（材料加工工程专业论文）重轨热处理工艺及组织性能研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：塑丝盘 日期：一丝f 里章盆7 旧 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：塑堕! 鱼 指导教师签名： 叛重型 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，铁路的提速对钢轨的性能要求越来越高，这对我国重轨的生产提出了更高的 要求。重轨热处理工艺与组织性能的研究可以为重轨生产提供理论和实际指导依据。 本文以钢种为u 7 1 m n 规格为6 0 k g m 重轨为研究对象，结合重轨生产实际，进行了重 轨热处理工艺与组织性能研究，重点对重轨热处理缺陷白线层进行了研究。 通过对重轨钢进行加热实验，分析实验结果，得出了重轨钢热处理加热温度范围。同 时，通过现场冷却实验，分析不同加热时间和冷却时间对组织性能的影响，制定了重轨热 处理最佳加热和冷却时间。对重轨热处理缺陷试样进行分析，找出了白线层现象产生的原 因。采用喷风冷却试验，研究了喷风冷却对提高重轨质量的意义，为制定重轨淬火最佳工 艺提供有力的参考依据。 结果表明：u 7 1 m n 重轨钢的最佳淬火温度处在8 7 0 - 9 3 0 之间；在采用喷雾冷却 方式的前提下，重轨轨端淬火的最佳加热时间为4 0 s 4 5 s ；白线层缺陷产生的主要原因是 加热时间过长和冷却速度过快；与喷雾冷却比较，喷风冷却能更好地保证重轨质量的稳定 性。 关键词：重轨；淬火；温度；时间；白线层 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a i l w a ys p e e d0 1 1t h ei n c r e a s i n g l yh i g hp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr a i l ， w h i c hh a sp u tah i g h e rp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rh e a v yr a i li nc h i n a h e a v yr a i lh e a t t r e a t m e n ta n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a v yr a i lc a n p r o v i d et h et h e o r e t i c a l b a s i sa n dp r a c t i c a l g u i d a n c e t h i sp a p e rt a k e st h e6 0 k g mu 71m nh e a v yr a i la st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n i n gw i t ht h e a c t u a lp r o d u c t i o no fh e a v yr a i l ，c a r r i e do nt h er e s e a r c ho fh e a v yr a i lh e a tt r e a t m e n ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，w i me m p h a s i so nt h er e s e a r c ho ft h eh e a v y r a i lw h i t el i n el a y e ro fh e a tt r e a t m e n td e f e c t s h e a v yr a i l s t e e lb yh e a t i n ge x p e r i m e n t s ，a n a l y z er e s u l t s ，d r a wah e a v yr a i ls t e e lh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r er a n g e a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ho n - s i t ec o o l i n ge x p e r i m e n t ，a n a l y s i so f d i f f e r e n th e a t i n gt i m ea n dc o o l i n gt i m eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，d e v e l o p e dah e a t t r e a t m e n to fh e a v yr a i lt h eb e s th e a t i n ga n dc o o l i n gt i m e h e a tt r e a t m e n to fh e a v yr a i ld e f e c t a n a l y s i so fs a m p l e st oi d e n f i 匆t h ew h i t el i n el a y e rf o rt h ec a u s e u s i n gj e ta i rc o o l i n ge x p e r i m e n t , s t u d ys i g n i f i c a n c eo ft h es p r a yc o o l i n gt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fh e a v yr a i l ，h e a v yr a i lf o rt h e d e v e l o p m e n to fo p t i m u mq u e n c h i n gp r o v i d eap o w e r f u lf r a m eo f r e f e r e n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：u 71m nh e a v yr a i ls t e e li si nt h eb e s tq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e b e t w e e n8 7 0 9 3 0 。