ED-102高速列車制動(dòng)盤用鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

文 輝,李英奎,于良機(jī),王福明

(1.南京鋼鐵股份有限公司,江蘇 南京210035;2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083)

引 言

隨著鐵路技術(shù)發(fā)展,高速化成為列車的發(fā)展趨勢,目前國內(nèi)外高速列車的運(yùn)行速度接近400 km/h[1-2]。制動(dòng)系統(tǒng)是保障列車運(yùn)行安全的重要裝置,制動(dòng)盤是高速列車制動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件,其主要功能是在列車剎車過程中將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,達(dá)到降低列車速度的目的[3]。對于速度大于350 km/h的高速列車,制動(dòng)過程中在制動(dòng)盤局部產(chǎn)生巨大的熱能,制動(dòng)盤局部溫度大幅升高,導(dǎo)致制動(dòng)盤表面高溫磨損以及產(chǎn)生熱疲勞損害,降低制動(dòng)效能,因此制動(dòng)盤需要具有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性和耐熱疲勞性能[4-5]。

目前法國TGV高速列車制動(dòng)盤材質(zhì)為Cr-Mo-V鋼,該列車的最高運(yùn)行速度為300 km/h[6]。南鋼自主研制了Cr-Mo-V系ED-102制動(dòng)盤用鋼,其用于速度高于350 km/h的高速列車上,因此需要更佳的性能以及較高的相變溫度。李曌祎等[7]研究了23Cr Ni Mo V鋼的力學(xué)性能,結(jié)果表明該鋼種具有良好的強(qiáng)度、韌塑性以及低溫力學(xué)性能,但是沒有研究該鋼的CCT曲線,了解其相變溫度。Wu等[8]在Cr-Mo-V鋼的基礎(chǔ)上研究了添加不同含量V和Nb元素后鋼的CCT曲線,結(jié)果表明提高V和Nb元素含量能夠提高鋼的相變溫度,但是會(huì)導(dǎo)致CCT曲線左移,抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。但是其試驗(yàn)鋼中的Ni,Mo,V等元素的含量與ED-102鋼有較大的差別,這些元素會(huì)對連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線造成影響,因此仍需了解ED-102鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線[9]。通過分析鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線,能夠了解鋼的相變溫度以及不同組織的臨界淬火速率,并據(jù)此制定該鋼的熱處理工藝[10]。為了制定合適的熱處理工藝參數(shù)以及更好的控制制動(dòng)盤用鋼的組織和性能并了解ED-102鋼的相變溫度,利用相變儀測定ED-102鋼的靜態(tài)CCT曲線,并分析了冷卻速度對試驗(yàn)鋼相變和硬度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用某鋼廠生產(chǎn)的ED-102高速列車制動(dòng)盤用鋼,其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)鋼由南鋼生產(chǎn)并鍛造為Φ200 mm的圓柱。

表1 ED-102鋼的化學(xué)成分/%

合適的奧氏體化保溫溫度應(yīng)能使V元素固溶在奧氏體中,且保溫過程中保持奧氏體晶粒較為細(xì)小。本文利用熱力學(xué)軟件Thermal-Calc中TCFE8數(shù)據(jù)庫計(jì)算了試驗(yàn)鋼奧氏體中V元素含量隨溫度的變化規(guī)律,結(jié)果如圖1所示,試驗(yàn)鋼奧氏體中V元素含量在低于880℃后大幅下降,故將奧氏體化溫度制定為880℃。

圖1 V在奧氏體中的固溶規(guī)律

實(shí)驗(yàn)采用熱膨脹法測試試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷區(qū)轉(zhuǎn)變曲線。從試驗(yàn)鋼的鍛后圓柱坯上截取尺寸為Φ3 mm×10 mm的試樣。將試樣在L78RITA/D熱膨脹儀上以3℃/s的升溫速率升到880℃以測量臨界轉(zhuǎn)變溫度(Ac1,Ac3),接著在880℃恒溫300 s,接著在0.2-50℃/s的范圍內(nèi)選取10個(gè)冷速冷卻至室溫,并記錄時(shí)間-溫度-膨脹量數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)工藝如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)束后將所有試樣沿中部切開,制備成金相試樣,利用MX6R光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察顯微組織,并利用VTD-512顯微硬度計(jì)對試樣的硬度進(jìn)行測定。

圖2 測定CCT曲線的實(shí)驗(yàn)工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)

根據(jù)試驗(yàn)鋼的膨脹曲線,試驗(yàn)鋼的臨界點(diǎn)測定結(jié)果為Ac3=839℃;Ac1=751℃;馬氏體相變開始點(diǎn)Ms=375.6℃;馬氏體相變結(jié)束點(diǎn)Mf=159.4℃。高速列車制動(dòng)過程中如果制動(dòng)盤表面溫度超過Ac3溫度會(huì)發(fā)生相變,冷卻下來后會(huì)導(dǎo)致形成不同組織,因此制動(dòng)盤表面最高溫度應(yīng)低于Ac3點(diǎn)溫度。李繼山等[11]利用1∶1臺(tái)架試驗(yàn)測得鍛鋼制動(dòng)盤在初速度420 km/h的緊急制動(dòng)過程中,制動(dòng)盤表面最高溫度為643℃,盤面平均溫度608℃,低于試驗(yàn)鋼Ac3點(diǎn)溫度。因此試驗(yàn)鋼的相變溫度較高,滿足運(yùn)行速度高于350 km/h的高速列車制動(dòng)條件。

