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轍又用貝氏體鋼熱處理工藝研究

文檔作者：曹棟2 康杰2 龍曉燕2 王艷輝2 張福成文檔來(lái)源： 1．燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月05日
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第5O卷第4期
2014年2月
機(jī)械工程學(xué)報(bào)
JOURNAL OF M ECHANICAL ENGINEERING
VO1．50 NO．4
Feb． 2014
DoI： 1O．3901／JM E．2014．04．047
轍又用貝氏體鋼熱處理工藝研究木
曹棟 ，2 康杰 ，2 龍曉燕 ，2 王艷輝 ，2 張福成 ，2
f1．燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室秦皇島066004；
2．燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院秦皇島066004)
摘要：對(duì)新型轍叉用含A1貝氏體鋼進(jìn)行熱處理工藝對(duì)比研究。通過(guò)對(duì)比分析直接空冷、貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Bs)之前快冷
后空冷以及等溫淬火之后的組織及性能，發(fā)現(xiàn)等溫淬火的組織具有最佳的綜合力學(xué)性能，且組織最細(xì)。但等溫淬火工藝會(huì)導(dǎo)
致較高的生產(chǎn)成本，并且轍叉本身較大的尺寸導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)中較難實(shí)現(xiàn)。所以根據(jù)等溫淬火的工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)出在溫度B
之前快冷，溫度B 與馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度(Ms)溫度期間置于爐中保溫緩冷，最后空冷的三階冷卻方式，結(jié)果表明三階冷卻
方式處理之后的貝氏體鋼具有和等溫淬火相似的組織形貌及大致相同的強(qiáng)韌性。對(duì)接近實(shí)際鐵路轍叉尺寸的大塊試樣的不同
冷卻方式的冷卻曲線進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)油冷不僅能夠達(dá)到所需的冷速且容易在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：貝氏體鋼；熱處理；力學(xué)性能；組織結(jié)構(gòu)；鐵路轍叉
中圖分類號(hào)：TG142
Research on Heat Treatment of Bainitic Steel Crossing
CAO Dong ， KANG Jie ， LONG Xiaoyan ， W ANG Yanhui ， ZHANG Fucheng ’
(1．State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,
Yanshan University,Qinhuangdao 066004；
2．College of Materials Science and Engineering，Yanshan University,Qinhuangdao 066004)
Abstract：A comparison study is performed on the heat—treatment processes of a new bainitic steel containing A1 used for railway
crossing．Microstructures and properties obtained by air cooling，fast cooling before bainite transformation starting temperature(Bs)
followed by air cooling and isothermal quenching are analyzed．Results show that the microstructure obtained by isothermal
quenching is the finest and possesses the best comprehensive properties．However,higher production cost is caused by isotherm al
quenching and it is not available in actual production limited by the large size of railway crossing．Based on the character of
isothermal quenching process，a three-step cooling method is designed，which consists of fast cooling before Bs point，then slow
cooling in furnace between Bs and martensite transformation starting temperature(Ms)and eventually followed by air cooling．It is
found that the microstructure，strength and toughness obtained by the three·step cooling method are almost the same as that of
