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1、文章编号:100726034(2005)0520038203 50钢车轴热处理局部粗晶分析与对策 雷朝阳,伍继军 (中国南车集团铜陵车辆厂,安徽 铜陵244142) 摘 要:对50钢车轴热处理后产生局部粗晶的原因进行了分析探讨,提出了从锻造、 热处理工艺 等方面消除粗晶的对策。 关键词:50车轴;粗晶;热处理;对策 中图分类号:U269.32+5 文献标识码:B 1 问题的提出 50钢车轴是近年来为适应铁路 “提速、 重载” 而 发展起来的,由于其高强度、 高韧性以及抗疲劳性等 优越性,已广泛用以铁道车辆。50钢车轴热处理采 用的是2次正火加1次回火的工艺。根据标准规 定,其热处理金相要求较高
2、:晶粒度6级以上,且为 均匀的细晶粒组织。中国南车集团铜陵车辆厂(下 简称铜陵厂)生产的50钢车轴,采用悬挂式电阻炉 热处理线进行热处理,几年来共生产7万余根50钢 车轴。车轴热处理后质量稳定,金相晶粒度大部分 在7级以上,但个别炉次仍会出现局部粗大的晶粒, 晶粒度仅34级,见图1 ,经重新热处理后仍不能 消除,影响车轴热处理质量。 图1 车轴热处理局部粗晶金相(X100) 2 金相组织分析 对图1所示的金相组织进行了分析,其金相基 收稿日期:2005 - 08 - 10 作者简介:雷朝阳(1974 - ) ,男,工程师,1996年毕业于大连铁道学 院塑性成形工艺及设备专业,现从事车轴热处理工
3、艺技术工作。 体组织铁素体+珠光体组织(f + P) ,晶粒度67 级,另外局部还有一种外观形貌与珠光体相似,而且 还有少量的带状组织存在。铜陵厂曾就该异常组织 咨询西南交大材料分院,西南交大通过对该组织形 貌和成分进行电镜和电子探针分析,结果表明该组 织形态与珠光体组织形态相同,为大团状珠光体组 织,组织周围存在微量的C、Mn偏析。 根据珠光体形成理论,其珠光体大小、 形态与高 温下奥氏体大小和冷却有着直接的关系。当奥氏体 晶粒细小时,单位体积内界面的面积大,珠光体在晶 界处形核概率大,当冷却到共析温度,晶界处就会大 量形核,且珠光体晶核沿晶界内部生长,当沿晶界内 部生长的珠光体互相接触,珠
4、光体团就不可能长大, 就会形成细小的珠光体组织;而当存在粗大奥氏体 晶粒时,在冷却过程中,由于形核率降低,沿晶界形 成的珠光体需较长的时间才会相互接触,珠光体不 断长大,再加上粗大奥氏体珠光体转变时先析出少 量的铁素体,而先析出铁素体周围碳浓度梯度较大, 当正火加热温度较高或时间较长,容易造成碳原子 扩散,促使渗碳体的长大,而先析出铁素体逐渐被长 大的渗碳体覆盖,从而形成大珠光体团。这样就会 形成粗大珠光体团。 3 50钢车轴热处理局部粗晶形成探讨 3. 1 原材料 虽然50钢钢坯采用电炉精炼、 真空脱气处理、 保温浇铸等先进工艺,并要求钢坯轧制压延比不小 于6 ,从而使钢坯化学成分均匀,消除
5、了严重偏析, 并且提高了影响奥氏体晶粒长大重要元素Al的含 量(0. 020 %) ,但仍存在微区成分偏析,造成C、 Mn、Al等成分局部分布不均,而局部C、Mn的增加 83 试验检测 机车车辆工艺 第5期2005年10月 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 以及含Al量的偏低易促使奥氏体晶粒长大。这样 就造成了钢坯晶粒不均,又具有极易长大的倾向性; 同时也带来了车轴锻造冷却后晶粒的不均匀性。 3. 2 轴坯的加热、 锻造及冷却 从铁碳平衡图中知道,5
6、0钢理论上的始锻温度 在1 200 左右(低于钢的熔点100 200 ) , 终锻 温度为820 左右(在AC3以上15 50)。而在 实际生产中,采用发生炉煤气推杆式加热炉加热,有 时受到自身设备故障影响,出现始锻温度偏高或在 规定的高温保温时间过长,锻造时终锻温度偏高;同 时在锻造过程中,由于变形温度、 变形程度、 变形速 度、 送进量、 旋转角度等因素影响,也容易导致车轴 各部位变形不均、 变形量落入临界变形程度范围内, 这些不利因素都加大了钢坯或车轴奥氏体晶粒的长 大和不均匀性。另外如锻后轴坯冷却速度慢,容易 使晶粒长大,最终使锻后轴坯形成大晶粒和混晶这 种非常不均匀组织,见图2。在后
7、续热处理过程中 形成原始遗传,加剧了车轴热处理过程中晶粒细化 和均匀的难度,车轴热处理奥氏体化时局部容易形 成粗大奥氏体。 另外50钢相对来说含碳量提高,奥氏体晶粒长 大的倾向性增大,车轴热处理的敏感性强。 图2 车轴锻后混晶金相(X100) 4 技术对策 针对局部粗晶形成的原因,铜陵厂在生产实践 中不断改进锻造和热处理工艺,采取了以下措施,取 得了很好的效果。 4. 1 锻造及冷却的控制 一方面合理组织锻造生产班次,制定好加热规 范,控制加热炉温度(小于1 200)以及加热的均匀 性,减少50钢钢坯在炉膛中的加热时间,防止钢坯 过热,并根据不同季节选择不同的加热温度。夏季 可适当比冬季降低2
