QLT工藝對新型車軸鋼顯微組織與性能的影響

黃曦，上官昌平，王澤民，王聯波，劉敏，張騁，王占勇

（上海應用技術大學材料科學與工程學院，上海 201418）

引言

進入21世紀，中國高鐵進入高速發展階段，作為高鐵最重要的部件之一，高鐵輪軸的受力十分復雜。除了保證常溫下較好的綜合力學性能，更要考慮低溫環境下安全服役的綜合性能，如何提高車軸鋼的低溫韌性已成為當前研究的熱點問題［1-3］。

國內外學者對于低溫韌性的研究大多基于QT（淬火+回火）熱處理工藝，通過調控成分和熱處理工藝參數調整探究車軸鋼的低溫韌性［4-6］。丁燦燦等［7］研究發現，隨著淬火溫度的升高，高鐵車軸用鋼抗拉強度和延伸率呈現先快速增加后緩慢減小的趨勢。汪開忠等［8］研究提出隨著回火溫度的升高，馬氏體逐漸分解，位錯密度逐漸下降，碳化物逐漸析出球化，車軸鋼的延伸率和沖擊韌性逐漸增加。研究發現，QLT（淬火+兩相區淬火+回火）熱處理工藝在低碳高合金鋼中廣泛應用［9-10］，經過兩相區熱處理后生成逆轉變奧氏體，可以有效的提高鋼的低溫韌性，但此工藝在中低合金鋼中應用不夠充分，有必要對其進一步研究。

本文以EA4T鋼為基礎開發新型車軸用鋼，利用室溫拉伸、低溫沖擊、掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）等研究QLT工藝下，兩相區保溫時間和回火溫度對新型車軸鋼低溫韌性的影響。

1 試驗材料及方法

本文采用真空冶煉方法制備試樣鋼，主要化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼化學成分

采用德國Netzsch DIL-402C型熱膨脹儀測定鋼的熱膨脹曲線，如圖1所示。從圖中可以看出試樣鋼奧氏體轉變開始和終止溫度分別為：610℃和768℃（升溫速率5℃/min），具體熱處理工藝如圖2所示。

QLT工藝處理后樣品，經研磨拋光后采用4%硝酸酒精溶液進行侵蝕，采用Zeiss Axiom Observe DIM型光學顯微鏡觀察其金相組織，經更深程度侵蝕樣品使用JEM-6700型掃描電鏡進行顯微組織觀察。

使用德國Zwick/Roell Z100型萬能材料試驗機進行常溫拉伸試驗，試樣依據GB/228標準制樣。按照GB/T229夏比沖擊試驗標準，分別在室溫及0，-40，-80℃環境下采用CMT5305型萬能試驗機測定沖擊吸收功，沖擊試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm。

2 結果與討論

2.1 兩相區保溫時間對顯微組織的影響

圖3為車軸鋼兩相區不同保溫時間及回火后金相組織圖?？梢钥闯?，經QL工藝處理，隨著保溫時間延長，兩相區淬火后馬氏體組織中位錯密度降低。保溫1～2 h內，組織主要為板條馬氏體（如圖3（a），（b）所示），當保溫時間延長至3 h，組織中無明顯馬氏體。這是由于長時間保溫，奧氏體晶粒粗化，C元 素 擴 散 充分，經 兩相區 淬 火 后C在α-Fe中的過飽和固溶體含量減少（圖3（c））。經QLT工藝處理后，由圖3（d）～（e）可知，保溫1h試樣鋼即使回火后仍可以觀察到板條狀回火馬氏體，隨著保溫時間延長，回火后試樣中回火馬氏體含量降低。保溫時間為3 h，試樣中無明顯馬氏體，主要組織為細粒碳化物和等軸狀鐵素體組成的回火索氏體（如圖3（f）所示）。

