分享：两种坯型生产的高铁弹条用60Si2Mn钢盘条显微组织和性能

高速铁路弹条的材料为60Si2Mn钢。弹条是保证扣件系统安全运行的关键部件之一,在运行过程中受到周期性交变载荷的作用,容易发生断裂[1]。钢的洁净度、偏析、脱碳、表面质量等因素都会影响弹条的服役。连铸大方坯（方坯边长大于200 mm）可明显降低高碳钢的偏析程度,因此通常采用连铸大方坯生产高铁弹条用60Si2Mn钢[2]。随着冶炼及连铸技术的提高,连铸小方坯生产的盘条品质也在逐渐改善。目前,针对连铸大方坯和小方坯生产盘条品质差异的研究,从偏析角度的分析较多[3-4],从材料组织角度的分析较少。笔者从盘条的组织、性能等方面对两种连铸坯型生产的高铁弹条用60Si2Mn钢进行分析,为进一步提高高速弹条用钢品质提供了新的思路和方法。 

1.   试验材料及方法

试验材料为商用60Si2Mn钢盘条,直径为14 mm,试样1的连铸坯型尺寸（长度×宽度,下同）为330 mm×330 mm,试样2的连铸坯型尺寸为150 mm×150 mm,试样1,2的主要化学成分如表1所示。 

采用显微硬度计沿直径测试试样的硬度,载荷为1.96 N,保载时间为10 s,间隔为1 mm。采用光学显微镜观察1/4圆横截面的显微组织和全圆周的脱碳层深度。采用场发射扫描电镜(SEM)配备电子背散射衍射(EBSD)分析纵截面和横截面的晶粒取向分布。采用氧化法测量试样的奥氏体晶粒度。热处理工艺为：880 ℃保温30 min,水淬,回火420 ℃,保温100 min,空冷。采用洛氏硬度计测量试样淬火、回火后的硬度。采用拉伸试验机测试热处理后试样的力学性能。 

2.   试验结果及分析

2.1   显微组织及脱碳层深度测试

图1,2分别为试样1,2的显微组织形貌。由图1,2可知：60Si2Mn钢盘条的显微组织为珠光体+少量铁素体,试样1的珠光体尺寸较试样2大。 

图  1  试样1的显微组织形貌

图  2  试样2的显微组织形貌

试样1,2圆周的脱碳层深度分布如图3所示。由图3可知：在圆周方向上,脱碳层分布并不均匀,有一处脱碳层深度最深,这与连铸坯在加热炉放置位置及燃烧喷嘴布置位置有关；试样1脱碳层的平均深度为76 μm,最深处为131 μm；试样2脱碳层的平均深度为62 μm,最深处为91 μm。 

图  3  试样1,2圆周的脱碳层深度分布

2.2   硬度测试

试样1,2的硬度测试结果如图4所示。由图4可知：除去边部因脱碳造成的硬度软点,纵截面的硬度分布较为均匀,波动小于30 HV；横截面的硬度分布较不均匀,硬度波动较大,约为40 HV；盘条横截面中心附近硬度偏低,1/4直径处硬度较高,与连铸坯凝固时形成的偏析分布特征相对应[5]；试样1的整体硬度比试样2低18 HV。 

图  4  试样1,2的硬度测试结果

2.3   晶粒取向分布

高碳钢中的碳元素含量较高,珠光体片层较细,采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样,发现试样晶粒的颜色较深,珠光体团较难识别。EBSD方法[6]认为晶粒取向差大于9°的晶界为珠光体团晶界。图5为试样1,2横截面的晶粒取向分布,其中黑色线为晶粒取向差大于9°的晶界。由图5可知：试样1横截面珠光体团尺寸（直径,下同）为12.3 μm,试样2珠光体团尺寸为9.9 μm；试样1中方向为<101>的晶粒相对较多,试样2中3种取向的晶粒分布均匀。 

图  5  试样1,2横截面的晶粒取向分布

图6为试样1,2纵截面的晶粒取向分布。由图6可知：试样1纵截面珠光体团尺寸为11.5 μm,试样2珠光体团尺寸为10.1 μm；试样1中<001>取向的晶粒较多,<101>取向的晶粒较少；试样2中3种取向的晶粒分布较均匀。大方坯轧制时累积的变形量较大,横截面和纵截面在某一方向上的晶粒分布较多。线材轧制时,变形方向沿着轧制方向单向延展,变形温度为900~1 100 ℃,晶粒的再结晶等轴化趋势大,晶粒沿某一方向的择优取向分布并不明显。 

