高速鐵路彈條的材料為60Si2Mn鋼。彈條是保證扣件系統安全運行的關鍵部件之一,在運行過程中受到周期性交變載荷的作用,容易發生斷裂[1]。鋼的潔凈度、偏析、脫碳、表面質量等因素都會影響彈條的服役。連鑄大方坯（方坯邊長大于200 mm）可明顯降低高碳鋼的偏析程度,因此通常采用連鑄大方坯生產高鐵彈條用60Si2Mn鋼[2]。隨著冶煉及連鑄技術的提高,連鑄小方坯生產的盤條品質也在逐漸改善。目前,針對連鑄大方坯和小方坯生產盤條品質差異的研究,從偏析角度的分析較多[3-4],從材料組織角度的分析較少。筆者從盤條的組織、性能等方面對兩種連鑄坯型生產的高鐵彈條用60Si2Mn鋼進行分析,為進一步提高高速彈條用鋼品質提供了新的思路和方法。 

1.   試驗材料及方法

試驗材料為商用60Si2Mn鋼盤條,直徑為14 mm,試樣1的連鑄坯型尺寸（長度×寬度,下同）為330 mm×330 mm,試樣2的連鑄坯型尺寸為150 mm×150 mm,試樣1,2的主要化學成分如表1所示。 

采用顯微硬度計沿直徑測試試樣的硬度,載荷為1.96 N,保載時間為10 s,間隔為1 mm。采用光學顯微鏡觀察1/4圓橫截面的顯微組織和全圓周的脫碳層深度。采用場發射掃描電鏡(SEM)配備電子背散射衍射(EBSD)分析縱截面和橫截面的晶粒取向分布。采用氧化法測量試樣的奧氏體晶粒度。熱處理工藝為：880 ℃保溫30 min,水淬,回火420 ℃,保溫100 min,空冷。采用洛氏硬度計測量試樣淬火、回火后的硬度。采用拉伸試驗機測試熱處理后試樣的力學性能。 

2.   試驗結果及分析

2.1   顯微組織及脫碳層深度測試

圖1,2分別為試樣1,2的顯微組織形貌。由圖1,2可知：60Si2Mn鋼盤條的顯微組織為珠光體+少量鐵素體,試樣1的珠光體尺寸較試樣2大。 

圖  1  試樣1的顯微組織形貌

圖  2  試樣2的顯微組織形貌

試樣1,2圓周的脫碳層深度分布如圖3所示。由圖3可知：在圓周方向上,脫碳層分布并不均勻,有一處脫碳層深度最深,這與連鑄坯在加熱爐放置位置及燃燒噴嘴布置位置有關；試樣1脫碳層的平均深度為76 μm,最深處為131 μm；試樣2脫碳層的平均深度為62 μm,最深處為91 μm。 

圖  3  試樣1,2圓周的脫碳層深度分布

2.2   硬度測試

試樣1,2的硬度測試結果如圖4所示。由圖4可知：除去邊部因脫碳造成的硬度軟點,縱截面的硬度分布較為均勻,波動小于30 HV；橫截面的硬度分布較不均勻,硬度波動較大,約為40 HV；盤條橫截面中心附近硬度偏低,1/4直徑處硬度較高,與連鑄坯凝固時形成的偏析分布特征相對應[5]；試樣1的整體硬度比試樣2低18 HV。 

圖  4  試樣1,2的硬度測試結果

2.3   晶粒取向分布

高碳鋼中的碳元素含量較高,珠光體片層較細,采用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,發現試樣晶粒的顏色較深,珠光體團較難識別。EBSD方法[6]認為晶粒取向差大于9°的晶界為珠光體團晶界。圖5為試樣1,2橫截面的晶粒取向分布,其中黑色線為晶粒取向差大于9°的晶界。由圖5可知：試樣1橫截面珠光體團尺寸（直徑,下同）為12.3 μm,試樣2珠光體團尺寸為9.9 μm；試樣1中方向為<101>的晶粒相對較多,試樣2中3種取向的晶粒分布均勻。 

圖  5  試樣1,2橫截面的晶粒取向分布

圖6為試樣1,2縱截面的晶粒取向分布。由圖6可知：試樣1縱截面珠光體團尺寸為11.5 μm,試樣2珠光體團尺寸為10.1 μm；試樣1中<001>取向的晶粒較多,<101>取向的晶粒較少；試樣2中3種取向的晶粒分布較均勻。大方坯軋制時累積的變形量較大,橫截面和縱截面在某一方向上的晶粒分布較多。線材軋制時,變形方向沿著軋制方向單向延展,變形溫度為900~1 100 ℃,晶粒的再結晶等軸化趨勢大,晶粒沿某一方向的擇優取向分布并不明顯。 

