R350HT鋼軌鋼的連續冷卻轉變曲線

王瑞敏， 劉 曼， 周劍華， 張 琪， 蘇 雪， 徐 光

(1. 武漢科技大學 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學 鋼鐵冶金與資源利用省部共建教育部重點實驗室， 湖北 武漢 430081；3. 寶鋼股份中央研究院 武漢分院， 湖北 武漢 430080)

鋼的連續冷卻轉變(Continuous cooling transformation, CCT)曲線反映了材料在不同冷卻速度下的相變區間、相變類型、硬度及組織變化，是制定材料熱處理和熱加工工藝參數的基本依據。總結現有文獻發現，各種金屬材料CCT曲線已有大量研究并廣泛報道[1-6]。例如，Falkenreck等[1]研究了Fe-0.13C-0.27Si-0.92Mn-0.62Cr-0.6Mo-1.92Ni-0.006V鋼(質量分數，%)的連續冷卻轉變規律；張鵬飛等[2]測定了40Cr、42Cr和45Cr等鋼種的連續冷卻曲線；Hu等[3]通過設置10種不同的冷速，繪制了0.18C-0.35Si-1.6Mn貝氏體鋼的CCT曲線；Wang等[4]分析了12Cr2Mo1R壓力容器鋼的連續冷卻相變行為；但關于R350HT鋼軌鋼CCT曲線的研究還很少。

R350HT鋼為歐標熱處理軌鋼，因其良好的耐磨性、抗沖擊性等優良綜合性能，降低了鐵路換軌頻次，縮短了換軌時間，可以提高鐵路運量，節約成本。該鋼種的CCT曲線是產品研發的基礎，本文通過熱模擬試驗，研究了R350HT軌鋼的連續冷卻轉變規律，分析并測試了0.5～50 ℃/s不同冷卻條件下的室溫組織和維氏硬度，并繪制了R350HT軌鋼的靜態CCT曲線，為優化該產品的冷卻工藝制度提供理論基礎。

1 試驗材料及方案

試驗用R350HT軌鋼化學成分為Fe-0.70C-0.62Si-1.30Mn-0.23Cr(質量分數，%)。試驗鋼首先在真空感應爐中冶煉，隨后澆鑄成50 kg鋼錠，然后在四輥軋機上進行多道次軋制，最終軋制成12 mm厚的鋼板。將鋼板加工成φ6 mm×100 mm的圓柱，在Gleeble-3500熱模擬機上進行CCT試驗，試驗前將試樣頂部和底部表面進行拋光以保持測量表面水平。采用JMatPro 7.0材料性能模擬軟件計算試驗鋼的馬氏體開始相變溫度(Ms)為204.6 ℃。CCT試驗工藝為，將試樣加熱至900 ℃保溫10 min進行奧氏體化，然后分別以0.5、1、1.5、2、2.5、3、5、10、20、30和50 ℃/s冷卻速度冷卻至200 ℃，記錄試驗全程的溫度-時間-膨脹量等數據。

對熱模擬試驗后的試樣進行機械加工、鑲嵌、機械拋光以及4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕。組織觀察和硬度測試分別在Zeiss光學顯微鏡和HV-1000維氏顯微硬度計(載荷10 kg)上進行，取3次硬度試驗的平均值作為最終測試。

2 試驗結果及分析

2.1 不同冷卻速率下連續冷卻曲線

圖1為試樣在0.5～50 ℃/s冷卻速率下的膨脹量-溫度曲線。在連續冷卻過程中，膨脹曲線在某一溫度出現拐點，這是因為面心立方晶體的奧氏體相發生相變生成體心立方晶體相，由于上述兩種晶體的致密度不同，使得試樣在發生相變時引起試樣體積變化，因此，連續冷卻引起膨脹量隨溫度線性下降的曲線在發生相變時出現了膨脹量增加的情形。如圖1所示，采用切線法確定膨脹量-溫度曲線中膨脹量發生變化的溫度，即確定連續冷卻過程中試驗鋼的相變開始和結束溫度。結果表明，當冷卻速度為20、30和50 ℃/s時，膨脹量隨溫度降低呈現線性下降的趨勢，即連續冷卻過程中沒有高溫相變和中溫相變發生，這表明試樣只發生馬氏體相變的臨界冷卻速度是20 ℃/s。此外，不同冷速下試樣冷卻到200 ℃的過程中，膨脹曲線沒有明顯的馬氏體相變拐點，這意味著Ms應這個溫度，與計算結果基本一致。如果冷卻速度較大，Gleeble-3500熱模擬試驗機冷卻到200 ℃左右后，溫度測量誤差較大，不能繼續進行準確的溫度控制。

