李金波， 吳紅艷， 高秀華， 陳紅衛(wèi)， 李紹杰， 朱子穎， 杜林秀

(1. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；2. 河鋼集團(tuán) 邯鋼公司， 河北 邯鄲 056015；3. 河鋼集團(tuán)技術(shù)研究院， 河北 石家莊 050023；4. 河鋼集團(tuán) 石鋼公司， 河北 石家莊 050031)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路得到了迅猛發(fā)展。2019年底我國(guó)高速鐵路通車(chē)?yán)锍桃堰_(dá)3萬(wàn)余公里，占世界高鐵總里程的2/3，穩(wěn)居世界第一[1]。隨著鐵路路網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大、覆蓋地域越來(lái)越廣、使用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，高鐵運(yùn)行速度快，彈條在使用中所受到的振幅和載荷均大于普通線路，彈條長(zhǎng)期暴露于大氣中且不斷有雨雪侵蝕，在隧道和涵洞等地下潮濕環(huán)境中使用，使得高速鐵路彈條表面耐蝕層極易發(fā)生局部破壞，即使表面微小的缺陷，如腐蝕凹坑等也對(duì)疲勞壽命極為敏感。鐵路扣件組腐蝕帶來(lái)的問(wèn)題越來(lái)越凸顯，腐蝕造成的安全隱患也越來(lái)越引起行業(yè)關(guān)注[2-5]。通過(guò)提前更換未到服役期的彈條來(lái)提高其服役安全性還面臨著更換量大等諸多問(wèn)題，會(huì)造成人力、物力的浪費(fèi)。

彈簧鋼60Si2Mn廣泛應(yīng)用于鐵路用彈條、機(jī)車(chē)用板簧、懸架彈簧和貨車(chē)轉(zhuǎn)向架等構(gòu)件。60Si2Mn彈簧鋼屬于熱成形彈簧鋼類(lèi)，熱處理工藝參數(shù)的改變會(huì)影響最終成品的綜合力學(xué)性能[6-9]，在不同成分體系下作用機(jī)理和性能影響各不相同[10-16]。本文開(kāi)發(fā)了添加Cr+Ni+Cu總量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的耐蝕彈簧鋼60Si2Mn，其具有良好的耐蝕性能，可通過(guò)提高耐蝕性能來(lái)提高彈條的服役壽命。研究了不同淬火溫度和回火溫度對(duì)耐蝕彈簧鋼60Si2Mn顯微組織和力學(xué)性能的影響，以期為耐蝕鐵路用彈條工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

在高鐵彈條用60Si2Mn彈簧鋼基礎(chǔ)上添加了Cr、Cu和Ni，總量為0.8%，耐蝕彈簧鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.56～0.64C、1.5～2.0Si、0.7～1.0Mn、0.25Cr、≤0.020P、≤0.015S、≤0.35Ni、≤0.25Cu，耐腐蝕指數(shù)I≥8。采用小爐真空冶煉成鑄錠，鍛造成80 mm 厚坯料，利用φ450 mm熱軋?jiān)囼?yàn)軋機(jī)進(jìn)行兩階段控制軋制，第1階段中間坯厚30 mm，總變形量為62.5%，開(kāi)軋溫度為1160～1150 ℃，終軋溫度為1000～980 ℃；第2階段開(kāi)軋溫度970～960 ℃，6道次軋制成10 mm厚試樣，終軋溫度為880～850 ℃，終軋后空冷。軋后進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為電阻式箱式加熱爐。熱處理工藝如圖1所示，淬火溫度為840、870和900 ℃，保溫45 min，出爐后油淬，再分別進(jìn)行不同溫度(440、470、500 ℃)保溫60 min回火處理，出爐水冷。

圖1 熱處理工藝示意圖

采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)和硬度計(jì)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和硬度試樣，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和硬度檢測(cè)。采用FEI QUANTA 600型掃描電鏡(SEM)對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行顯微組織和拉伸斷口形貌的觀察分析。