isothermal quenching．The cooling curves of the bulk samples close to the actual size of rail crossing under different cooling ways are
measured and find that oil cooling can achieve the required cooling rate and easy to realize in actual production．
Key words：bainitic steel；heat treatment；mechanical property：microstructure；railway crossing
0 前言
高錳鋼作為鐵路轍叉材料已經(jīng)擁有了悠久的
歷史【1】，但是高錳鋼轍叉一般由鑄造制造，不可避
免存在大量縮孔、疏松、晶粒粗大的現(xiàn)象，同時(shí)，
因?yàn)槠鋸?qiáng)度低 。]，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)重載線路使用要
國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(5O925522)和國(guó)家自然科學(xué)基金(5O871094)資
助項(xiàng)目。20130312收到初稿，20130803收到修改稿
求，因此研發(fā)新型轍叉材料成了必然。隨著貝氏體
相變理論的不斷成熟，人們對(duì)貝氏體組織及性能的
了解不斷深入，國(guó)內(nèi)外大量的轍叉材料研究者開始
對(duì)其展開研究。20世紀(jì)8O年代，英國(guó)首先研制出
了代號(hào)為Titan的貝氏體鋼轍叉，并且進(jìn)行了少量
的鋪設(shè) J。1996年美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)與俄勒岡科學(xué)技術(shù)
研究院合作開發(fā)出了代號(hào)為J9的貝氏體鋼轍叉材
料 J。我國(guó)最早開始研發(fā)貝氏體鋼轍叉是1998年清
華大學(xué)與中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，它們合作研制出
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48 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第50卷第4期
的具有良好低溫沖擊韌度的新型Mn．B系鐵路轍叉
用貝氏體鋼，該鋼的抗拉強(qiáng)度大于1 300 MPa，同
時(shí)具有較好的韌性， 為我國(guó)貝氏體鋼轍又的研究和
應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)【oJ。后來(lái)浙江貝爾通信集團(tuán)有限公
司與鐵道部科學(xué)研究院共同開發(fā)了MnSiCrMoNi系
貝氏體鋼組合轍叉，并得到廣泛應(yīng)用。燕山大學(xué)經(jīng)
過(guò)多年的努力開發(fā)了鐵路轍叉專用含鋁貝氏體鋼，
其綜合力學(xué)性能十分優(yōu)異 J。目前，我國(guó)貝氏體鋼
轍叉已經(jīng)在鐵路線路上廣泛應(yīng)用，并且在1 60 km／h
以上運(yùn)行速度的鐵路線路上使用的轍叉基本都是采
用貝氏體鋼制造。
英國(guó)劍橋大學(xué)GARCIA等 研究發(fā)現(xiàn)鋼中添加
適當(dāng)?shù)腁l，可以增加鋼的貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力，從而
加快貝氏體轉(zhuǎn)變。隨后燕山大學(xué)課題組研究發(fā)現(xiàn)，
含Al貝氏體鋼不僅具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，而且
具有低的氫脆敏感性，還大幅度提高了鋼的延遲斷
裂性能Uo-121研究。研究還發(fā)現(xiàn)，含A1貝氏體鋼的耐
磨性能明顯高于普通高錳鋼 。另外，GRAJCAR
等【l J通過(guò)對(duì)一種A1代Si的TRIP鋼(相變誘發(fā)塑性)
的不同冷卻方式的研究發(fā)現(xiàn)，Al可以增加鋼中殘余
奧氏體的穩(wěn)定性，并且不同的冷卻方式對(duì)貝氏體鐵
素體及殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)影響很大。因此，含Al
貝氏體鋼是一種制造鐵路轍叉的理想材料。通過(guò)改
變熱加工工藝來(lái)提高貝氏體鋼轍叉材料的性能也是
一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，有研究發(fā)現(xiàn)在一種高強(qiáng)度鋼
中，分別在較高溫度下等溫淬火和較低溫度下等溫
淬火的兩階冷卻方式可以使得組織避免出現(xiàn)較大塊
的殘余奧氏體組織，與其他任何單一溫度下等溫淬
火所形成的組織相比，這種兩階冷卻方式下所產(chǎn)生
的貝氏體鐵素體板條及殘余奧氏體更有益于力學(xué)性
能【l 。連續(xù)冷卻可以使貝氏體孕育期增長(zhǎng)，使等溫
轉(zhuǎn)變圖向右下方移動(dòng)，而在連續(xù)冷卻的過(guò)程中，加
快冷卻速度可以使組織中貝氏體鐵素體細(xì)化程度增
大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，板條中的位錯(cuò)密度增加，從而導(dǎo)
致塑性下降，強(qiáng)度增加Llo。¨J。所以為了轍叉用貝氏體
鋼具有最佳的強(qiáng)韌性配合，研究其在不同溫度區(qū)間的
冷卻方式和冷卻速度對(duì)最終組織及性能的影響十分
重要。本文通過(guò)對(duì)一種轍又用含Al貝氏體鋼分別在
高溫、中溫和低溫區(qū)間，以不同的冷卻方式和冷卻速
