25CrMo4鋼先共析鐵素體轉變及其對力學性能的影響

覃作祥，李芷慧，周鵬

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

大功率機車是我國鐵路貨運重載的主要牽引機車，其制造難度很高.車軸是鐵道車輛走行部極為重要的部件，其質量狀態直接關系到鐵路運輸安全.而決定車軸的質量關鍵在于軸坯的質量及其熱處理技術，為此，世界各國都對鐵路車軸提出了嚴格的質量要求.鐵路大功率機車(重載貨車牽引用)的車軸采用一種新鋼種——EA4T，該鋼是歐洲先進標準(EN13261:2003)［1］規定的高速、重載鐵路車軸用鋼，國外許多大功率機車和高速列車用車軸都采用這一標準.我國的車軸用鋼主要為40鋼、50鋼［2-3］，隨著我國貨車載重量的持續增加和運行速度的不斷提高，原40鋼、50鋼已不適宜作為高速、重載機車車軸用鋼，需要引進國外技術、采用力學性能更優異的EA4T鋼，在調質狀態下使用［4］.標準規定該鋼經熱處理后組織應為M+B，但由于車軸的截面積較大，熱處理工藝條件多變，導致車軸檢測組織中常出現超標的先共析鐵素體.由于缺乏25CrMo4鋼的TTT或CCT曲線，所以，需要弄清25CrMo4鋼中先共析鐵素體在冷卻中的轉變規律，為其熱處理工藝提供理論指導.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本實驗所用的25CrMo4鋼的化學成分見表1.材料經鍛造后正火，正火態洛氏硬度值HRC25～26.

表1 25CrMo4鋼的化學成分 %

1.2 試驗方法

試樣加熱到920℃保溫30 min，然后將試樣取出放入BaCl2+KCl+NaCl鹽浴槽中分別在740℃、710℃和675℃下等溫，控制等溫時間，然后再在3.5%NaCl溶液中冷至室溫.

將熱處理后的方料用線切割切開制成金相試樣，用4%的硝酸酒精腐蝕后觀察顯微組織，金相觀察采用Neophot-32型金相顯微鏡.根據面積來統計鐵素體的數量，計算得出鐵素體含量.硬度測量用HR-150A型洛氏硬度計.

2 試驗結果與分析

2.1 25CrMo4鋼原材料的金相組織

圖1是25CrMo4鋼原材料的組織形貌，可見，鋼的組織為鐵素體+珠光體，鐵素體和珠光體的晶粒尺寸都很細小.

圖1 25CrMo4鋼原材料的組織形貌

為了獲得不同的鐵素體含量，采用了分級淬火的工藝.具體如下:在920℃奧氏體化，然后迅速淬入650～750℃(先共析鐵素體轉變區)的鹽浴中等溫不同時間，待其析出先共析鐵素體，然后再淬入鹽水中，并進行回火.

本實驗分別選擇在740℃、710℃和675℃三個溫度進行第二級淬火的等溫過程，以研究鐵素體的析出規律，尋求一個容易控制鐵素體量的適當工藝，進而研究鐵素體量對力學性能的影響.對于熱處理后的試樣，通過金相和硬度兩種手段來對其進行分析.

2.2 不同溫度下等溫先共析鐵素體析出規律

2.2.1 740℃等溫過程

圖2是25CrMo4鋼在740℃等溫不同時間轉變的顯微組織.從圖中可以看到，25CrMo4鋼在740℃等溫70 s后才有少量的先共析鐵素體(F)形成，隨著等溫時間的延長，到110 s時才可見F數量增多，到300 s時形成了許多多邊形的先共析F組織，F塊明顯增大.到600 s時，鐵素體塊尺寸有所增大，但數量增加不是十分明顯，F數量不超過8%.可見在740℃這一較高溫度下等溫F的析出速度較慢.由于在該溫度下C、Fe元素的擴散較快，F長的較粗大.

圖2 25CrMo4鋼在740℃等溫轉變的顯微組織

2.2.2 710℃等溫鐵素體析出規律

圖3 25CrMo4鋼在710℃等溫轉變的顯微組織

圖3是25CrMo4鋼在710℃等溫不同時間轉變的顯微組織，25CrMo4鋼在等溫30 s后可看到少量的先共析F開始形成，等溫50 s時已經較為明顯，隨著等溫時間的延長，F數量增多，到100 s時形成了許多多邊形的先共析F組織，F塊明顯增大，其數量約6%～8%.可見在710℃這個溫度等溫，F的析出速度明顯快于740℃下等溫.

2.2.3 675℃等溫鐵素體析出規律

圖4是25CrMo4鋼在675℃等溫不同時間轉變的顯微組織，25CrMo4鋼在等溫35秒時開始有鐵素體析出，70 s后可看到有明顯的先共析F形成，隨著等溫時間的延長，F數量逐漸增多.到120 s時形成了大量的先共析F，數量已接近10%，F塊明顯增大，F分布均勻，F也是從原奧氏體中析出.到240 s時，F塊數量和尺寸都有所增大，F數量已接近15%.可見在675℃這一溫度下等溫，F的析出速度更快.

