李亞寧，梁晨，覃作祥，陸興

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車軸和車鉤在運(yùn)行中承受拉、壓、沖擊、彎曲等多種應(yīng)力的綜合作用，工況復(fù)雜且使用條件非常惡劣.隨著列車的運(yùn)行速度、牽引總重不斷提高，車軸和車鉤受到的隨機(jī)交變的各種應(yīng)力的作用越來(lái)越大，使用工況條件進(jìn)一步惡化，疲勞斷裂問(wèn)題已成為車軸和車鉤失效的主要形式［1-8］.目前，我國(guó)貨車車軸主要為50鋼，但大功率機(jī)車車軸則采用低碳鉻鉬鋼——25CrMo4(EA4T)［9］.車鉤材料主要采用25MnCrNiMo鑄鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理.這些材料都屬于低碳鉻鉬鋼，鉻、鉬對(duì)提高鋼的淬透性從而提高車軸和車鉤的性能起到十分關(guān)鍵的作用.但由于車軸和車鉤的尺寸較大，在調(diào)質(zhì)過(guò)程中很難整體淬透，內(nèi)部極容易形成貝氏體，端淬曲線測(cè)定也表明，ZG25MnCrNiMo鋼淬透性不足，貝氏體形成能力較強(qiáng)，25CrMo4鋼也有很強(qiáng)的貝氏體形成能力［10］，對(duì)車軸和車鉤的實(shí)物解剖也發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部出現(xiàn)大量的貝氏體組織，因此貝氏體組織對(duì)車軸和車鉤的性能和壽命有重要的影響.為了了解貝氏體對(duì)鋼組織和性能的影響，本文采用等溫淬火工藝，研究 25CrMo4和ZG25MnCrNiMo兩種鋼在不同溫度下等溫形成貝氏體的過(guò)程及其對(duì)鋼的組織和性能的影響規(guī)律，為低碳鉻鉬鋼車軸和車鉤的生產(chǎn)和使用提供一些有重要參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分如附表所示.等溫淬火工藝為:奧氏體化溫度為910℃，然后淬入熔化的硝鹽鹽浴爐中保溫，ZG25MnCrNiMo鋼的等溫溫度分別為350、400、450和480℃;25CrMo4鋼的等溫溫度分別為300、370、400和450℃，所有試樣在鹽浴爐中保溫時(shí)間均為1 h.

附表 ZG25MnCrNiMo鋼和25CrMo4鋼的化學(xué)成分

鋼經(jīng)等溫淬火處理后按照GB/T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法(V型缺口)》的規(guī)定加工沖擊試樣并進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫(25CrMo4鋼)和-40℃(ZG25MnCrNiMo鋼)，在JXB-300型擺錘式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在WDW3200電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.金相試樣經(jīng)機(jī)械磨制、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在VHX-1000超景深顯微鏡上觀察.沖擊試樣斷口形貌在JSM-6360LV型掃描電鏡上觀察.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

圖1為 ZG25MnCrNiMo鋼在350、400、450和480℃下等溫1 h后的顯微組織.從圖中可以看出，得到鐵素體和碳化物組成的兩相混合組織.350℃等溫時(shí)，得到均勻的下貝氏體組織，鐵素體比較細(xì)小，碳化物分布在鐵素體片中間;溫度升高，組織變得粗大;450℃等溫時(shí)，鐵素體晶粒開始長(zhǎng)大，組織比較均勻，形成粒狀貝氏體組織;到480℃等溫，粒狀貝氏體組織中的鐵素體晶粒最大，且形狀較規(guī)則，滲碳體主要分布在鐵素體內(nèi)部，并開始在一定區(qū)域聚集.