2.2 試驗(yàn)鋼的顯微組織

試驗(yàn)鋼在不同冷速下的顯微組織如圖3所示,其微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖4所示。試驗(yàn)鋼在以不同冷速冷卻過程中產(chǎn)生貝氏體和馬氏體兩種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。圖3(a),(b)中試驗(yàn)鋼組織為粒狀貝氏體(GB);圖3(c),(d)中試驗(yàn)鋼組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w和板條狀貝氏體(LB);圖3(e),(f)中試驗(yàn)鋼組織為板條狀貝氏體以及馬氏體;圖3(g),(h),(i),(j)中組織全部為馬氏體(M),且隨冷速增加,微觀組織沒有產(chǎn)生明顯變化,馬氏體穩(wěn)定性良好。

圖3 ED-102制動(dòng)盤用鋼在不同冷速下的顯微組織

圖4 SEM下不同組織的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 試驗(yàn)鋼的顯微硬度

試驗(yàn)鋼組織的轉(zhuǎn)變量較小的時(shí)候熱膨脹曲線上的轉(zhuǎn)變點(diǎn)不明顯,需要結(jié)合轉(zhuǎn)變組織的顯微硬度來提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度,獲得精度較高的CCT曲線。

表2為試驗(yàn)鋼在不同冷速下的顯微硬度平均值,利用Origin將顯微硬度結(jié)果連接得到折線圖,如圖5所示。組織的顯微硬度提高趨勢在冷速為5℃/s時(shí)有明顯變化,冷速在0.2-5℃/s之間時(shí),組織硬度隨冷速增加而大幅提高;冷速在10-50℃/s時(shí),組織硬度隨冷速提高的速度明顯降低。冷速在0.2-5℃/s時(shí),顯微硬度明顯增加的原因是貝氏體轉(zhuǎn)變過程中C元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行碳化物析出,但高冷速下的貝氏體轉(zhuǎn)變使來不及擴(kuò)散的C元素固溶在奧氏體中,導(dǎo)致組織硬度增加。冷速大于10℃/s后組織硬度增加不明顯,這是由于馬氏體組織較為穩(wěn)定,組織不再出現(xiàn)明顯變化。

圖5 試驗(yàn)鋼不同冷速下的硬度

表2 試樣在不同冷速下的硬度值

2.4 CCT曲線

將熱膨脹儀測得的“溫度-膨脹量”數(shù)據(jù)繪制為膨脹曲線,并利用切線法找到不同冷速下的相變溫度如表3所示。將不同冷速下“時(shí)間-溫度”數(shù)據(jù)連接,并將表3所示的相變點(diǎn)添加到連續(xù)冷卻曲線上并用平滑曲線相連,標(biāo)出Ac1,Ac3,Ms,Mf溫度、各個(gè)區(qū)域所代表的組織和不同曲線對應(yīng)的冷卻速度,即得到試驗(yàn)鋼的CCT曲線,如圖6所示。

表3 試樣在不同冷速下的相變溫度

由圖6可知,ED-102制動(dòng)盤用鋼的CCT曲線分為3個(gè)部分,在冷速在0.2-0.5℃/s時(shí),試驗(yàn)鋼發(fā)生由奧氏體(A)到GB的轉(zhuǎn)變;冷速超過2℃/s時(shí),轉(zhuǎn)變組織為LB;A到M的轉(zhuǎn)變在冷速查過5℃/s以后發(fā)生,超過10℃/s后,轉(zhuǎn)變組織全部為M。

圖6 ED-102制動(dòng)盤用鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)鋼的CCT曲線可知,ED-102制動(dòng)盤用鋼的靜態(tài)CCT曲線明顯右移,冷速超過0.2℃/s后不發(fā)生鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變,馬氏體臨界冷卻速率降低。這是由于試驗(yàn)鋼中Ni,Mo元素含量較高,V含量較少。Ni元素固溶在基體中抑制鐵素體形核,降低鐵素體轉(zhuǎn)變冷速,并促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變;鋼中Mo元素抑制C元素?cái)U(kuò)散,使擴(kuò)散性相變困難,抑制鐵素體轉(zhuǎn)變[12]。強(qiáng)碳化物形成元素V在鋼中大部分以碳化物形式存在,能夠促進(jìn)鐵素體轉(zhuǎn)變并抑制馬氏體轉(zhuǎn)變。因此ED-102鋼在冷速高于0.2℃/s后沒有鐵素體轉(zhuǎn)變發(fā)生,且馬氏體臨界冷卻速率較低。

3 結(jié)束語

1)ED-102制動(dòng)盤用鋼的Ac3點(diǎn)溫度高于初速度420 km/h緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)盤表面最高溫度,制動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

2)ED-102制動(dòng)盤用鋼的CCT曲線整體右移,沒有發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變,且馬氏體臨界冷卻速率較低,這主要與鋼中多種合金元素,特別該合金體系中Mo含量較高相關(guān)。

3)ED-102制動(dòng)盤用鋼的冷速大于10℃/s時(shí),組織為馬氏體,ED-102制動(dòng)盤用鋼為獲得優(yōu)良的馬氏體組織,冷卻速度應(yīng)大于10℃/s。