度進(jìn)行熱處理，研究其組織構(gòu)成和力學(xué)性能差異，優(yōu)
化出最佳的含Al貝氏體鋼熱處理工藝，同時(shí)，研究
了如何在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)這種熱處理工藝。
1 試驗(yàn)方法
選取的試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所
示。將鑄造完成的試驗(yàn)用鋼分別鍛造成斷面尺寸為
25 mmx25 mm及130 mmx 180 mm(接近實(shí)際鐵路轍
又截面)兩種試樣。使用Gleeble-3500測(cè)得該鋼的馬
氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(M。)為31O℃。本研究模擬了實(shí)
際鐵路轍叉的熱處理工藝，也就是利用斷面尺寸接
近實(shí)際轍叉斷面尺寸的大塊試樣進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)
研究。
表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 ％
元素 C Si Mn Cr A1
質(zhì)量分?jǐn)?shù)0 34
P
質(zhì)量分?jǐn)?shù) O．84 O．Ol O．O2 O．001 8 O．005 O．007
表2給出了試驗(yàn)用貝氏體鋼的熱處理工藝條
件，首先將試樣加熱到920℃保溫1 h進(jìn)行奧氏體
化處理，然后按照A1～A9的不同冷卻方式冷卻。
為了提高殘余奧氏體穩(wěn)定性，增加貝氏體鋼強(qiáng)韌性，
所有試樣又進(jìn)行了320℃保溫1 h的回火處理。選
擇的熱處理工藝目的是研究貝氏體鋼在高溫、中溫、
低溫區(qū)間冷卻方式和冷卻速度對(duì)其組織和性能的影
響。經(jīng)過(guò)上述熱處理的試樣，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了
測(cè)定，包括硬度、拉伸和沖擊。拉伸試驗(yàn)采用厚度
為3 mm、寬度為10 mm 的板狀拉伸試樣，其標(biāo)距
為25 mE，拉伸變形速度為0．034 mm／s。沖擊試驗(yàn)
采用標(biāo)準(zhǔn)的夏比u型缺口試樣，尺寸為10 mmx10
mmx55 mm。采用Axiovert 200 Mat型數(shù)字金相顯
微鏡觀察各種熱處理工藝之后的金相組織，所用腐
蝕劑為2％硝酸酒精。采用x 射線衍射儀(X—ray
diffraction，XRD)~0定殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)及殘余
奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，XRD試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，x射線
掃描速度為2。／min。對(duì)于殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)的
計(jì)算采用了奧氏體相的200、220和311衍射峰以及
鐵素體相的200和211衍射峰數(shù)據(jù)，殘余奧氏體體
積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為
= 嘉 ／【 喜苦+ 薈簧j
式中， 為鋼中奧氏體相的體積分?jǐn)?shù)；n為計(jì)算用
的相應(yīng)衍射峰數(shù)目，a代表鐵索體，，．代表殘余奧氏
體， 為衍射峰積分強(qiáng)度，尺為材料散射因子，其大
小為
R： FzP eXpf一2 1
V sin0sin20 、
式中，媯衍射角， 為單胞體積，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)因子，
尸為多重性因子，exp(-2M)為溫度因子。
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2014年2月 曹棟等：轍叉用貝氏體鋼熱處理工藝研究 49
表2 試驗(yàn)用貝氏體鋼熱處理工藝
工藝代號(hào) 冷卻方式
A1 直接空冷至室溫
空冷至500℃ 后，以0．08℃／s速度緩冷1 h，隨后空冷
～ 至室溫
空冷至500℃后， 以0．1℃／s速度緩冷1 h，隨后空冷
? 至室溫
A4 以1．4℃／s快冷至500℃ ，隨后空冷至室溫
以1．4℃／s快冷至500℃，隨后以O(shè) 08℃／s的速度緩
? 冷1 h， 隨后空冷至室溫
以1．4 ℃／s快冷至500℃，隨后以0．1℃／s的速度緩冷
A6
1 h，隨后空冷至室溫
以1，7℃／s快冷至400℃ ，隨后以0．04℃／s的速度緩
? 冷1 h，隨后空冷至室溫
以1．7℃／s快冷至400℃ ，隨后以0．03℃／s的速度緩
A8 冷1 h
， 隨后空冷至室溫
A9 330℃鹽浴中等溫1 h，隨后空冷至室溫
利用TEM一2010透射電鏡對(duì)貝氏體微觀組織進(jìn)
行觀察，樣品采用TenuPol一5型雙噴電解減薄儀雙
噴制備，雙噴所用電解拋光液為7％高氯酸+93％冰
醋酸溶液，電解拋光工作電壓為28 V。
利用鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)定模擬實(shí)際轍叉尺寸
試樣的冷卻曲線，試樣尺寸為200 i-nn]x130 nllTlX180
mm 的方坯。為了測(cè)試其冷卻曲線，分別在距試樣
表面20 mn'l和90 turn位置加工直徑為412 rnl／1、深
為30 mm 的小孔，用于設(shè)置熱電偶。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
表3給出了試驗(yàn)用貝氏體鋼經(jīng)不同熱處理工藝