圖4為車軸鋼QLT工藝（Q：850℃×15 min；L：700℃×1；2；3 h T：600℃×30 min）時兩相區保溫不同時間SEM顯微組織圖?？梢钥闯?，兩相區保溫1 h（如圖4（a）所示），組織主要為板條特征回火馬氏體。隨著保溫時間延長至2 h（如圖4（b）所示），顯微組織中，馬氏體板條特征開始消失，板條之間分布有大量亮點狀組織。這是由于Ac1溫度較低，在回火時轉化為逆轉變奧氏體，這些逆轉變奧氏體主要分布于馬氏體板條晶界或內部更細微的板條束之間［11］。保溫時間進一步延長至3 h（如圖4（c）所示），鋼的組織主要為索氏體。這是由于兩相區長時間保溫，合金元素擴散較為充分，組織較為均勻?？梢?，隨著兩相區保溫時間延長，鋼中板條馬氏體組織的逐漸演變成索氏體組織。

圖5為車軸鋼兩相區保溫不同時間XRD圖譜?？梢钥闯?，兩相區保溫1 h，鋼中存在奧氏體組織，但隨著保溫時間延長，鋼中奧氏體消失。這是由于合金元素充分擴散，導致兩相區淬火后奧氏體含量增加，但內部合金元素富集程度降低?；鼗疬^程中，逆轉變奧氏體的穩定性較差，再次轉變成馬氏體?？梢?，隨著兩相區保溫時間延長，逆轉變奧氏體穩定性降低，回火后含量逐漸減少。

2.2 兩相區保溫時間對力學性能的影響

圖6為車軸鋼在兩相區保溫不同時間QLT工藝不同環境下的沖擊韌性?？梢钥闯?，隨著保溫時間延長，鋼的沖擊韌性顯著下降。-80℃時，保溫1 h試驗鋼沖擊韌性仍然高達1043 kJ/m2，而保溫2 h和3 h試驗鋼沖擊韌性分別約492 kJ/m2和509 kJ/m2。這是由于保溫1 h，鋼中形成了富含合金元素的奧氏體，兩相區淬火后，奧氏體轉變為板條狀馬氏體。隨后回火過程中，富含合金元素的馬氏體則更容易生成逆轉變奧氏體。因此在室溫和低溫條件下，兩相區保溫1 h，鋼都具有良好的沖擊性。當保溫時間延長至2 h和3 h，沖擊韌性大幅下降。這是由于兩相區長時間保溫促使原馬氏體中的合金元素充分擴散，富集程度降低。兩相區淬火過程中很少或沒有形成富含合金元素的板條狀馬氏體，導致回火階段難以形成穩定的逆轉變奧氏體，進而導致沖擊韌性降低。保溫2 h和3 h的試驗鋼沖擊韌性比較接近，但在-40℃環境下，后者沖擊韌性要優于前者。這是由于回火后，保溫時3 h的試驗鋼內部回火馬氏體分解較為完全，而保溫2 h的試驗鋼則還留有少量未分解的回火馬氏體，這些馬氏體不利于車軸鋼沖擊性的提高。

圖7為車軸鋼QLT工藝下兩相區保溫不同時間應力應變曲線?？梢钥闯?，隨著保溫時間的延長，試樣鋼的延伸率和抗拉強度變化幅度較低，但整體呈現先上升后下降的趨勢。保溫時間從1 h延長至3 h，鋼的抗拉強度先從977 MPa上升至1117 MPa后下降至1009 MPa。這主要是由于保溫時間過長導致合金元素充分擴散，逆轉變奧氏體尺寸增加穩定性下降［12］。隨著保溫時間的延長尺寸進一步長大，導致鋼的強度和延伸率下降，但由于原馬氏體分解，所以延伸率下降不明顯。