圖1 25MnCrNiMo鋼等溫淬火組織

圖2為25CrMo4鋼在300、370、400和450℃下等溫轉(zhuǎn)變后的顯微組織.在300℃等溫淬火得到的組織為下貝氏體+馬氏體組織;等溫溫度升高得到的貝氏體組織數(shù)量不斷增多;在410℃等溫時(shí)幾乎全部為貝氏體組織;450℃等溫淬火后形成粒狀貝氏體組織，此時(shí)的貝氏體鐵素體和碳化物顆粒比低溫等溫時(shí)粗大.

組織的變化是由于當(dāng)?shù)葴卮慊鸸に嚥捎玫臏囟容^低時(shí)，具有很大的相變驅(qū)動(dòng)力，在過(guò)冷奧氏體中的貧碳區(qū)，貝氏體將沿著慣習(xí)面進(jìn)行切變并且大量形核.但是在溫度較低的條件下碳的擴(kuò)散能力有限，在奧氏體中難以長(zhǎng)距離擴(kuò)散.因此，當(dāng)?shù)葴卮慊鸬臏囟容^低時(shí)貝氏體能夠進(jìn)行較為充分的轉(zhuǎn)變，形成細(xì)小的組織［11］.

圖2 25CrMo4鋼等溫淬火組織

2.2 力學(xué)性能分析

圖3所示為ZG25MnCrNiMo鋼經(jīng)不同溫度等溫淬火后，其力學(xué)性能的變化.可以看出，在350℃等溫時(shí)鋼的抗拉強(qiáng)度和沖擊功都達(dá)到最大值，結(jié)合圖1(a)中ZG25MnCrNiMo鋼的顯微組織可知，這是因?yàn)榈葴販囟容^低時(shí)形成了均勻細(xì)小的下貝氏體組織，碳化物分布于鐵素體內(nèi)部，表現(xiàn)出高的強(qiáng)度和韌性.等溫溫度升高，貝氏體晶粒變大，碳化物顆粒變大，碳化物的數(shù)量相應(yīng)減少，固溶碳量低，故抗拉強(qiáng)度和沖擊功變低［12］.

圖3 不同等溫淬火溫度對(duì)ZG25MnCrNiMo鋼力學(xué)性能的影響

圖4所示為25CrMo4鋼經(jīng)不同溫度等溫處理后，其力學(xué)性能的變化.從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)用鋼在300℃等溫時(shí)抗拉強(qiáng)度和沖擊功都達(dá)到最大值，分別為1 177 MPa和30 J，具有最佳的強(qiáng)韌性配合.原因是在300℃等溫時(shí)組織中少量細(xì)小的板條馬氏體對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變起到了分割作用，減小了材料的局部塑形變形傾向，增強(qiáng)了均勻變形能力，使其表現(xiàn)出較高的強(qiáng)韌性［13］.等溫溫度升高，貝氏體組織增多且變大，使材料性能下降.

圖4 不同等溫淬火溫度對(duì)25CrMo4鋼力學(xué)性能的影響

2.3 沖擊斷口分析

圖5 ZG25MnCrNiMo鋼在不同溫度等溫后－40℃沖擊斷口形貌

圖5為ZG25MnCrNiMo鋼在不同溫度下等溫相同溫度回火后的沖擊斷口形貌.在400℃等溫時(shí)，斷口中顯示出解理小平面，還能觀察到明顯的撕裂棱存在，沖擊功不高，僅為33 J.見圖5(a);升高溫度等溫，斷口都為準(zhǔn)解理形貌，無(wú)韌窩形成，沖擊功僅為20 J左右.見圖5(b)、(c).

25CrMo4鋼等溫處理后，-40℃低溫沖擊斷口形貌如圖6所示.300、370℃等溫淬火后的斷口形貌主要由大小不一的韌窩組成，宏觀表現(xiàn)為韌性斷裂.但在370℃時(shí)形成的韌窩較平，說(shuō)明試樣在斷裂前的塑性變形較小，因此沖擊功較300℃等溫處理后的低.410℃與450℃等溫后的沖擊斷口都為明顯解理特征，宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂，沖擊功較低.