處理后的力學(xué)性能及殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)。首先對(duì)
直接空冷(A1)、貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs之前快冷后空冷
(A4)以及等溫淬火(A9)這三種工藝的組織及性能分
析，可以看出：A9工藝具有最佳的綜合力學(xué)性能，
同時(shí)，在Bs溫度之前快冷之后的A4工藝抗拉強(qiáng)度
較A1工藝更高，同時(shí)沖擊韌度也有所增加。
表3 試驗(yàn)用鋼經(jīng)各種熱處理工藝處理后力學(xué)性能及殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)
工藝 硬度HRC 沖擊韌
flJT／Icm
伸長(zhǎng)率 斷面收縮率 屈服強(qiáng)度／ 抗拉強(qiáng)度／ 殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)
(％) (％) MPa MPa (％)
12．7 31．1 1 218 1 622 9．5
9．5 21．2 1 144 l 555 10．2
l1．8 3O．6 1 l83 l 577 l2．2
l2．9 26．1 1 437 l 788 l1．7
l2．0 25．6 1 083 l 533 l1．8
14．9 33．9 1 l32 1 532 17．0
17．6 36．5 1 059 l 520 18．7
12．O l6．2 906 1 467 16．9
18．1 36．1 l l62 1 598 8．9
殘余奧氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)
(％)
49．9
48．6
48．6
51．7
46．9
47．5
46．4
45．2
49．2
圖1所示為貝氏體鋼在不同熱處理工藝條件下
的XRD 圖譜，可以看出，轍叉用貝氏體鋼經(jīng)過(guò)各
種熱處理工藝處理后，都為鐵素體和奧氏體兩類衍
射峰。但A4工藝殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)較Al工藝有
所提高，A9工藝殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)最少，見表3。
圖2給出了貝氏體鋼在經(jīng)過(guò)不同熱處理工藝處理之
后的金相及透射電鏡組織，可以看出，Al、A4、
A9工藝下得到的組織形貌明顯不同，A1工藝的組
織多為板條狀；A4工藝的組織呈片狀；A9工藝的
組織呈針葉狀。而從微觀組織分析結(jié)果可以看出，
貝氏體鋼組織均由貝氏體鐵素體板條及板條間殘余
奧氏體構(gòu)成，其中亮色條狀為貝氏體鐵素體，暗色
的為殘余奧氏體。統(tǒng)計(jì)可知，A1、A4、A9工藝貝
氏體鐵素體板條厚度分別215 nm、184 nii1和160
nm，可見，A9工藝處理的貝氏體鋼中貝氏體鐵素
體板條厚度最小。
由于A1工藝是在Bs溫度之前冷卻速度過(guò)慢，
魁
驥
1 0a
A9 = 富 螢 鴦 耋蠶 耋
A8
A7
A6
A5
A4
A3 ^
A2
A1
20 4O 60 80 100 120
衍射角20f。)
圖1 貝氏體鋼經(jīng)不同熱處理工藝處理后的XRD 圖譜
所以在冷卻過(guò)程中，貝氏體相變?cè)谳^高的溫度下發(fā)
生，有較多的上貝氏體組織形成，導(dǎo)致各項(xiàng)性能較
差。而加快冷速之后的A4工藝處理后，殘余奧氏
體體積分?jǐn)?shù)有所提高，說(shuō)明加快冷卻速度可以防止
舳踮 ％
O O 1 O O O O O O
∞ "
舵 斛 能
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52 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 第50卷第4期
噴霧達(dá)不到所需冷卻速度，澆水雖然可以達(dá)到所需
冷速，但是澆水過(guò)程極不容易控制，而油冷不僅能
夠達(dá)到所需的冷速，且容易在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。所
以實(shí)際轍叉最合適的高溫區(qū)間快速冷卻方式為
油淬。
4 結(jié)論
(1)轍叉用含鋁貝氏體鋼經(jīng)過(guò)等溫鹽浴淬火處
理，具有最細(xì)的貝氏體鐵素體組織和最佳的綜合力
學(xué)性能。
(2)根據(jù)等溫淬火工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出在Bs溫度
以上快冷、Bs～Ms溫度區(qū)間緩冷、Ms溫度以下空
冷的貝氏體鋼轍叉的三階冷卻熱處理工藝，并且當(dāng)
快冷速度約為1．7~C／s，緩冷速度約為0．04~C／s時(shí)
得到的貝氏體鋼的組織形貌和力學(xué)性能與等溫鹽浴
淬火熱處理工藝獲得的結(jié)果相近。
(3)油冷是實(shí)際轍叉在高溫區(qū)快速冷卻的最佳
方式，且容易在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。
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陳章華，男，1959年出生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。主要研究方
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作者簡(jiǎn)介：曹棟，男，1988年出生。主要研究方向?yàn)樨愂象w鋼。
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張福成(通信作者)，男，1964

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