高錳鋼轍叉淬火冷卻過程模擬及淬火設備優化

柳亞楠，劉洪武，李學通

1.中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066205

2.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066004

1 序言

目前，我國鐵路轍叉使用的材料主要為高錳鋼，由于高錳鋼特有的加工硬化性能，可以使其表面在輪軌載荷下迅速硬化，使表面硬度急劇升高，從而提高其耐磨性，但心部卻能保持良好的韌性，所以高錳鋼材料非常適合用于鐵路轍叉。我國鐵路轍叉用高錳鋼的化學成分，一般為wC＝1.0%～1.3%、wMn＝12.0%～14.0%，由于其奧氏體穩定化元素Mn含量較高，所以可擴大奧氏體相區。高錳鋼在高溫時為單相奧氏體，經水淬后，奧氏體組織可以保持到室溫，處理后高錳鋼的強度、塑性和韌性均有較大幅度的提高，此種熱處理方法也被稱為水韌處理。

為了減少碳化物的析出，必須從奧氏體化溫度快速冷卻，現有工藝為在熱處理爐中對轍叉進行加熱，保溫完成后采用叉車將轍叉從熱處理爐轉運到淬火水池處，將轍叉浸入水池進行水韌處理。但冷卻水遇高溫工件時，會在工件表面形成一層過熱的蒸汽膜，不能形成對流，因此在此階段主要靠輻射散熱，水的冷卻能力大幅下降[1]，使高錳鋼的冷卻時間變長，因此常規冷卻方法效果較差，容易在高錳鋼內部析出超標碳化物，如圖1所示。

圖1 超標碳化物析出

為了提升高錳鋼的冷卻能力，減少高錳鋼的碳化物析出，對高錳鋼冷卻過程進行熱模擬試驗及有限元數值模擬，分析其冷卻過程中顯微組織及溫度變化情況，從而根據分析結果，指導淬火冷卻設備的改造，提出適合的改進措施。

2 淬火冷卻過程熱模擬試驗

采用Gleeble-3500熱模擬試驗機，模擬實際入水時不同冷卻條件下的生產過程，研究冷卻速度對試驗鋼顯微組織的影響。將試樣以10℃/s的加熱速率從室溫加熱到1200℃，并保溫15min，再以5℃/s的速率冷卻到1050℃，均溫10s，模擬轍叉保溫及出爐后的溫降過程。最后以0.5℃/s、1℃/s、3℃/s、5℃/s、10℃/s的冷卻速度冷卻至200℃，來模擬不同冷卻速度下的固溶處理過程。

圖2所示為高錳鋼在不同冷卻速度下的顯微組織。從圖2可看出，不同冷卻速度下高錳鋼顯微組織主要由奧氏體和碳化物組成，奧氏體晶粒隨冷卻速度的提高逐漸細化，不同冷卻速度下高錳鋼均有碳化物析出，但析出的量有明顯差別。在冷卻速度為0.5℃/s時，晶界上碳化物析出明顯，形態為條狀并沿晶界呈網狀分布；在冷卻速度為1℃/s時，與冷卻速度0.5℃/s時相似，碳化物形態為細條狀并沿晶界呈網狀分布，但碳化物數量比冷卻速度0.5℃/s時有所減少；隨著冷卻速度提高到3℃/s時，析出碳化物的數量進一步減少，碳化物形態為細條狀及顆粒狀，沿晶界呈斷續網狀分布；當冷卻速度提高到5℃/s時，晶界上碳化物數量明顯減少，同時分布狀態由斷續網狀轉變為點狀及短線狀沿晶界分布；當冷卻速度提高到10℃/s時，碳化物析出極少，以點狀沿晶界分布，且晶粒較細。

圖2 不同冷卻速度下高錳鋼顯微組織

根據GB/T 13925—2010《鑄造高錳鋼金相》對析出碳化物進行評級，不同冷速下高錳鋼析出碳化物級別見表1。從表1可看出，高錳鋼組織內部的析出碳化物數量隨冷卻速度的增大而呈現逐漸減少的趨勢，主要是由于碳的擴散量不同。在冷卻速度較小時，樣品在高溫區停留的時間較長，碳原子的擴散時間與擴散距離增加，碳原子可以充分擴散最終在晶界上偏聚，形成較多的析出碳化物；在冷卻速度較大時，樣品在高溫區停留時間較短，使碳原子來不及擴散，并快速降至低溫區，此時碳原子的擴散動力減弱，最終在晶界上形成少量的析出碳化物[2]。

表1 不同冷速下高錳鋼析出碳化物級別

3 淬火冷卻過程有限元模擬

3.1 前處理過程

以高錳鋼轍叉趾跟端75kg/m軌形為研究對象，探討高錳鋼淬火冷卻過程溫度場變化情況，高錳鋼冷卻前的初始溫度為1050℃，環境溫度為25℃。

采用ANSYS有限元模擬軟件，對高錳鋼冷卻過程進行模擬，有限元模型采用Thermal Solid、Quad 4node55單元，采用國際單位制“m”進行建模。選用四邊形網格對模型進行網格劃分，有限元模型如圖3所示。

