R350HT鋼軌鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

王瑞敏， 劉 曼， 周劍華， 張 琪， 蘇 雪， 徐 光

(1. 武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金與資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430081；3. 寶鋼股份中央研究院 武漢分院， 湖北 武漢 430080)

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(Continuous cooling transformation, CCT)曲線反映了材料在不同冷卻速度下的相變區(qū)間、相變類型、硬度及組織變化，是制定材料熱處理和熱加工工藝參數(shù)的基本依據(jù)。總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，各種金屬材料CCT曲線已有大量研究并廣泛報(bào)道[1-6]。例如，F(xiàn)alkenreck等[1]研究了Fe-0.13C-0.27Si-0.92Mn-0.62Cr-0.6Mo-1.92Ni-0.006V鋼(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律；張鵬飛等[2]測定了40Cr、42Cr和45Cr等鋼種的連續(xù)冷卻曲線；Hu等[3]通過設(shè)置10種不同的冷速，繪制了0.18C-0.35Si-1.6Mn貝氏體鋼的CCT曲線；Wang等[4]分析了12Cr2Mo1R壓力容器鋼的連續(xù)冷卻相變行為；但關(guān)于R350HT鋼軌鋼CCT曲線的研究還很少。

R350HT鋼為歐標(biāo)熱處理軌鋼，因其良好的耐磨性、抗沖擊性等優(yōu)良綜合性能，降低了鐵路換軌頻次，縮短了換軌時(shí)間，可以提高鐵路運(yùn)量，節(jié)約成本。該鋼種的CCT曲線是產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)，本文通過熱模擬試驗(yàn)，研究了R350HT軌鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律，分析并測試了0.5～50 ℃/s不同冷卻條件下的室溫組織和維氏硬度，并繪制了R350HT軌鋼的靜態(tài)CCT曲線，為優(yōu)化該產(chǎn)品的冷卻工藝制度提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)用R350HT軌鋼化學(xué)成分為Fe-0.70C-0.62Si-1.30Mn-0.23Cr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。試驗(yàn)鋼首先在真空感應(yīng)爐中冶煉，隨后澆鑄成50 kg鋼錠，然后在四輥軋機(jī)上進(jìn)行多道次軋制，最終軋制成12 mm厚的鋼板。將鋼板加工成φ6 mm×100 mm的圓柱，在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行CCT試驗(yàn)，試驗(yàn)前將試樣頂部和底部表面進(jìn)行拋光以保持測量表面水平。采用JMatPro 7.0材料性能模擬軟件計(jì)算試驗(yàn)鋼的馬氏體開始相變溫度(Ms)為204.6 ℃。CCT試驗(yàn)工藝為，將試樣加熱至900 ℃保溫10 min進(jìn)行奧氏體化，然后分別以0.5、1、1.5、2、2.5、3、5、10、20、30和50 ℃/s冷卻速度冷卻至200 ℃，記錄試驗(yàn)全程的溫度-時(shí)間-膨脹量等數(shù)據(jù)。

對(duì)熱模擬試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行機(jī)械加工、鑲嵌、機(jī)械拋光以及4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕。組織觀察和硬度測試分別在Zeiss光學(xué)顯微鏡和HV-1000維氏顯微硬度計(jì)(載荷10 kg)上進(jìn)行，取3次硬度試驗(yàn)的平均值作為最終測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同冷卻速率下連續(xù)冷卻曲線

圖1為試樣在0.5～50 ℃/s冷卻速率下的膨脹量-溫度曲線。在連續(xù)冷卻過程中，膨脹曲線在某一溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)，這是因?yàn)槊嫘牧⒎骄w的奧氏體相發(fā)生相變生成體心立方晶體相，由于上述兩種晶體的致密度不同，使得試樣在發(fā)生相變時(shí)引起試樣體積變化，因此，連續(xù)冷卻引起膨脹量隨溫度線性下降的曲線在發(fā)生相變時(shí)出現(xiàn)了膨脹量增加的情形。如圖1所示，采用切線法確定膨脹量-溫度曲線中膨脹量發(fā)生變化的溫度，即確定連續(xù)冷卻過程中試驗(yàn)鋼的相變開始和結(jié)束溫度。結(jié)果表明，當(dāng)冷卻速度為20、30和50 ℃/s時(shí)，膨脹量隨溫度降低呈現(xiàn)線性下降的趨勢，即連續(xù)冷卻過程中沒有高溫相變和中溫相變發(fā)生，這表明試樣只發(fā)生馬氏體相變的臨界冷卻速度是20 ℃/s。此外，不同冷速下試樣冷卻到200 ℃的過程中，膨脹曲線沒有明顯的馬氏體相變拐點(diǎn)，這意味著Ms應(yīng)這個(gè)溫度，與計(jì)算結(jié)果基本一致。如果冷卻速度較大，Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)冷卻到200 ℃左右后，溫度測量誤差較大，不能繼續(xù)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度控制。

2.2 組織觀察和硬度測試

圖1 試驗(yàn)鋼在不同冷速下的膨脹量-溫度曲線Fig.1 Dilatation-temperature curves of the tested steel at different cooling rates(a) 0.5 ℃/s; (b)1 ℃/s; (c) 1.5 ℃/s; (d) 2 ℃/s; (e) 2.5 ℃/s; (f) 3 ℃/s; (g) 5 ℃/s; (h) 10 ℃/s; (i) 20 ℃/s; (j) 30 ℃/s; (k) 50 ℃/s

