高速鐵路彈條的材料為60Si2Mn鋼。彈條是保證扣件系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一,在運(yùn)行過(guò)程中受到周期性交變載荷的作用,容易發(fā)生斷裂[1]。鋼的潔凈度、偏析、脫碳、表面質(zhì)量等因素都會(huì)影響彈條的服役。連鑄大方坯（方坯邊長(zhǎng)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(chǎn)高鐵彈條用60Si2Mn鋼[2]。隨著冶煉及連鑄技術(shù)的提高,連鑄小方坯生產(chǎn)的盤(pán)條品質(zhì)也在逐漸改善。目前,針對(duì)連鑄大方坯和小方坯生產(chǎn)盤(pán)條品質(zhì)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(pán)條的組織、性能等方面對(duì)兩種連鑄坯型生產(chǎn)的高鐵彈條用60Si2Mn鋼進(jìn)行分析,為進(jìn)一步提高高速?gòu)棗l用鋼品質(zhì)提供了新的思路和方法。 

1.   試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為商用60Si2Mn鋼盤(pán)條,直徑為14 mm,試樣1的連鑄坯型尺寸（長(zhǎng)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(xué)成分如表1所示。 

采用顯微硬度計(jì)沿直徑測(cè)試試樣的硬度,載荷為1.96 N,保載時(shí)間為10 s,間隔為1 mm。采用光學(xué)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(chǎng)發(fā)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(cè)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(jì)測(cè)量試樣淬火、回火后的硬度。采用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試熱處理后試樣的力學(xué)性能。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   顯微組織及脫碳層深度測(cè)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(pán)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(guān)；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(cè)試

試樣1,2的硬度測(cè)試結(jié)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(diǎn),縱截面的硬度分布較為均勻,波動(dòng)小于30 HV；橫截面的硬度分布較不均勻,硬度波動(dòng)較大,約為40 HV；盤(pán)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(shí)形成的偏析分布特征相對(duì)應(yīng)[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(cè)試結(jié)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(xì),采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,發(fā)現(xiàn)試樣晶粒的顏色較深,珠光體團(tuán)較難識(shí)別。EBSD方法[6]認(rèn)為晶粒取向差大于9°的晶界為珠光體團(tuán)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(tuán)尺寸（直徑,下同）為12.3 μm,試樣2珠光體團(tuán)尺寸為9.9 μm；試樣1中方向?yàn)?lt;101>的晶粒相對(duì)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(tuán)尺寸為11.5 μm,試樣2珠光體團(tuán)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(shí)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(shí),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(jié)晶等軸化趨勢(shì)大,晶粒沿某一方向的擇優(yōu)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(gòu)強(qiáng)度最大為2.81,試樣2織構(gòu)強(qiáng)度最大為1.62,織構(gòu)并不明顯,從連鑄坯到盤(pán)條軋制的過(guò)程為熱變形過(guò)程,不易形成取向明顯的織構(gòu)。 

圖  7  試樣1,2的反極圖

2.4   熱處理后的力學(xué)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(jí),試樣2的奧氏體晶粒度為8.5級(jí)。試樣1,2經(jīng)過(guò)淬火、回火熱處理后的力學(xué)性能如表2所示。熱處理后試樣1,2的力學(xué)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(chǎn)盤(pán)條,其化學(xué)成分、熱處理后的組織和性能都較為接近,主要區(qū)別為晶粒大小。采用奧氏體晶粒度和EBSD方法表征珠光體團(tuán)晶粒大小,結(jié)果均顯示大坯型生產(chǎn)盤(pán)條的晶粒尺寸大于小方坯生產(chǎn)盤(pán)條的晶粒尺寸。 

在各個(gè)工藝階段,大坯型生產(chǎn)盤(pán)條的晶粒尺寸都較大,從連鑄坯到盤(pán)條,組織變化階段包括凝固組織、軋制時(shí)的初始組織、最終盤(pán)條組織。根據(jù)凝固理論,連鑄坯的厚度也是方坯的邊長(zhǎng),邊長(zhǎng)、凝固綜合系數(shù)、拉速、液相穴長(zhǎng)度遵循平方根規(guī)律[7]。凝固組織按照非均質(zhì)形核[8],該過(guò)程與過(guò)冷度和凝固溫度有關(guān)。連鑄坯尺寸大,其過(guò)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(duì)應(yīng)軋制時(shí)的初始晶粒尺寸也較大。 

在線材軋制過(guò)程中,根據(jù)再結(jié)晶理論,晶粒長(zhǎng)大由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)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(guān)。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(duì)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(xì)化既可以提高材料的強(qiáng)度,又可以改善材料的韌性。由于小方坯的晶粒細(xì)小,用小方坯生產(chǎn)的盤(pán)條具有更優(yōu)異的力學(xué)性能；經(jīng)過(guò)工業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證,大方坯生產(chǎn)盤(pán)條的內(nèi)部品質(zhì)較好,可見(jiàn)兩種坯型生產(chǎn)的盤(pán)條各有特點(diǎn)。生產(chǎn)盤(pán)條時(shí),根據(jù)材料的服役條件選擇連鑄坯型,在強(qiáng)調(diào)材料的強(qiáng)度和韌性時(shí),選擇小方坯生產(chǎn)盤(pán)條；在強(qiáng)調(diào)盤(pán)條的內(nèi)部品質(zhì)時(shí),選擇大坯型生產(chǎn)盤(pán)條。 

使用大坯型生產(chǎn)盤(pán)條時(shí),需保證盤(pán)條的內(nèi)部品質(zhì)和晶粒細(xì)化。選取連鑄大方坯和小方坯生產(chǎn)盤(pán)條,大方坯的總變形量大于小方坯。在線材軋制時(shí),總變形量分配到各道次,奧氏體晶粒的細(xì)化主要在粗軋階段,當(dāng)實(shí)際應(yīng)變大于等效應(yīng)變時(shí),才能起到晶粒細(xì)化的作用,可以通過(guò)增加粗軋階段變形量的方式細(xì)化晶粒[9],也可以采用優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)的方式,如優(yōu)化電磁攪拌、過(guò)熱度、拉速及二冷水等參數(shù),進(jìn)一步細(xì)化凝固組織,獲得更細(xì)化的凝固組織,減小初始晶粒度,從而實(shí)現(xiàn)利用大方坯生產(chǎn)盤(pán)條既有好的內(nèi)部品質(zhì),晶粒也得到細(xì)化。 

4.   結(jié)論

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

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

（3） 根據(jù)材料的服役條件選擇合適的連鑄坯型,在更強(qiáng)調(diào)材料的強(qiáng)度和韌性時(shí),選擇小方坯生產(chǎn)；在更強(qiáng)調(diào)材料的內(nèi)部品質(zhì)時(shí),選擇大方坯生產(chǎn)。 

（4）如要兼顧大方坯生產(chǎn)盤(pán)條的內(nèi)部品質(zhì)和晶粒的細(xì)化,可采用增加粗軋階段的變形量和優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)的方法,使大方坯晶粒進(jìn)一步細(xì)化,得到綜合性能更好的盤(pán)條。

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