國產高鐵齒輪用材料的韌脆轉變溫度研究★

王之香， 南 海， 張錦文

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心， 山西 太原 030003）

高鐵在中國區域經濟發展過程中發揮著越來越重要的作用，高鐵列車齒輪傳動系統是驅動列車行駛、保證列車正常安全運行的主要部件之一，其性能的好壞直接關系到列車的整體運轉情況[1]。18CrNiMo7-6是歐洲標準規定的高速鐵路用齒輪材料，經過適當的熱處理后可獲得優良的強韌性，在歐洲已得到廣泛的應用。為改變我國高鐵齒輪材料長期依賴進口的局面，2010 年我國開始引進該材料，并開始進行國產化研究。我國幅員遼闊，南北溫差大，有必要對引進的國產化18CrNiMo7-6 材料開展韌脆轉變溫度的研究。

材料脆性轉變溫度是材料韌脆轉變傾向的重要性能指標，脆性轉變溫度的高低決定了材料在低溫條件下韌性的好壞，從而直接影響材料的溫度使用范圍[2]。鋼材脆性轉變溫度的確定，將為低溫沖擊韌性等預測提供依據，因此研究高鐵齒輪鋼的韌脆轉變溫度具有重要意義。本文對高鐵齒輪鋼采用系列沖擊的方法測得其在-196～20 ℃溫度間的系列沖擊功，繪制出沖擊功- 溫度曲線，同時結合沖擊斷口剪切斷面率測量計算，確定了此高鐵齒輪鋼的脆性轉變溫度，為生產實踐提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究采用Φ250 mm 的圓坯，其制造工藝流程如下：EBT 電爐冶煉→LF 爐精煉→VD 真空脫氣處理→澆鑄5.8 t 鋼錠→快鍛機鍛造成Φ250 mm 的圓坯→退火→精整、檢驗。高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 化學成分如表1 所示。取Φ250 mm×200 mm 樣坯，采用“淬火+回火”熱處理后，在Φ250 mm 齒輪鋼坯1/2半徑處取縱向系列沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊缺口為“V”型，試樣形狀及尺寸公差均滿足GB/T 299—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求。試樣金相組織為回火馬氏體，奧氏體晶粒度為8 級，具體如圖1 所示，其試樣力學性能如表2 所示。

表1 高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 化學成分 %

圖1 試樣金相組織和奧氏體晶粒度

表2 高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 試樣力學性能

1.2 試驗方法

GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準規定了評定金屬材料的韌脆轉變溫度的三種測定方法，分別為能量法、斷口形貌法和側膨脹法。本試驗在測定系列沖擊基礎上，結合斷口形貌法對高鐵齒輪鋼韌脆轉變進行確認。18CrNiMo7-6 高鐵齒輪材料采用標準夏比V 型缺口沖擊試驗測定了脆性轉變溫度，根據GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準要求，液體介質溫度應在規定溫度的±1 ℃以內，試樣轉移至沖擊位置前，應在該介質中至少保持5 min。試樣從低溫介質中移出至打斷的時間不應大于5 s[3]。本試驗采用ZBC450B 型低溫數顯沖擊試驗機進行系列沖擊試驗，試樣設定20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃共8個溫度，每個試驗溫度做3 個KV2沖擊試樣，沖擊功取3 個有效試驗數據的平均值，-60～20 ℃的冷卻介質為無水乙醇，-80 ℃的冷卻介質為無水乙醇+ 液氮，-196 ℃冷卻介質為液氮。采用顯微鏡及SEM 掃面電鏡進行斷口分析，測定斷口剪切斷面率，如圖2所示，即“閃亮”部分的長度和寬度，根據GB/T 299—2020 附錄C 中表C.1 進行剪切斷面率計算[3]，通常認為試樣沖擊缺口剪切斷面率為50%所對應的溫度為韌脆轉變溫度[4]，再結合斷口微觀形貌，最終確定此高鐵齒輪鋼的韌脆轉變溫度。

圖2 剪切斷面率百分比的尺寸[3]