2.3 回火溫度對顯微組織的影響

圖8為車軸鋼QLT工藝（Q：850℃×15 min；L：700℃×1 h；T：500；550；600℃×30 min）時不同溫度回火后SEM顯微組織?？梢钥闯?，隨著回火溫度的升高，馬氏體呈現先減少后增加的趨勢。當回火溫度為500℃，回火馬氏體板條特征較為明顯，未出現明顯分解（如圖8（a）所示）。由于回火溫度較低，僅有少數逆轉變奧氏體生成，板條邊緣高亮部分為富含C，Ni等合金元素的碳化物［13］。當回火溫度為550℃，板條馬氏體開始分解，板條變短，甚至球化，馬氏體晶界處生成較多逆轉變奧氏體（如圖8（b）所示），從XRD圖譜上可以看出此時奧氏體衍射峰特征較為明顯（如圖9所示）。當回火溫度升高至600℃，合金元素擴散加劇，絕大多數回火馬氏體分解為等軸狀鐵素體［14］。

2.4 回火溫度對力學性能的影響

圖10為QLT熱處理工藝下，不同溫度回火后，鋼在不同環境下的沖擊韌性曲線?？梢钥吹?，沖擊韌性從高到低回火溫度依次為：550，500，600℃。隨著環境溫度的降低，不同回火溫度試樣鋼之間的沖擊韌性差距越來越大。當環境溫度為-80℃，550℃回火的試驗鋼沖擊韌性為1149 kJ/m2，比600℃回火及500℃回火后試驗鋼的沖擊韌性分別提高了403 kJ/m2和323 kJ/m2。這是由于500℃回火，溫度較低，板條馬氏體內的合金元素聚集程度低，未能達到逆轉變奧氏體的形核溫度，但回火馬氏體的分解降低了馬氏體內的位錯密度，C原子的析出也軟化了回火馬氏體組織。而550℃時，板條狀火馬氏體分解速率進一步加快，同時合金元素的富集程度也進一步提高，并降低在基體的Ac1溫度。因此在馬氏體板條之間及邊界處生成逆轉變奧氏體，顯著提高了鋼的低溫韌性［15］。當回火溫度達到600℃，生成了部分穩定的逆轉變奧氏體，并在隨后水冷過程中轉變為馬氏體，但與回火馬氏體不同的是，這種新生馬氏體內的碳是過飽和的，未經回復和分解，位錯密度也相對較大，是典型的硬化相，降低了鋼的沖擊性及韌脆轉變溫度［16］。

圖11為車軸鋼QLT工藝下不同回火溫度后應力應變曲線。從圖中可以看到，隨著回火溫度的升高，試樣延伸率呈現先上升后下降的趨勢。當回火溫度為500℃和600℃，試驗鋼的強度和韌性相似，當回火溫度為550℃，試驗鋼強度明顯降低，同時延伸率提高。這是由于550℃回火后生成了大量穩定的逆轉變奧氏體，在拉伸過程中逆轉變奧氏體作為潤滑劑使物質沿界面流動，斷裂紋沿馬氏體板條生長，試樣鋼延伸率提升［17］。

3 結論

（1）在QLT工藝下，兩相區保溫時間通過影響合金元素的擴散來影響淬火后馬氏體內部C，Ni等合金元素的富集程度，進而影響逆轉變奧氏體的形核條件，最終通過影響逆轉變奧氏體的含量來影響試樣鋼的低溫韌性。兩相區保溫時間為1 h，試樣鋼具有最佳的低溫韌性，在-80℃環境下沖擊韌性達到1043 kJ/m2，延伸率16.38%。

（2）在QLT工藝下，回火溫度通過影響回火馬氏體內合金元素的再分配，間接影響逆轉變奧氏體的形核，進而影響鋼的低溫韌性。經兩相區淬火后再次加熱至550℃，保溫30 min水冷至室溫，試樣鋼具有最佳的塑性和沖擊韌性，延伸率達到20.25%，在-40℃和-80℃環境下沖擊韌性分別達到1172 kJ/m2和1149 kJ/m2。