車輪緩冷工藝解析

潘勝利，國新春

（寶武集團馬鋼軌交材科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 車輪白點缺陷的形成機理

由于氫在鋼中有一定的溶解度，故在鋼液凝固后，總有部分氫殘留在鋼中。從氫在鐵中的溶解度與溫度的關系曲線（見圖1）[1]。從圖1可以看到，當溫度下降時，氫在鋼中的溶解度迅速降低，則過飽和部分的氫將要析出，但在冷卻速度不夠慢或者斷面尺寸比較大時，靠中心部分的氫將來不及完全逸出。在以后的熱加工過程中，尤其在快冷的條件下，氫不斷脫溶，不斷析出、聚集，將在局部區域產生巨大的壓力，再結合其他各種應力（如鋼相變時產生的組織應力），當最后的疊加應力超過了金屬的強度極限時，就會發生穿晶斷裂，形成一條條細小的裂縫—白點[2]。

圖1 氫在鐵中的溶解度與溫度的關系曲線

白點在車輪中的形貌如圖2所示。白點的危害在于降低車輪的塑性和韌性，使車輪坯由塑性狀態變成脆性狀態，導致車輪在服役過程中產生脆性破壞，使用有白點的車輪往往導致破壞性事故的發生。即使鋼中的氫含量低于某一臨界值而沒有生成白點時，鋼的塑性和韌性葉將隨著氫含量的提高而降低[3]。因此，最大限度地排除鋼中的氫，是車輪生產中的重要問題之一。

圖2 車輪白點的形貌

根據當溶解在鋼中的氫含量低于2～3 cm3/100 g時。就不會產生白點的說法[1]，若要預防白點的產生，就必須有效地降低鋼中氫含量或固定氫原子。在車輪的制造過程中，煉鋼環節是控制鋼中氫含量的主要工序，但是要在煉鋼過程中完全消除，確實很困難。現在的車輪制造廠一般采取在煉鋼工序增加真空脫氣、保護澆鑄以及鑄坯緩冷的辦法來降低鋼中氫含量，在車輪軋制過程采取軋后等溫或緩冷的辦法來進一步降低鋼中氫含量或彌散鋼中的氫[4]。因此，正確理解車輪緩冷工藝操作要點，制定合理的作業辦法，減少車輪緩冷工序中的工藝不合格產品，對于提高車輪緩冷工序的效率、保證緩冷效果很有意義。

2 車輪緩冷工藝設計解析

由鋼中的氫在各種不同組織下溶解度，珠光體最小，奧氏體最大。因此，要將車輪中的氫擴散或彌散，最好的辦法就是讓車輪組織處于珠光體狀態，讓溶于奧氏體中的氫盡快析出。鋼中氫氣在不同溫度下有著不同的逃逸速度或稱為擴散系數。鋼中氫的擴散系數與溫度的關系如下頁圖3所示[5-6]。

從圖3中可以看出鋼中的最大逃逸速度對應的溫度有兩個：300℃和650℃。也就是說，在這兩個溫度要進行保溫，以保證氫以最大的速度逸出。由于在實際緩冷當中做不到恒溫，所以以選擇最大擴散溫度區間定為240~360℃和600~720℃。在這個區間中氫以較大的逃逸速度向外散，到終了時氫含量（質量分數）應小于要求值2×10-6。