1.3 試驗結果及分析

各溫度下試樣的沖擊功、剪切斷面率值如表3 所示。圖3 為不同試驗溫度下沖擊功值與試驗溫度的關系；圖4 為不同試驗溫度下剪切斷面率和試驗溫度的關系；下頁圖5 為不同溫度對應的缺口沖擊試樣斷口照片；下頁圖6 為不同溫度對應的斷口擴展形貌。由表3、圖3 可看出，實驗鋼的沖擊值隨溫度下降而降低，-60 ℃開始沖擊值降低明顯。從表3、圖4 可看出，隨著溫度的降低，剪切斷面率降低。從圖5 可看出，隨著沖擊溫度的降低，沖擊斷口上放射區所占百分比逐漸增加，即試樣韌性逐漸降低[5]。從圖6 可看出，室溫下試樣斷口為等軸韌窩，大而深的韌窩分布數量較多，隨著溫度的降低，韌窩的形狀發生變化，韌窩變小、變淺[6]。

圖3 平均沖擊功和試驗溫度的關系

圖4 平均剪切斷面率和試驗溫度的關系

表3 高鐵齒輪鋼脆性轉變溫度測試結果

當試驗溫度為20 ℃、0 ℃、-20 ℃時，斷口形貌為“剪切+解理”，剪切斷面率為72%～83%，如圖5-1—圖5-3 所示。當試驗溫度為-40 ℃時，斷口形貌為“剪切+解理”，剪切斷面率為52%，如圖5-4 所示。當試驗溫度為-50 ℃、-60 ℃時，斷口形貌為“解理+剪切”，但根據計算，其剪切斷面率為38%、36%，即進入脆性轉變區間，如圖5-5、圖5-6 所示。當試驗溫度下降到-80 ℃、-196 ℃時，其斷口形貌為“解理”，其剪切斷面率為19%、7%，屬于完全脆性區間，如圖5-7、圖5-8 所示。

圖5 不同溫度沖擊試樣宏觀斷口照片

從圖6 中可進一步看出，當試驗溫度為20 ℃、0 ℃時，斷口擴展形貌主要為小而多的韌窩狀塑性斷裂，如圖6-1、圖6-2 所示，表明此溫度范圍內的沖擊在試樣斷裂前會產生較大的塑性變形，屬于韌性斷裂；當試驗溫度為-20 ℃、-40 ℃時，斷口擴展形貌雖仍有韌窩存在，但其形態已經有明顯改變，韌窩小而淺，尺寸基本一致，沒有大的撕裂嶺和顯微孔洞[7]，如圖6-3、圖6-4 所示，表明此溫度范圍內的沖擊在試樣斷裂前仍產生了塑性變形，仍屬于韌性斷裂；當試驗溫度為-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃時，試樣為典型的解理斷裂，各“河流狀紋理”對應著各自不同高度的解理面臺階[8]，表明試樣斷裂前基本沒有發生塑性變形，屬于完全的脆性斷裂，如圖6-5—圖6-8 所示。試驗結果表明：國產高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 在低于-60 ℃時，沖擊功隨著試驗溫度的降低而急劇下降，由韌性斷裂轉為脆性斷裂。結合剪切斷面率面積的計算，剪切斷面率面積低于50%時的溫度為韌脆性轉變溫度，所以該高鐵齒輪鋼的韌脆轉變溫度為-50～-40 ℃。

圖6 不同溫度沖擊性能斷口形貌

2 結論

1）隨著沖擊溫度的降低，高鐵齒輪鋼的沖擊值越來越低，試樣斷口形貌由韌性斷裂逐漸轉變為脆性斷裂，在低于-40 ℃時，樣品沖擊斷口剪切面積減小，解理面積增大，經過計算，-40 ℃時斷口最小剪切面積為52%。

2）通過斷口形貌及斷口剪切面積的計算，高鐵齒輪經過“正火+淬火+回火”熱處理后，韌脆轉變溫度為-50～-40 ℃，說明該高鐵齒輪材料具有較為優良的低溫韌性，可適用于我國南北溫差大的苛刻環境。