8、0 30,然后在锻造过程中 控制操作机均匀旋转和进料,确保锻打轴料变形均 匀,控制始、 终锻温度(尤其是终锻温度)、 变形速度 和变形程度,采取 “轻-重-轻 “的锻造方法。通过 高温扩散和锻造消除局部偏析、 破碎晶粒改善碳化 物及非金属夹杂物(如AlN等)在钢中分布,使微质 点AlN弥散均匀分布在金属基体组织中,阻碍奥氏 体晶界移动;另一方面在锻后冷却过程中控制冷却 速度,采取平铺冷却,使锻后车轴冷却均匀,防止奥 氏体晶粒长大。 4. 2 热处理工艺调整和设备控制 选择合理的热处理工艺参数,以达到最佳的热 处理效果。50钢车轴2次正火工艺,第1次正火的 奥氏体化温度较高,一般取AC3 + (
9、100 160 ) , 其AC3约为760,第1次正火的加热温度定为 890 左右,以消除粗大晶粒与新生晶粒之间的联 系。高温正火使奥氏体充分长大、 均匀化,这时得到 的奥氏体晶粒仍比较粗大,但相对比较稳定;在此基 础上,采用较低温度,取AC3 + (25 50)进行第 2次正火,使奥氏体细化、 形成均匀、 细珠光体组织。 可见在保证1次正火温度和时间前提下,2次正火 工艺是影响车轴晶粒结构的关键因素,考虑到热处 理炉窑状况,采用悬挂链式电阻炉加热,炉温均匀, 控制精确,全线由1次正火炉加冷却室、2次正火炉 加冷却室、 回火炉加冷却室组成。通过积放式悬挂 链连成环线。实现1次吊卸便可使车轴2次
10、正火和 1次回火的热处理全过程。车轴在炉内以悬挂方式 走行,车轴四面受热,其加热条件较推杆式连续炉、 步进式连续炉以及其他热处理炉窑好,车轴热透性 较好,并且车轴在2次正火时热轴进炉(小于 500 ) , 充分利用了余热。这样按常规制定的2次 正火工艺,见图3 ,在热处理时间上相对较长,一旦 由于原材料和锻造等原因造成局部不利晶粒细化的 因素存在时,车轴热处理敏感性增加,导致晶粒长 大,形成局部大晶粒结构。经反复试验将2次正火 热处理工艺调整为如图4所示,适当减少热处理时 间,保温温度取下限,降低车轴热敏感性,并调节风 机冷却频率,加快2次正火后车轴冷却速度。通过 调整后的2次正火低温快速加热
11、工艺对局部粗晶的 车轴进行重新热处理,原有的局部粗晶被细化了,见 图5 ,晶粒度达到87级。 50钢车轴是以正火、 回火作为最后热处理,热 处理设备对车轴质量保证尤为重要。应加强热处理 93 50钢车轴热处理局部粗晶分析与对策 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 图3 原2次正火工艺 图4 调整后2次正火工艺 设备使用前的检修工作,加强对设备的使用保养和 维护,保证热处理线运转状态良好,防止炉体出现局 部区域电阻丝断相、 短路现象,避免车轴在正火过程
12、中产生局部温度不均匀、 车轴在炉体高温停留时间 过长,从而使车轴晶粒得到重新长大。 图5 工艺调整后金相(X100) 通过采取上述措施后,铜陵厂在50钢车轴热处 理后未再出现大珠光体团,并且晶粒度普遍提高。 统计工艺调整前后车轴晶粒度情况,7级以上晶粒 度由45 %提高到75 %以上,车轴热处理质量得到明 显改善。 5 结论 50钢车轴热处理出现的局部粗晶组织是一异 常大珠光体团,它的产生与50钢原材料成分偏析、 车轴锻造变形条件密切相关,通过调整锻造、 热处理 工艺来消除和细化大珠光体团,提高晶粒度。 (编辑:施翠燕) (上接第33页) 并且不是经常变化,考虑使用方便和成本,采用方案 3 ,
13、实现也很容易。 3. 4 纠偏装置中传感器选择 上面纠偏过程中纠偏缸在纠偏时的鞲鞴杆行程 都取决于传感器的实时测量和转换,并需要适应不 同宽度的板材,因此应选用量程大、 安装方便的传感 器,见图4。 图4 G D5A - 400H宽光束对中传感器 该G D5A - 400H宽光束对中传感器由检测器 和前置放大器2部分组成,主要用作各种非透明带 材的中心位置检测,采用红外调制光源,具有灵敏度 高,抗干扰能力强的特点,可以在明暗变化很大的环 境下长期可靠地工作。该型传感器检测宽度变化范 围可达到400 mm。为适应板材宽度,可以采用和纠 偏装置一样的办法,设定几个固定位置档,使用结合 其他电气元件和液压装置将传感器根据卷料宽度自 动停止在相应初始位置。 4 改造效果 采取上述措施后,该生产线的纠偏系统基本达 到了工艺要求,定尺剪切、 四角垂直度都能满足要 求,咬边的现象也较好地解决了。 (编辑:施翠燕) 04 试验检测 机车车辆工艺 第5期2005年10月 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/
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