在370～420 HBW之間，約等值為390～440 HV，而在硬度范圍為310～420 HBW，即330～440 HV時，隨著硬度的升高，鋼軌單點疲勞損傷相對較小，疲勞裂紋萌生壽命也逐漸增加，且平均磨耗發(fā)展率逐漸降低，所以此時對應重軌鋼的使用性能較好。

圖15 不同熱處理條件下U76CrRE稀土重軌鋼的微觀組織

圖16 不同熱處理條件下U76CrRE稀土重軌鋼的平均晶粒尺寸

表2 不同熱處理條件下U76CrRE稀土重軌鋼的最大與最小晶粒尺寸

圖17 不同熱處理條件下U76CrRE稀土重軌鋼踏面硬度對比

3 結(jié)論

1) 熱處理對U76CrRE稀土重軌鋼中夾雜物的作用明顯，使夾雜物形狀與尺寸有明顯改善。隨著加熱溫度的升高，可以進一步優(yōu)化MnS和復合夾雜物的形貌和尺寸。在1100 ℃加熱時，MnS與復合夾雜尺寸隨著保溫時間的增加而減小，形狀得到明顯改善；在1200 ℃加熱時，隨著保溫時間的增加，MnS尺寸減小，復合夾雜尺寸變大。

2) U76CrRE稀土重軌鋼的晶粒隨著加熱溫度的升高明顯增大，硬度隨著加熱溫度的升高整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，隨著保溫時間的增加逐漸減小。在1100 ℃加熱時，試驗鋼中組織皆為馬氏體、貝氏體和殘留奧氏體，且晶界均不明顯；在1200 ℃與1300 ℃保溫超過1 h后，試驗鋼中網(wǎng)狀滲碳體明顯；在1300 ℃保溫1 h時，晶界積碳嚴重，碳化物未得到有效溶解。在1200 ℃保溫1 h時，試驗鋼中晶粒均勻，晶界明顯，組織主要為殘留奧氏體與珠光體，組織均勻。