圖4 25CrMo4鋼在675℃等溫轉變的顯微組織

圖5 等溫時間對25CrMo4鋼先共析鐵素體含量的影響

從圖5可以更直觀地看出等溫處理下等溫溫度及等溫時間對F析出量的規律，25CrMo4鋼在740℃等溫(曲線a)下F的析出速度很慢，到600 s時，F數量也不超過8%;25CrMo4鋼在710℃(曲線b)及675℃(曲線c)下等溫，F析出速度明顯加快，且25CrMo4鋼在675℃這一溫度下等溫，F的析出速度快且數量容易控制.

2.3 鐵素體量對25CrMo4鋼力學性能的影響

2.3.1 鐵素體量對25CrMo4鋼硬度的影響

圖6是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，740℃等溫不同時間，鹽水淬火和回火后的硬度.可見，在未形成F前其淬火硬度較高，達到了HRC50以上，當F析出后，淬火硬度略有降低，但至600 s時鐵素體析出量仍不大，因而硬度下降較少.650℃回火后其硬度基本接近，只是F含量多的樣品的硬度略低.

圖6 在740℃等溫所得的淬火和回火硬度

圖7是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，710℃等溫不同時間，鹽水淬火以及回火后的硬度.可見，在未形成F前其淬火硬度較高，都達到了HRC53左右，當開始有F析出后，淬火硬度略有降低.回火硬度基本接近，隨F含量增多，硬度稍有下降.

圖7 在710℃等溫所得的淬火和回火硬度

圖8是25CrMo4鋼在920℃ ×30 min加熱，675℃等溫不同時間，鹽水淬火和回火后的硬度.可見，在未形成F前其淬火硬度較高，達到了HRC53左右，當F析出后，淬火硬度逐漸降低，當析出大量的鐵素體時，硬度下降較多，當鐵素體量達到15%左右時，硬度已降至 HRC40以下.650℃回火后其硬度不隨鐵素體量變化，硬度不變.

圖8 在675°C等溫所得的淬火和回火硬度

2.3.2 鐵素體量對25CrMo4鋼拉伸性能的影響

表2為不同鐵素體含量的4個試樣經拉伸實驗所得的結果.由表中結果可見，當鐵素體量控制在11%以內，25CrMo4鋼的抗拉強度、屈服極限基本相同，伸長量和面縮率也基本接近.可見，當鐵素體量較少時，對25GrMo4鋼的拉伸性能影響較小.但其中3號試樣，因發生標距外斷裂的現象而出現奇異值.由實驗結果可見，強度值偏高，因而仍需提高回火溫度或延長回火時間來提高其塑性.

表2 不同鐵素體含量試樣的拉伸性能

2.3.3 鐵素體量對25CrMo4鋼沖擊韌性的影響

圖9 不同鐵素體量試樣的沖擊功

圖9為不同鐵素體含量的試樣經沖擊試驗所得的結果.由圖中結果可見，隨鐵素體含量的增加，25CrMo4鋼的沖擊功逐漸減小，當鐵素體量超過5%時，沖擊功下降顯著.這很可能是由于鐵素體組織受沖擊時，產生了微裂紋.鐵素體容易引起裂紋的萌生，尤其是當鐵素體量較多時，所產生的裂紋匯集而導致裂紋迅速擴展，導致沖擊韌性下降.

3 結論

(1)在先共析鐵素體的轉變區間內，隨溫度的降低，鐵素體的析出速率加快，F逐漸呈均勻分布，并且F轉為在原奧氏體晶界析出.而隨著等溫時間的增加，鐵素體的尺寸和數量都會有所增加，形態由細小的針狀變為大塊的多邊形狀;

(2)在675～740℃溫度區間保溫，隨著溫度的降低，鐵素體析出速度加快;

(3)在675℃等溫時，鐵素體的析出速度較快，且析出數量容易控制.獲得2%～3%，5%～8%，10%～15%鐵素體的保溫時間分別是70 s，120 s和240 s;

(4)當鐵素體量在11%以內，25CrMo4鋼的抗拉強度、屈服極限基本相同.沖擊韌性在鐵素體量小于5%時也基本相同，但當鐵素體含量達到11%時則有所降低.

［1］BS EN13261:2003.鐵路應用-輪對和轉向架-車軸-產品要求［S］.歐洲標準委員會，2003.

［2］戚正風.車軸用鋼的碳含量及熱處理［J］.材料工程，1999(3):32-33.

［3］李學鋒.鐵道車輛用LZW車軸鋼晶粒度研究［J］.鋼鐵，2001(8):36-38.

［4］任民.馮偉.德國低合金調制鋼25CrMo4的焊接［J］.石油化工建設，2007(4):52-53.