圖2為0.5～50 ℃/s不同冷速下試樣的顯微組織。由圖2可以看出，冷卻速率在0.5～2.5 ℃/s之間時(shí)，以珠光體相變?yōu)橹鳎猩倭胯F素體形成。只有相變膨脹量達(dá)到熱模擬試驗(yàn)機(jī)的靈敏度臨界值時(shí)，才能反映在膨脹曲線上，由于鐵素體量極少，在膨脹曲線上反映不出來。當(dāng)冷卻速度為3 ℃/s時(shí)，組織為珠光體和少量馬氏體，這意味著馬氏體相在3 ℃/s冷卻時(shí)開始出現(xiàn)，且冷卻速度持續(xù)增加至10 ℃/s，組織中馬氏體相增多。由于R350HT軌鋼為珠光體組織，不允許有馬氏體相，因此其冷卻速度應(yīng)小于3 ℃/s。由于上面提到的溫度控制原因和較低的馬氏體相變開始溫度，在膨脹曲線上很難測得馬氏體相變區(qū)間的拐點(diǎn)；隨著冷卻速率增加至20 ℃/s，組織基本上由馬氏體組成；當(dāng)冷速為30 ℃/s和50 ℃/s時(shí)，只發(fā)生了馬氏體相變，與膨脹曲線結(jié)果相符。試驗(yàn)鋼在不同冷卻速率下的相變開始和結(jié)束溫度及相變類型可根據(jù)顯微組織和膨脹曲線確定，如表1 所示。

圖2 不同冷卻速率下試驗(yàn)鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of the tested steel at different cooling rates(a) 0.5 ℃/s; (b) 1 ℃/s; (c) 1.5 ℃/s; (d) 2 ℃/s; (e) 2.5 ℃/s; (f) 3 ℃/s; (g) 5 ℃/s; (h) 10 ℃/s; (i) 20 ℃/s; (j) 30 ℃/s; (k) 50 ℃/s

表1 不同冷卻速率下試樣相變點(diǎn)、相變組織類型及硬度

不同冷速下試驗(yàn)鋼的維氏硬度列于表1。由表1可以看出，在10 ℃/s以下冷速時(shí)，由于組織以珠光體為主，試驗(yàn)鋼的維氏硬度較低，在320～380 HV10范圍內(nèi)；冷速為10 ℃/s，維氏硬度提高至655 HV10，這歸因于形成了大量馬氏體硬相；冷速在20 ℃/s及以上時(shí)，維氏硬度均大于700 HV10，這是因?yàn)樵摾渌傧聝H有馬氏體硬相。因此，試驗(yàn)鋼的馬氏體臨界冷卻速度為20 ℃/s。

2.3 CCT曲線繪制

在不同冷卻曲線上，確定珠光體相變開始和結(jié)束溫度，用光滑的曲線將相變開始溫度和結(jié)束溫度分別連接，在相變區(qū)域標(biāo)注組織類型，在冷卻曲線上標(biāo)明相應(yīng)硬度，即得到試驗(yàn)鋼的CCT曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，冷卻速率在0.5～10 ℃/s之間時(shí)，F(xiàn)s隨冷速增加呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢，這是因?yàn)槔鋮s速率大，高溫區(qū)停留時(shí)間短，珠光體轉(zhuǎn)變來不及發(fā)生，因此降低Fs提供較大的過冷度，以確保珠光體相變的發(fā)生；當(dāng)冷速在20～50 ℃/s之間時(shí)，僅形成馬氏體。由上述膨脹量結(jié)果可知，在試驗(yàn)中沒有實(shí)測到Ms，因此，在CCT曲線中采用軟件計(jì)算的204.6 ℃作為Ms。根據(jù)試驗(yàn)鋼在0.5～50 ℃/s下的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律，可以為歐標(biāo)R350HT鋼軌鋼合理的熱處理工藝制定及生產(chǎn)提供理論支持。

圖3 試驗(yàn)鋼的CCT曲線Fig.3 CCT curves of the tested steel

3 結(jié)論

采用熱模擬試驗(yàn)、顯微組織檢驗(yàn)與維氏硬度測試相結(jié)合的方法，繪制了歐標(biāo)R350HT鋼軌鋼的CCT曲線。結(jié)果顯示：

1)冷卻速率為0.5～2.5 ℃/s時(shí)，以珠光體相變?yōu)橹鳎猩倭肯裙参鲨F素體。冷卻速率設(shè)置為3 ℃/s時(shí)，有珠光體和少量馬氏體組成，即馬氏體相在3 ℃/s冷卻時(shí)開始出現(xiàn)，且隨著冷卻速率持續(xù)增加至10 ℃/s，F(xiàn)s降低，馬氏體增多。Fs降低是因?yàn)槔鋮s速率增大導(dǎo)致試樣在高溫區(qū)停留時(shí)間縮短，以至于珠光體轉(zhuǎn)變來不及發(fā)生。因此降低開始轉(zhuǎn)變溫度提供較大的過冷度，以確保珠光體相變的發(fā)生。隨著冷卻速率增加至20 ℃/s時(shí)，組織基本上為馬氏體。當(dāng)冷卻速率大于20 ℃/s，組織只有馬氏體相。因此，馬氏體臨界冷卻速度為20 ℃/s。

2) 由于R350HT鋼軌鋼為珠光體組織，不允許發(fā)生馬氏體相變，因此其冷卻速率應(yīng)設(shè)定小于3 ℃/s。