經(jīng)過(guò)相同熱處理后的耐蝕60Si2Mn鋼和60Si2Mn鋼，通過(guò)機(jī)械加工分別制得腐蝕試樣，尺寸為60 mm×40 mm×5 mm，在距試樣邊3 mm處設(shè)置吊掛試樣的小孔。腐蝕試驗(yàn)設(shè)備為ZQFS-1200Z型周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)箱，具備加熱、烘烤和空氣循環(huán)系統(tǒng)。腐蝕箱液槽內(nèi)腐蝕溶液為濃度0.01 mol/L的NaHSO3溶液，由去離子水和NaHSO3試劑配制而成，溶液pH值控制在4.4～4.8。補(bǔ)給液為0.02 mol/L的NaHSO3溶液，液槽內(nèi)溶液溫度為(45±2) ℃，腐蝕箱內(nèi)相對(duì)濕度為70%±5%RH。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火工藝對(duì)耐蝕彈簧鋼顯微組織的影響

熱軋后耐蝕彈簧鋼分別經(jīng)840、870和900 ℃淬火后的光學(xué)顯微組織和掃描電鏡下顯微組織如圖2所示。由圖2可知，淬火后顯微組織均由片狀馬氏體和板條狀馬氏體組成，隨著淬火溫度的升高，長(zhǎng)條的片狀馬氏體和馬氏體板條束尺寸均在增加。這是因?yàn)殡S著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸增大，馬氏體組織受到原奧氏體尺寸的影響從而變得粗大。

圖2 不同淬火溫度下耐蝕彈簧鋼的顯微組織

2.2 回火工藝對(duì)耐蝕彈簧鋼顯微組織的影響

圖3是耐蝕彈簧鋼在不同熱處理工藝下的組織。由圖3可知，耐蝕彈簧鋼回火后組織為鐵素體與滲碳體組成的混合組織。相同淬火溫度下，隨著回火溫度的升高，α-Fe由片狀或板條狀回復(fù)到多邊形塊狀；滲碳體顆粒由彌散點(diǎn)狀逐步增大為球狀，彌散強(qiáng)化效果變差，顯微組織由回火屈氏體向回火索氏體轉(zhuǎn)變。對(duì)不同淬火溫度，回火溫度為440 ℃與470 ℃時(shí)，鐵素體均保持著原馬氏體形態(tài)，470 ℃時(shí)板條狀和竹葉狀鐵素體變長(zhǎng)；回火溫度為500 ℃時(shí)，鐵素體基體形態(tài)差異不大，滲碳體顆粒差異也較?。灰虼耍?個(gè)不同回火溫度下，淬火溫度對(duì)回火后組織的影響較小。

圖3 不同淬火、回火溫度下耐蝕彈簧鋼的顯微組織

2.3 熱處理工藝對(duì)耐蝕彈簧鋼力學(xué)性能的影響

對(duì)經(jīng)不同工藝熱處理后的耐蝕彈簧鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表1。將數(shù)據(jù)繪制成屈服強(qiáng)度(以Rp0.2計(jì)，下同)、抗拉強(qiáng)度、硬度和斷后伸長(zhǎng)率隨熱處理加熱溫度的變化曲線如圖4所示。在同一回火溫度下，隨著淬火溫度的升高，整體上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度先略有升高而后降低，在淬火溫度為870 ℃時(shí)達(dá)到最大值，斷后伸長(zhǎng)率的變化則與強(qiáng)度相反，先降低后升高，在870 ℃時(shí)為最小值。由表1數(shù)據(jù)可知，回火溫度為440 ℃時(shí)，840 ℃淬火和900 ℃淬火后屈服強(qiáng)度相差僅1 MPa，抗拉強(qiáng)度相差3 MPa，兩者的強(qiáng)度非常接近。淬火溫度為870 ℃的強(qiáng)度最大值與840 ℃淬火時(shí)相比，抗拉強(qiáng)度也僅上升1.54%，屈服強(qiáng)度上升3.28%。因此，淬火溫度對(duì)于耐蝕60Si2Mn鋼的力學(xué)性能影響較小。雖然隨著淬火溫度的升高，耐蝕彈簧鋼中馬氏體尺寸有小幅度的增大；但經(jīng)回火處理后，馬氏體發(fā)生分解，形成鐵素體與滲碳體，此時(shí)馬氏體尺寸的變化對(duì)耐蝕彈簧鋼最終組織的影響，僅在未完全回復(fù)的鐵素體形態(tài)上，引起的力學(xué)性能變化較小。

