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實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用鋼為2種重載車輪鋼，化學(xué)成分如表1。實(shí)驗(yàn)用鋼采用真空冶煉爐冶煉，澆鑄后將鋼錠鍛造成鋼坯，鍛造加熱溫度在1200～1300℃，鍛后空冷，在鍛態(tài)實(shí)驗(yàn)用鋼上截取Φ20mm的試樣棒進(jìn)行熱處理。車輪制造工藝為：壓軋后進(jìn)行踏面淬火，即870℃×2h加熱，實(shí)際淬火溫度約為840℃；然后踏面噴水230s，實(shí)際輪輞冷卻速度2～4℃/s；最后進(jìn)行510℃×5h回火。為了模擬該工藝，并考慮到實(shí)驗(yàn)用試樣的尺寸比實(shí)際工件小很多，本實(shí)驗(yàn)中對試樣采用850℃×0.5h正火+500℃×2h回火。

熱處理后將試樣切成厚度為1.3mm的圓片，用砂紙打磨后拋光。采用BrukerD8Advance進(jìn)行XRD測量，所用靶材為銅靶，測量步長為0.02°；用RIETEN-2000軟件[8]對XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行Rietveld分析。重新拋光，并用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精浸蝕后，分別采用Olympus金相顯微鏡和FEINANOSEM430掃描電鏡進(jìn)行組織觀察。最后，利用PhilipsTecnai12透射電鏡對材料組織進(jìn)行觀察，所用透射電鏡樣品均采用電解雙噴減薄的方法制成，電解液為8%(體積分?jǐn)?shù))高氯酸+92%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.顯微組織及其相對含量

圖1為2種實(shí)驗(yàn)用鋼的金相組織照片。由圖1可以看出：含碳量較高的1#試樣由珠光體P和少量的先共析鐵素體F先組成；適當(dāng)降低碳含量、提高硅含量(2#試樣)后，鋼的組織仍然是由珠光體和先共析鐵素體組成，但先共析鐵素體明顯增多。為了定量研究顯微組織的相對含量，對2種實(shí)驗(yàn)用鋼進(jìn)行XRD分析。對顯微組織相對含量的定量研究往往采用定量金相的方法，對于該材料，定量金相分析過程比較復(fù)雜而且耗時(shí)較長，因此采用對XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行Rietveld分析的方法[8]定量計(jì)算珠光體和鐵素體組織的相對含量。在Rietveld擬合的過程中，鐵素體(F)相和滲碳體(Fe3C)相的晶體結(jié)構(gòu)均采用已報(bào)道的結(jié)構(gòu)模型[9-10]。圖2為1#和2#試樣實(shí)測XRD譜與Rietveld擬合譜，由圖2可以看出，實(shí)測譜(數(shù)據(jù)點(diǎn))與擬合計(jì)算譜(實(shí)線)吻合很好。

本研究中通過采用XRD的Riteveld分析方法得到2種鋼的F和Fe3C相的含量，如表2。珠光體中F和Fe3C相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為88.5%和11.5%，可將表2中F和Fe3C相的含量折算成先共析鐵素體F先和珠光體P的相對含量，結(jié)果也列于表2中。如果忽略其它合金元素的影響，1#和2#試樣平衡組織(先共析鐵素體F先和珠光體P)相對含量的理論值可以近似地采用杠桿定理來計(jì)算。從表2可看出，1#和2#試樣中先共析鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%和14.8%，均低于各自質(zhì)量分?jǐn)?shù)的理論值7.8%和20.8%。主要原因是本實(shí)驗(yàn)采取的是正火工藝，奧氏體化后冷卻速度快于緩慢冷卻的退火冷卻速度(接衡狀態(tài))，在珠光體轉(zhuǎn)變之前來不及完全析出先共析鐵素體。比較1#和2#試樣中先共析鐵素體的相對含量可發(fā)現(xiàn)，重載車輪鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.71%降低到0.61%、同時(shí)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.35%提高到0.95%后，先共析鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5.2%增加到14.8%，從而達(dá)到改善韌性的同時(shí)通過Si彌補(bǔ)強(qiáng)度的目的。

2.珠光體特征

圖3為1#和2#試樣中珠光體組織的SEM照片。由圖3可以看出，2種鋼中的珠光體均為典型的層片狀組織，但2#試樣中珠光體的片層間距較大。由此可見，適量提高Si含量在某種程度上可以減小珠光體的片層間距，這與文獻(xiàn)[11]中的報(bào)道相吻合，但C含量的降低會(huì)明顯增大珠光體的片層間距。因此，從重載車輪鋼的力學(xué)性能要求出發(fā)，有必要對該鋼種進(jìn)一步合金化。

重載車輪鋼的顯微組織對車輪的使用性能和安全性有重要影響，因此必須抑制異常組織的出現(xiàn)。在原奧氏體晶界處，均勻分布著少量先共析鐵素體，可保證材料具有一定的韌性[3]，但珠光體團(tuán)界處的微觀組織不可忽視。圖4為1#和2#試樣的TEM照片,由圖4可以看出，2種鋼具有同樣的顯微組織特征，在珠光體團(tuán)界處沒有出現(xiàn)異常組織，仍然為珠光體組織，但與珠光體團(tuán)內(nèi)的層片狀組織相比存在不同之處：1)鐵素體含量相對較多、滲碳體的含量相對較少；2)滲碳體不再呈片狀，而是以顆粒狀不連續(xù)分布。關(guān)于珠光體團(tuán)界處這種顯微組織的形成機(jī)理和影響因素正在進(jìn)一步研究中。

結(jié)論

1)重載車輪鋼的顯微組織由珠光體和少量先共析鐵素體組成，當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.71%降低到0.61%、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.35%提高到0.95%時(shí)，先共析鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5.2%增加到14.8%。2)2種重載車輪鋼中的珠光體均為典型的層片狀組織，但適當(dāng)降低碳含量、增加硅含量會(huì)使珠光體的片層間距有所增大。與珠光體團(tuán)內(nèi)層片狀組織相比，珠光體團(tuán)界處的珠光體組織中鐵素體含量相對較多、滲碳體的含量較少，而且滲碳體不再呈片狀、而是以顆粒狀不連續(xù)分布。

本文作者：吳海龍 王飛飛 沈曉輝 陳剛 張慶安 單位：安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心