圖3 高錳鋼有限元模型

模擬所需參數，如材料的彈性模量、泊松比、密度、熱導率和比熱容通過試驗獲得。彈性模量為202GPa，泊松比為0.28，密度為7830kg/m3，熱導率及比熱容如圖4所示，采用反傳熱法計算水的換熱系數[3]，水的換熱系數如圖5所示。

圖4 高錳鋼的熱導率和比熱容

圖5 水的換熱系數

工件初始溫度為1050℃、環境溫度為25℃，對高錳鋼模型外表面施加對流換熱載荷，分析類型設置為瞬態分析，設置時間步長為1s，最小增量步長設為0.1s，設置求解時間為200s，開始求解。

3.2 結果與分析

圖6所示為高錳鋼冷卻170s時斷面溫度分布情況。在冷卻水自然對流換熱條件下，高錳鋼心部最高溫度為512℃，冷卻速度為3.17℃/s。結合有限元模擬和熱模擬結果可知，高錳鋼在冷卻水中自然對流換熱時，心部可能會析出級別為X3級的碳化物，TB/T 447—2020《高錳鋼轍叉》要求析出碳化物不大于X3級[4]，處于剛好合格的水平。但在實際生產過程中可能會存在水溫上升或轉運時間延長等情況，冷卻條件會變差，使冷卻速度降低，高錳鋼心部可能會出現X4級的碳化物，因此現有工藝的裕量不大。

圖6 高錳鋼在水中自然冷卻模擬結果

為了減少高錳鋼冷卻過程中碳化物的析出，擬改進淬火冷卻設備，采用高速循環水冷卻，提高冷卻能力。在改進設備之前，首先進行有限元模擬，模擬高錳鋼在改進設備條件后的冷卻過程，以確保設備的冷卻效果。采用反傳熱法計算高速循環水的換熱系數，如圖7所示。采用計算的高速循環水換熱系數，對高錳鋼冷卻過程進行模擬，計算高錳鋼在高速循環水冷卻時的溫度場變化。

圖7 高速循環水的換熱系數

圖8所示為高錳鋼在高速循環水下的冷卻模擬結果。根據高錳鋼冷卻170s時斷面溫度分布可看出，心部最高溫度為171℃，心部冷卻速度為5.2℃/s。結合有限元模擬和熱模擬結果，預測高錳鋼心部析出碳化物級別為X2級，可以滿足TB/T 447—2020要求，并且有一定的工藝裕量。

圖8 高錳鋼在高速循環水中冷卻模擬結果

4 設備優化及結果

根據模擬結果，對冷卻設備進行改造升級，改進為高速循環水冷卻設備，對高錳鋼進行冷卻。設備采用循環水作為冷卻水，冷卻水儲存在水面面積較大的集水池中，以保證冷卻水在長時間工作時仍能處于較低的溫度。轍叉從出爐到入水過程采用傳動輥方式轉運，使轍叉在短時間內入水冷卻。轍叉在高速循環水作用下降低到較低溫度后，通過傳動輥傳送到水池中繼續冷卻，避免占用高速循環水區設備，提高生產效率。

采用改進高速循環水設備后，高速循環水沖擊工件表面時，破壞工件表面蒸汽膜，達到強制冷卻，使高溫階段的輻射散熱變為對流散熱，大大提高了工件與水之間的換熱系數，提高了高錳鋼心部的冷卻速度，使碳化物來不及析出。

圖9所示為改進冷卻設備后高錳鋼心部的顯微組織。從圖9可看出，高錳鋼心部的析出碳化物數量減少，析出碳化物評級由改進前的X3級提高到X2級。改進后，高錳鋼的冷卻速度得到提高，冷卻時間縮短，高錳鋼晶粒長大得到抑制，晶粒度由改進前的2級提高到3級，細化晶粒不僅能提高強度，還能提高韌性。

圖9 改進設備后高錳鋼顯微組織

設備改進前后高錳鋼水韌處理后的力學性能見表2。從表2可看出，改進冷卻設備后，高錳鋼的抗拉強度、斷后伸長率和沖擊吸收能量得到明顯提升。

表2 改進設備前后高錳鋼的力學性能

5 結束語

針對高錳鋼轍叉導熱性差的特點，改進了其淬火冷卻設備，結果表明，采用改進的高速循環水淬火冷卻設備后，提高了高錳鋼入水后的冷卻速度，尤其是心部冷卻速度得到提高，高錳鋼心部碳化物析出數量明顯減少，力學性能得到提升，從而提高了高錳鋼轍叉的產品質量。