圖4 淬火、回火溫度對(duì)耐蝕彈簧鋼力學(xué)性能的影響

表1 不同熱處理工藝下耐蝕彈簧鋼的力學(xué)性能

在同一淬火溫度下，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均隨回火溫度的升高而降低，斷后伸長(zhǎng)率與強(qiáng)度的變化正好相反，隨著回火溫度的升高而增大。耐蝕彈簧鋼在870 ℃淬火和440 ℃回火時(shí)，強(qiáng)度和硬度達(dá)到最大值，抗拉強(qiáng)度為1716 MPa，屈服強(qiáng)度為1606 MPa，洛氏硬度值為50.2 HRC，伸長(zhǎng)率為5.3%。在870 ℃淬火和500 ℃回火時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降至1409 MPa，屈服強(qiáng)度下降至1273 MPa，洛氏硬度值下降為43.4 HRC，斷后伸長(zhǎng)率上升為8.5%。根據(jù)淬火后顯微組織的分析，淬火后馬氏體晶體內(nèi)含有密度很高的晶格缺陷，晶體內(nèi)的間隙碳原子有巨大的靜畸變，因而具有高強(qiáng)度和高硬度的特點(diǎn)；而在回火過(guò)程中α-Fe發(fā)生回復(fù)，在回復(fù)過(guò)程中位錯(cuò)密度和晶格畸變減少，隨著回火溫度的升高，F(xiàn)e原子的活動(dòng)能力更強(qiáng)，α-Fe內(nèi)的位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷進(jìn)一步降低。同時(shí)滲碳體隨著回火溫度的升高而聚集長(zhǎng)大，440 ℃回火時(shí)，呈細(xì)粒狀均勻分布于鐵素體基體上，500 ℃回火時(shí)，部分變?yōu)榍驙?，?dǎo)致滲碳體彌散強(qiáng)化效果變差，引起強(qiáng)度和硬度下降，塑性提高。

2.4 熱處理工藝對(duì)耐蝕彈簧鋼拉伸斷口形貌的影響

對(duì)不同熱處理工藝下耐蝕彈簧鋼拉伸斷口宏觀和微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其宏觀形貌均沒(méi)有金屬光澤，斷口中間部分粗糙不平，四周傾斜，可以區(qū)分中間的纖維區(qū)、斷裂源附近的放射區(qū)和剪切唇，500 ℃回火后存在塑性變形。

利用掃描電鏡對(duì)耐蝕彈簧鋼拉伸試樣斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，淬火溫度為870 ℃，不同回火溫度下的斷口形貌見(jiàn)圖5，可以看到440 ℃回火溫度下，斷口有較多的小平面以及河流花樣，小平面之間以撕裂棱相接，具有準(zhǔn)解理斷口特征，同時(shí)還存在大小不一的韌窩；回火溫度為470 ℃時(shí)，有比較明顯的臺(tái)階，臺(tái)階附近布滿了韌窩，故認(rèn)為440 ℃回火與470 ℃回火后為準(zhǔn)解理-韌窩混合斷口，準(zhǔn)解理面的減少和大量韌窩的出現(xiàn)表明470 ℃回火塑性比440 ℃好；當(dāng)回火溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，宏觀斷口中有明顯的塑性變形撕裂痕跡，微觀形貌可以觀察到較多數(shù)量大小不一的撕裂韌窩，斷口具有韌性斷裂的特征，塑性提高。拉伸斷口形貌隨回火溫度的變化與力學(xué)性能變化規(guī)律相符合。淬火溫度為840 ℃和900 ℃的不同回火溫度斷口形貌變化規(guī)律與淬火溫度870 ℃是相同的，只是淬火溫度為900 ℃時(shí)，440 ℃和470 ℃回火后斷口的準(zhǔn)解理面更大，這是因?yàn)闇?zhǔn)解理面的大小受到原奧氏體尺寸的影響。

圖5 870 ℃淬火后不同回火溫度下耐蝕彈簧鋼的拉伸斷口形貌

2.5 耐蝕性能

腐蝕速率計(jì)算采用質(zhì)量損失法，利用腐蝕前后試樣損失的質(zhì)量來(lái)計(jì)算，腐蝕速率計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：W為腐蝕速率，g/(m2·h)；G0為試樣原始質(zhì)量，g；G1為腐蝕除銹后質(zhì)量，g；a為試樣長(zhǎng)度，mm；b為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