圖3 鋼中氫的擴散系數與溫度的關系

再考慮車輪外觀尺寸，車輪輪轂截面尺寸比輪輞尺寸大，當車輪在緩冷時，輪轂金屬中的氫擴散和彌散需要的時間比輪輞長，同時輪轂部位金屬在冷床上溫降速度較輪輞慢，當輪輞冷卻到轉變點以下時，輪轂還處在轉變點以上，輪輞組織為珠光體，輪轂為奧氏體。根據氫在鋼中的擴散系數，以及在不同組織中的溶解度影響，輪輞中的氫在“上坡效應”作用下，會有一部分擴散到輪轂中。要將輪轂中的氫擴散或彌散，關鍵是要將輪轂溫度降低，使之轉變為珠光體組織，然后再濃度的擴散效應下，將輪轂部位的高濃度氫慢慢擴散降低。因此，車輪緩冷工藝規定落垛溫度＞500℃，輪轂溫度＜700℃，來保證輪轂溫度在最大的氫擴散溫度區間入爐，并蓋上爐蓋，使其緩冷，并在工藝規定的時間內，要求出爐溫度＞200℃，保證車輪講過最大的氫擴散溫度區間。如果車輪落垛鋼溫低于500℃，或進入緩冷坑后，在工藝規定的時間內爐溫低于200℃，專門標識、記錄，成品檢查時進行100%輪輞輪轂超聲波探傷。所屬垛任一件車輪存在白點，則該垛車輪報廢處理。

在設計緩冷時間時，主要要考慮輪轂轉變為珠光體后的有效時間。輪轂部位的氫擴散條件最為苛刻，緩冷時間主要考慮給輪轂足夠的氫擴散時間以減小鍛件的殘余應力、細化晶粒、減小奧氏體的穩定性，從而使氫在整個截面上均勻分布，促使奧氏體向鐵素體和碳化物的混合物迅速轉變，達到降低車輪對白點敏感性的目的。

3 緩冷工藝介紹

為了既提高防白點效果，又保證生產順行，車輪公司和技術中心進行了調研、理論研究和大量的工藝試驗，結果表明，采用軋后緩冷工藝，即完全不燃燒煤氣（或其他熱能原料），僅僅依靠鋼錠本身余熱，安全、高效冷卻下來的熱處理工藝方法。具體的方法是：在軋后落垛后，通過天車，將整垛車輪置于爐內，密封起來，依靠其自身散熱形成的氣氛為保護屏障，減緩軋后鋼坯內部的溫度分布梯度，降低溫度應力的影響，使其自然平緩地冷卻，冷卻時間達到工藝規定方可出爐，在此期間，不需要任何人為或保溫措施。

4 生產控制要點

在車輪生產過程中，由于軋制不正常或設備出現故障，或是出現了異常事件，使落垛溫度小于500℃，在工藝規定的時間長度（如10 h）內緩冷溫度不足200℃，以及在緩冷坑緩冷時間不足工藝時間（如10 h）時，就要判定為低溫鋼。出現低溫鋼時，要在低溫鋼上，做好低溫鋼標識，標明低溫鋼、件數、標識號、垛號等，同時在記錄卡上做好低溫鋼記錄，寫明低溫鋼產生原因，件數，垛號等，傳送卡上寫明已做好標識等字樣，做標識轉移，進行100%輪轂的探傷。

在現場的操作中，在軋制不正常時，當輪輞溫度降至接近500℃時，可將不足整吊的車輪先行入爐，等后續正常再合并入爐的方法減少低溫鋼的發生機率。出現設備故障時，可在處理設備故障的同時，利用行車使車輪能夠及時正常入爐，保證工藝的正常施行。

5 緩冷工藝的優點

1）采用緩冷工藝處理，防白點可靠性會進一步提高；該操作簡單，減輕工人工作壓力。

2）采用緩冷處理工藝是鑒于理論分析和試驗跟蹤的基礎上提出來的。同時還有生產效率高及節能、降耗、減排的優點，具有技術、經濟雙重優勢。

3）降低了車輪整體在兩相區的停留時間。研究結果表明[7]：為最大程度地減少氫從鐵素體到奧氏體的偏析，應避免在鐵素體＋奧氏體兩相區停留時間過長。由于新線冷床長度的限制，新熱處理線的車輪軋后在冷床上停留時間很短，落垛后車輪整體溫度很高，大多數部位相變還沒開始，采用緩冷工藝可以大大縮短車輪在兩相區的停留時間，從而減緩了氫的偏析。

4）增加了氫在α-Fe區的擴散時間。采用緩冷工藝，車輪在A1點以下時間長，從而也大大增加了氫在氫在α-Fe區的擴散時間。

5）采用緩冷處理時，盡管擴散能力有所減弱，但由于溶解度低，可擴散氫相對增加。