图  6  试样1,2纵截面的晶粒取向分布

图7为试样1,2的反极图,试样1织构强度最大为2.81,试样2织构强度最大为1.62,织构并不明显,从连铸坯到盘条轧制的过程为热变形过程,不易形成取向明显的织构。 

图  7  试样1,2的反极图

2.4   热处理后的力学性能和显微组织

试样1,2热处理后的微观形貌如图8所示,试样1的奥氏体晶粒度为7.5级,试样2的奥氏体晶粒度为8.5级。试样1,2经过淬火、回火热处理后的力学性能如表2所示。热处理后试样1,2的力学性能和显微组织更接近。 

图  8  试样1,2热处理后的微观形貌

3.   综合分析

采用两种不同尺寸的连铸坯生产盘条,其化学成分、热处理后的组织和性能都较为接近,主要区别为晶粒大小。采用奥氏体晶粒度和EBSD方法表征珠光体团晶粒大小,结果均显示大坯型生产盘条的晶粒尺寸大于小方坯生产盘条的晶粒尺寸。 

在各个工艺阶段,大坯型生产盘条的晶粒尺寸都较大,从连铸坯到盘条,组织变化阶段包括凝固组织、轧制时的初始组织、最终盘条组织。根据凝固理论,连铸坯的厚度也是方坯的边长,边长、凝固综合系数、拉速、液相穴长度遵循平方根规律[7]。凝固组织按照非均质形核[8],该过程与过冷度和凝固温度有关。连铸坯尺寸大,其过冷度和冷却速率都较小,获得的凝固组织尺寸也较大,由于组织的遗传性,对应轧制时的初始晶粒尺寸也较大。 

在线材轧制过程中,根据再结晶理论,晶粒长大由动态再结晶和亚动态再结晶共同决定,晶粒尺寸与原始晶粒尺寸、变形温度、道次间变形量有关。线材轧制为孔型轧制,变形温度和道次变形量都较为固定,初始晶粒尺寸对最终晶粒尺寸影响最大。采用大方坯铸坯获得的初始晶粒尺寸较大,获得的最终晶粒尺寸也较大。 

晶粒细化既可以提高材料的强度,又可以改善材料的韧性。由于小方坯的晶粒细小,用小方坯生产的盘条具有更优异的力学性能；经过工业实践验证,大方坯生产盘条的内部品质较好,可见两种坯型生产的盘条各有特点。生产盘条时,根据材料的服役条件选择连铸坯型,在强调材料的强度和韧性时,选择小方坯生产盘条；在强调盘条的内部品质时,选择大坯型生产盘条。 

使用大坯型生产盘条时,需保证盘条的内部品质和晶粒细化。选取连铸大方坯和小方坯生产盘条,大方坯的总变形量大于小方坯。在线材轧制时,总变形量分配到各道次,奥氏体晶粒的细化主要在粗轧阶段,当实际应变大于等效应变时,才能起到晶粒细化的作用,可以通过增加粗轧阶段变形量的方式细化晶粒[9],也可以采用优化连铸工艺参数的方式,如优化电磁搅拌、过热度、拉速及二冷水等参数,进一步细化凝固组织,获得更细化的凝固组织,减小初始晶粒度,从而实现利用大方坯生产盘条既有好的内部品质,晶粒也得到细化。 

4.   结论

（1）将连铸大方坯与小方坯生产的高铁弹条60Si2Mn钢热处理后,其力学性能和组织差异较小,880 ℃淬火、420 ℃回火后,盘条硬度约为48 HRC。 

（2）采用连铸大方坯与小方坯生产的高铁弹条60Si2Mn钢晶粒大小存在一定差异,采用大方坯生产的盘条奥氏体晶粒度为7.5级,珠光体团尺寸为11~12 μm,采用小方坯生产的盘条奥氏体晶粒度为8.5级,珠光体团尺寸为9~10 μm。 

（3） 根据材料的服役条件选择合适的连铸坯型,在更强调材料的强度和韧性时,选择小方坯生产；在更强调材料的内部品质时,选择大方坯生产。 

（4）如要兼顾大方坯生产盘条的内部品质和晶粒的细化,可采用增加粗轧阶段的变形量和优化连铸工艺参数的方法,使大方坯晶粒进一步细化,得到综合性能更好的盘条。

文章来源——材料与测试网