表2為試驗(yàn)鋼在不同腐蝕周期的平均質(zhì)量損失。隨著腐蝕周期的延長(zhǎng)，兩種試驗(yàn)鋼的質(zhì)量損失越來(lái)越多。腐蝕24 h時(shí)，耐蝕60Si2Mn鋼比常規(guī)60Si2Mn鋼的平均質(zhì)量損失少0.043 g，差距較小。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量損失差值變大，腐蝕360 h后，常規(guī)60Si2Mn鋼比耐蝕60Si2Mn鋼平均質(zhì)量損失多0.567 g。

表2 試驗(yàn)鋼在不同腐蝕周期下的平均質(zhì)量損失(g)

表3為試驗(yàn)鋼在不同腐蝕周期下的腐蝕速率。腐蝕24 h時(shí)腐蝕速率最大，由于鋼材試樣表面完全暴露于腐蝕環(huán)境中，基體表面沒(méi)有形成有效保護(hù)層之前，整個(gè)裸露的鋼材基體表面因?yàn)槲剿侄纬梢耗ぃh(huán)境中的腐蝕介質(zhì)溶于液膜中，基體表面的鐵非常容易因電化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕，所以在腐蝕前期腐蝕速率很高。在腐蝕72 h時(shí)腐蝕速率下降比較明顯，這是因?yàn)楸砻嫘纬闪虽P層，銹層對(duì)鋼材基體起到保護(hù)作用，銹層能有效阻擋金屬基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，顯著減少兩者的直接接觸面積。腐蝕72 h到144 h之間，腐蝕速率仍在下降，由于前期的銹層較薄，銹層的結(jié)構(gòu)不夠致密，從腐蝕前期到腐蝕后期，銹層對(duì)基體的保護(hù)性在逐漸變強(qiáng)。腐蝕144 h后，腐蝕腐蝕速率趨于平緩，整個(gè)腐蝕過(guò)程進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡。兩種鋼在同一腐蝕周期下，腐蝕速率的大小順序始終不變：耐蝕60Si2Mn鋼<常規(guī)60Si2Mn鋼。所以耐蝕性元素的添加能夠減小腐蝕速率和腐蝕質(zhì)量損失。

表3 試驗(yàn)鋼在不同腐蝕周期下的腐蝕速率(g·m-2·h-1)

彈簧鋼中加入Cr能在其表面形成一層致密的Cr2O3膜，阻止氧、硫、氮向鋼中擴(kuò)散，也能阻礙金屬離子向外擴(kuò)散。Ni的添加可以提高鋼的點(diǎn)蝕電位，從而控制腐蝕坑的產(chǎn)生及長(zhǎng)大。鋼材在腐蝕過(guò)程中，Cu起到活化陰極的作用，促使鋼陽(yáng)極發(fā)生鈍化，因而減緩腐蝕，顯著提高鋼的耐腐蝕性。

3 結(jié)論

1) 淬火后耐蝕60Si2Mn彈簧鋼的顯微組織為板條馬氏體與片狀馬氏體，隨著淬火溫度的升高，馬氏體尺寸增大；經(jīng)過(guò)不同溫度回火后，顯微組織均為回火屈氏體，隨著回火溫度的升高，鐵素體由原馬氏體的片狀或板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅?，滲碳體由顆粒狀長(zhǎng)大為球狀。

2) 同一回火溫度下，隨著淬火溫度的升高，耐蝕60Si2Mn彈簧鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度整體上先略有升高而后降低，淬火溫度為870 ℃時(shí)達(dá)到最大值，斷后伸長(zhǎng)率的變化則與強(qiáng)度相反，先降低后升高，870 ℃時(shí)為最小值。

3) 同一淬火溫度下，耐蝕60Si2Mn彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度均隨回火溫度的升高而降低，斷后伸長(zhǎng)率與強(qiáng)度的變化正好相反。耐蝕彈簧鋼在870 ℃淬火+440 ℃回火時(shí)強(qiáng)度和硬度達(dá)到最大值，抗拉強(qiáng)度為1716 MPa，屈服強(qiáng)度為1606 MPa，洛氏硬度值為50.2 HRC，伸長(zhǎng)率為5.3%。

4) 添加耐蝕元素的60Si2Mn鋼的耐蝕性較常規(guī)60Si2Mn鋼有較大提升。