圖6 25CrMo4鋼不同溫度等溫后－40℃沖擊斷口形貌

由此看來(lái)，兩種低碳鉻鉬鋼都是在較低等溫溫度時(shí)得到最高強(qiáng)韌性配合，形成下貝氏體組織.ZG25MnCrNiMo鋼等溫轉(zhuǎn)變后整體性能較差，抗拉強(qiáng)度值在800～920 MPa之間;沖擊功除350℃很高外，其余都在 10～40 J之間，不能滿足ZG25MnCrNiMo鋼車鉤的性能要求.25CrMo4鍛鋼等溫轉(zhuǎn)變后強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度在最高為1 177 MPa，最低也達(dá)975 MPa.而沖擊功很低，最高也僅為30 J.

3 結(jié)論

本文主要研究了兩種低碳鉻鉬鋼(ZG25MnCrNiMo鋼和25CrMo4鋼)經(jīng)等溫淬火工藝后的組織性能，得出以下結(jié)論:

(1)ZG25MnCrNiMo和25CrMo4鋼在較低的溫度下等溫得到最優(yōu)強(qiáng)韌性配合，此時(shí)形成下貝氏體組織.隨著等溫溫度升高，鐵素體基體和碳化物變得粗大，強(qiáng)度和韌性顯著降低，微觀組織產(chǎn)物為粒狀貝氏體組織;

(2)ZG25MnCrNiMo鋼等溫淬火形成貝氏體后整體性能較差，抗拉強(qiáng)度和沖擊功都不能滿足車鉤的性能要求;25CrMo4鋼等溫淬火形成貝氏體后強(qiáng)度較高而韌性較低.

［1］邢宏毅.13號(hào)車鉤鉤舌銷失效原因及改進(jìn)建議［J］.鐵道車輛，1990(10):57-59.

［2］馮國(guó)卿.16號(hào)、17號(hào)車鉤產(chǎn)生故障的原因及建議［J］.鐵道車輛，2000(7):42-43.

［3］白淑萍.大秦線C80型貨車16、17號(hào)車鉤裂紋原因分析及應(yīng)對(duì)措施［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008(9):17-19.

［4］劉鑫貴，項(xiàng)彬，秦曉峰，等.大秦線C63A貨車16號(hào)車鉤尾銷孔裂紋原因分析［J］.金屬熱處理，2008(4):109-113.

［5］陸陽(yáng).消除國(guó)產(chǎn) E級(jí)鋼車鉤疲勞裂紋的探討［J］.鑄造，2008，57(6):592-595.

［6］孟慶民，盧碧紅，姜巖.鐵路重載貨車車鉤裂紋故障探討［J］.鐵道車輛，2008(10):36-39，48.

［7］宋子濂，繆龍秀.車軸疲勞裂斷的宏，微觀特征和裂紋車軸的壽命預(yù)測(cè)［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1996，17(2):74-84.

［8］徐羅平.機(jī)車車軸斷裂失效分析［J］.機(jī)車車輛工藝，2005(3):19-21.

［9］EN13261:2009.Railway applications-wheelsets and bogies-axles-product requirements［S］.［s.n.］:［s.l.］，2003.

［10］傅成駿，李芷慧，朱瑾陶，等.EA4T車軸鋼熱處理冷卻轉(zhuǎn)變特性的研究［J］.機(jī)車車輛工藝，2009(3):1-3.

［11］徐繼彭，姚三九.等溫淬火工藝對(duì)奧—貝鑄鋼組織和性能的影響［J］.鑄造，2002，51(11):680-683.

［12］燕來(lái)生，張偉華.碳鋼等溫淬火最佳參數(shù)的研究［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1998，17(2):48-52.

［13］張志俊，宋英煒.20Mn2SiVB鋼高溫等溫淬火的顯微組織與性能［J］.熱加工工藝，2007，36(2):64-66.