2.2 組織觀察和硬度測試

圖1 試驗鋼在不同冷速下的膨脹量-溫度曲線Fig.1 Dilatation-temperature curves of the tested steel at different cooling rates(a) 0.5 ℃/s; (b)1 ℃/s; (c) 1.5 ℃/s; (d) 2 ℃/s; (e) 2.5 ℃/s; (f) 3 ℃/s; (g) 5 ℃/s; (h) 10 ℃/s; (i) 20 ℃/s; (j) 30 ℃/s; (k) 50 ℃/s

圖2為0.5～50 ℃/s不同冷速下試樣的顯微組織。由圖2可以看出，冷卻速率在0.5～2.5 ℃/s之間時，以珠光體相變為主，有少量鐵素體形成。只有相變膨脹量達到熱模擬試驗機的靈敏度臨界值時，才能反映在膨脹曲線上，由于鐵素體量極少，在膨脹曲線上反映不出來。當冷卻速度為3 ℃/s時，組織為珠光體和少量馬氏體，這意味著馬氏體相在3 ℃/s冷卻時開始出現，且冷卻速度持續增加至10 ℃/s，組織中馬氏體相增多。由于R350HT軌鋼為珠光體組織，不允許有馬氏體相，因此其冷卻速度應小于3 ℃/s。由于上面提到的溫度控制原因和較低的馬氏體相變開始溫度，在膨脹曲線上很難測得馬氏體相變區間的拐點；隨著冷卻速率增加至20 ℃/s，組織基本上由馬氏體組成；當冷速為30 ℃/s和50 ℃/s時，只發生了馬氏體相變，與膨脹曲線結果相符。試驗鋼在不同冷卻速率下的相變開始和結束溫度及相變類型可根據顯微組織和膨脹曲線確定，如表1 所示。

圖2 不同冷卻速率下試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steel at different cooling rates(a) 0.5 ℃/s; (b) 1 ℃/s; (c) 1.5 ℃/s; (d) 2 ℃/s; (e) 2.5 ℃/s; (f) 3 ℃/s; (g) 5 ℃/s; (h) 10 ℃/s; (i) 20 ℃/s; (j) 30 ℃/s; (k) 50 ℃/s

表1 不同冷卻速率下試樣相變點、相變組織類型及硬度

不同冷速下試驗鋼的維氏硬度列于表1。由表1可以看出，在10 ℃/s以下冷速時，由于組織以珠光體為主，試驗鋼的維氏硬度較低，在320～380 HV10范圍內；冷速為10 ℃/s，維氏硬度提高至655 HV10，這歸因于形成了大量馬氏體硬相；冷速在20 ℃/s及以上時，維氏硬度均大于700 HV10，這是因為該冷速下僅有馬氏體硬相。因此，試驗鋼的馬氏體臨界冷卻速度為20 ℃/s。

2.3 CCT曲線繪制

在不同冷卻曲線上，確定珠光體相變開始和結束溫度，用光滑的曲線將相變開始溫度和結束溫度分別連接，在相變區域標注組織類型，在冷卻曲線上標明相應硬度，即得到試驗鋼的CCT曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，冷卻速率在0.5～10 ℃/s之間時，Fs隨冷速增加呈現連續下降的趨勢，這是因為冷卻速率大，高溫區停留時間短，珠光體轉變來不及發生，因此降低Fs提供較大的過冷度，以確保珠光體相變的發生；當冷速在20～50 ℃/s之間時，僅形成馬氏體。由上述膨脹量結果可知，在試驗中沒有實測到Ms，因此，在CCT曲線中采用軟件計算的204.6 ℃作為Ms。根據試驗鋼在0.5～50 ℃/s下的連續冷卻轉變規律，可以為歐標R350HT鋼軌鋼合理的熱處理工藝制定及生產提供理論支持。

圖3 試驗鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of the tested steel

3 結論

采用熱模擬試驗、顯微組織檢驗與維氏硬度測試相結合的方法，繪制了歐標R350HT鋼軌鋼的CCT曲線。結果顯示：

1)冷卻速率為0.5～2.5 ℃/s時，以珠光體相變為主，有少量先共析鐵素體。冷卻速率設置為3 ℃/s時，有珠光體和少量馬氏體組成，即馬氏體相在3 ℃/s冷卻時開始出現，且隨著冷卻速率持續增加至10 ℃/s，Fs降低，馬氏體增多。Fs降低是因為冷卻速率增大導致試樣在高溫區停留時間縮短，以至于珠光體轉變來不及發生。因此降低開始轉變溫度提供較大的過冷度，以確保珠光體相變的發生。隨著冷卻速率增加至20 ℃/s時，組織基本上為馬氏體。當冷卻速率大于20 ℃/s，組織只有馬氏體相。因此，馬氏體臨界冷卻速度為20 ℃/s。

2) 由于R350HT鋼軌鋼為珠光體組織，不允許發生馬氏體相變，因此其冷卻速率應設定小于3 ℃/s。