2021-4-9 | 机械制造论文
实验材料及方法
实验用钢为2种重载车轮钢，化学成分如表1。实验用钢采用真空冶炼炉冶炼，浇铸后将钢锭锻造成钢坯，锻造加热温度在1200～1300℃，锻后空冷，在锻态实验用钢上截取Φ20mm的试样棒进行热处理。车轮制造工艺为：压轧后进行踏面淬火，即870℃×2h加热，实际淬火温度约为840℃；然后踏面喷水230s，实际轮辋冷却速度2～4℃/s；最后进行510℃×5h回火。为了模拟该工艺，并考虑到实验用试样的尺寸比实际工件小很多，本实验中对试样采用850℃×0.5h正火+500℃×2h回火。
热处理后将试样切成厚度为1.3mm的圆片，用砂纸打磨后抛光。采用BrukerD8Advance进行XRD测量，所用靶材为铜靶，测量步长为0.02°；用RIETEN-2000软件[8]对XRD数据进行Rietveld分析。重新抛光，并用4%(体积分数)的硝酸酒精浸蚀后，分别采用Olympus金相显微镜和FEINANOSEM430扫描电镜进行组织观察。最后，利用PhilipsTecnai12透射电镜对材料组织进行观察，所用透射电镜样品均采用电解双喷减薄的方法制成，电解液为8%(体积分数)高氯酸+92%(体积分数)乙醇溶液。
实验结果与讨论
1.显微组织及其相对含量
图1为2种实验用钢的金相组织照片。由图1可以看出：含碳量较高的1#试样由珠光体P和少量的先共析铁素体F先组成；适当降低碳含量、提高硅含量(2#试样)后，钢的组织仍然是由珠光体和先共析铁素体组成，但先共析铁素体明显增多。为了定量研究显微组织的相对含量，对2种实验用钢进行XRD分析。对显微组织相对含量的定量研究往往采用定量金相的方法，对于该材料，定量金相分析过程比较复杂而且耗时较长，因此采用对XRD数据进行Rietveld分析的方法[8]定量计算珠光体和铁素体组织的相对含量。在Rietveld拟合的过程中，铁素体(F)相和渗碳体(Fe3C)相的晶体结构均采用已报道的结构模型[9-10]。图2为1#和2#试样实测XRD谱与Rietveld拟合谱，由图2可以看出，实测谱(数据点)与拟合计算谱(实线)吻合很好。
本研究中通过采用XRD的Riteveld分析方法得到2种钢的F和Fe3C相的含量，如表2。珠光体中F和Fe3C相的质量分数分别为88.5%和11.5%，可将表2中F和Fe3C相的含量折算成先共析铁素体F先和珠光体P的相对含量，结果也列于表2中。如果忽略其它合金元素的影响，1#和2#试样平衡组织(先共析铁素体F先和珠光体P)相对含量的理论值可以近似地采用杠杆定理来计算。从表2可看出，1#和2#试样中先共析铁素体的质量分数为5.2%和14.8%，均低于各自质量分数的理论值7.8%和20.8%。主要原因是本实验采取的是正火工艺，奥氏体化后冷却速度快于缓慢冷却的退火冷却速度(接近平衡状态)，在珠光体转变之前来不及完全析出先共析铁素体。比较1#和2#试样中先共析铁素体的相对含量可发现，重载车轮钢中碳的质量分数从0.71%降低到0.61%、同时硅的质量分数从0.35%提高到0.95%后，先共析铁素体的质量分数从5.2%增加到14.8%，从而达到改善韧性的同时通过Si弥补强度的目的。
2.珠光体特征
图3为1#和2#试样中珠光体组织的SEM照片。由图3可以看出，2种钢中的珠光体均为典型的层片状组织，但2#试样中珠光体的片层间距较大。由此可见，适量提高Si含量在某种程度上可以减小珠光体的片层间距，这与文献[11]中的报道相吻合，但C含量的降低会明显增大珠光体的片层间距。因此，从重载车轮钢的力学性能要求出发，有必要对该钢种进一步合金化。
重载车轮钢的显微组织对车轮的使用性能和安全性有重要影响，因此必须抑制异常组织的出现。在原奥氏体晶界处，均匀分布着少量先共析铁素体，可保证材料具有一定的韧性[3]，但珠光体团界处的微观组织不可忽视。图4为1#和2#试样的TEM照片,由图4可以看出，2种钢具有同样的显微组织特征，在珠光体团界处没有出现异常组织，仍然为珠光体组织，但与珠光体团内的层片状组织相比存在不同之处：1)铁素体含量相对较多、渗碳体的含量相对较少；2)渗碳体不再呈片状，而是以颗粒状不连续分布。关于珠光体团界处这种显微组织的形成机理和影响因素正在进一步研究中。
结论
1)重载车轮钢的显微组织由珠光体和少量先共析铁素体组成，当钢中碳的质量分数从0.71%降低到0.61%、硅的质量分数从0.35%提高到0.95%时，先共析铁素体质量分数从5.2%增加到14.8%。2)2种重载车轮钢中的珠光体均为典型的层片状组织，但适当降低碳含量、增加硅含量会使珠光体的片层间距有所增大。与珠光体团内层片状组织相比，珠光体团界处的珠光体组织中铁素体含量相对较多、渗碳体的含量较少，而且渗碳体不再呈片状、而是以颗粒状不连续分布。
本文作者：吴海龙 王飞飞 沈晓辉 陈刚 张庆安 单位：安徽工业大学 材料科学与工程学院 安徽马鞍山钢铁股份有限公司 技术中心