圖  6  試樣1,2縱截面的晶粒取向分布

圖7為試樣1,2的反極圖,試樣1織構強度最大為2.81,試樣2織構強度最大為1.62,織構并不明顯,從連鑄坯到盤條軋制的過程為熱變形過程,不易形成取向明顯的織構。 

圖  7  試樣1,2的反極圖

2.4   熱處理后的力學性能和顯微組織

試樣1,2熱處理后的微觀形貌如圖8所示,試樣1的奧氏體晶粒度為7.5級,試樣2的奧氏體晶粒度為8.5級。試樣1,2經過淬火、回火熱處理后的力學性能如表2所示。熱處理后試樣1,2的力學性能和顯微組織更接近。 

圖  8  試樣1,2熱處理后的微觀形貌

3.   綜合分析

采用兩種不同尺寸的連鑄坯生產盤條,其化學成分、熱處理后的組織和性能都較為接近,主要區別為晶粒大小。采用奧氏體晶粒度和EBSD方法表征珠光體團晶粒大小,結果均顯示大坯型生產盤條的晶粒尺寸大于小方坯生產盤條的晶粒尺寸。 

在各個工藝階段,大坯型生產盤條的晶粒尺寸都較大,從連鑄坯到盤條,組織變化階段包括凝固組織、軋制時的初始組織、最終盤條組織。根據凝固理論,連鑄坯的厚度也是方坯的邊長,邊長、凝固綜合系數、拉速、液相穴長度遵循平方根規律[7]。凝固組織按照非均質形核[8],該過程與過冷度和凝固溫度有關。連鑄坯尺寸大,其過冷度和冷卻速率都較小,獲得的凝固組織尺寸也較大,由于組織的遺傳性,對應軋制時的初始晶粒尺寸也較大。 

在線材軋制過程中,根據再結晶理論,晶粒長大由動態再結晶和亞動態再結晶共同決定,晶粒尺寸與原始晶粒尺寸、變形溫度、道次間變形量有關。線材軋制為孔型軋制,變形溫度和道次變形量都較為固定,初始晶粒尺寸對最終晶粒尺寸影響最大。采用大方坯鑄坯獲得的初始晶粒尺寸較大,獲得的最終晶粒尺寸也較大。 

晶粒細化既可以提高材料的強度,又可以改善材料的韌性。由于小方坯的晶粒細小,用小方坯生產的盤條具有更優異的力學性能；經過工業實踐驗證,大方坯生產盤條的內部品質較好,可見兩種坯型生產的盤條各有特點。生產盤條時,根據材料的服役條件選擇連鑄坯型,在強調材料的強度和韌性時,選擇小方坯生產盤條；在強調盤條的內部品質時,選擇大坯型生產盤條。 

使用大坯型生產盤條時,需保證盤條的內部品質和晶粒細化。選取連鑄大方坯和小方坯生產盤條,大方坯的總變形量大于小方坯。在線材軋制時,總變形量分配到各道次,奧氏體晶粒的細化主要在粗軋階段,當實際應變大于等效應變時,才能起到晶粒細化的作用,可以通過增加粗軋階段變形量的方式細化晶粒[9],也可以采用優化連鑄工藝參數的方式,如優化電磁攪拌、過熱度、拉速及二冷水等參數,進一步細化凝固組織,獲得更細化的凝固組織,減小初始晶粒度,從而實現利用大方坯生產盤條既有好的內部品質,晶粒也得到細化。 

4.   結論

（1）將連鑄大方坯與小方坯生產的高鐵彈條60Si2Mn鋼熱處理后,其力學性能和組織差異較小,880 ℃淬火、420 ℃回火后,盤條硬度約為48 HRC。 

（2）采用連鑄大方坯與小方坯生產的高鐵彈條60Si2Mn鋼晶粒大小存在一定差異,采用大方坯生產的盤條奧氏體晶粒度為7.5級,珠光體團尺寸為11~12 μm,采用小方坯生產的盤條奧氏體晶粒度為8.5級,珠光體團尺寸為9~10 μm。 

（3） 根據材料的服役條件選擇合適的連鑄坯型,在更強調材料的強度和韌性時,選擇小方坯生產；在更強調材料的內部品質時,選擇大方坯生產。 

（4）如要兼顧大方坯生產盤條的內部品質和晶粒的細化,可采用增加粗軋階段的變形量和優化連鑄工藝參數的方法,使大方坯晶粒進一步細化,得到綜合性能更好的盤條。

文章來源——材料與測試網