c ；t h eb e s th e a t i n gt i m eo fh e a v yr a i l s i d eq u e n c h i n gi sb e t w e e n4 0 s 一 4 5 si nt h ep r e m i s eo fu s i n gs p r a yc o o l i n g ；t h em a i nc a u s eo fw h i t el i n el a y e rd e f e c t si sd u et o p r o l o n g e dh e a t i n gt i m ea n de x c e s s i v ec o o l i n gs p e e d ；c o m p a r e ! w i t hs p r a yc o o l i n 吕j e ta i r c o o l i n gw a sa b l e t og u a r a n t e et h eq u a l i t ys t a b i l i t yo fh e a v yr a i lb e t t e r k e y w o r d s ：h e a v yr a i l ；q u e n c h i n g ；t e m p e r a t u r e ；t i m e ；w h i t el i n el a y e r ；o r g a n i z a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 重轨的发展1 1 1 1 世界重轨的发展1 1 1 2 我国重轨的发展2 1 2 重轨淬火方式3 1 2 1轨端淬火3 1 2 2 全长淬火3 1 3 重轨的感应淬火强化原理及工艺4 1 3 1 感应淬火原理4 1 3 2 感应淬火快速加热的影响。5 1 3 3 感应淬火冷却介质的选择5 1 3 4 感应淬火的优点及意义6 1 4 重轨热处理基础理论研究6 1 4 1珠光体转变理论的研究6 1 4 2贝氏体相变及其过渡性7 1 4 3 共析钢的加热转变与控制9 1 4 4 过冷奥氏体转变及c c t 曲线1 0 1 5 本文研究背景及内容1 1 第二章热处理工艺对重轨组织性能的影响1 3 2 1 不同加热温度对组织性能的影响1 3 2 1 1实验内容13 2 2 2 结果分析与讨论1 4 2 2 不同加热和冷却时间对组织性能的影响1 7 2 2 1实验内容17 2 2 2 结果分析与讨论1 8 第三章重轨热处理缺陷组织形成机理分析2 4 3 1喷雾冷却条件下的正常组织研究及分析2 4 3 1 1 实验目的2 4 3 1 2 实验材料制备。2 4 3 1 3 现场生产工艺。2 5 3 1 4 实验结果及分析2 5 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 喷雾冷却条件下的缺陷组织研究及分析2 8 3 2 1 缺陷宏观检验。2 8 3 2 2 缺陷微观检验3 l 3 2 3实验研究3 5 3 2 4 结果分析。3 5 3 3 喷风冷却条件下的组织性能研究及分析3 7 3 3 1 试验材料及电气参数3 8 3 3 2 试验方案及工艺参数3 8 3 3 3实验结果。3 8 3 3 4 结果分析一4 l 第四章结论4 4 参考文献4 5 致谢4 7 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 重轨的发展 1 1 1 世界重轨的发展 第一章绪论 重轨起源于高速铁路的诞生。资料表吲1 - 2 ，允许时速达到2 5 0 公里的客运专线或者允 许时速达到2 0 0 公里的已有线路均可以称之为高速铁路。1 9 6 4 年，日本建成世界上第一条 高速铁路，即东海道新干线，时速达到2 1 0 公里。随后，一些西方资本主义国家相继展开 了关于高速列车的大量理论研究，最具代表性的是德国和法国。正是这样，世界铁路开始 飞速发展，出现了三次建设高潮( 表1 1 ) 。 表1 1 世界高速铁路建设的三次高潮 高速铁路和高速列车的迅速发展引发了世界各国对重轨钢的高度重视。目前，世界上 生产重轨钢的国家主要有德国、法国、英国、美国、俄罗斯、澳大利亚、日本和中国。随 着铁路运输的重载化和高速化，对重轨钢的性能要求也越来越高，各国对它的研究主要集 中在如何提高重轨的抗磨性能方面。重轨钢大多数都是珠光体型钢。要想提高重轨的强度， 必须着重于如何减少珠光体的片层间距方面的研究。但是，由于热处理工艺的不完善，重 轨经过热处理后经常会出现马氏体、贝氏体组织等缺陷组织，严重影响重轨的使用寿命。 因此，各国专家们开始寻求一种更好的钢轨钢。直到过共析钢轨的出现，才有了新的转机。 有些专家认为，珠光体钢轨钢的强度已经达到了极限【3 】。近年来，一些发达国家的钢厂对 钢轨生产进行了许多技术性研究和改造 4 - 7 。世界各国相继正在开发马氏体钢轨钢和贝氏体 钢轨钢，而且正在一些发达国家高速铁路上试验。随着重轨钢的发展，钢轨的高强度化将 是一种必然趋势。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 伴随着重轨钢的开发，钢轨钢的生产工艺产生了一系列变化。钢轨全长淬火工艺的研 究已经有了5 0 多年的历史。法国、德国、日本等国通过实验研究，已经建成许多不同规 模的热处理机组。目前世界上应用最广泛的淬火工艺是钢轨轨头感应淬火。它可以分为两 类：全长淬火和轨端淬火。国外主要采用比较先进的全长淬火工艺，钢轨全长淬火工艺主 要有：全长感应淬火、整体油浸淬火、整体常化轨头淬火和二步火焰加热轨头淬火。根据 资料【8 1 ，这几种成熟的淬火工艺优缺点比较见表1 2 。 表1 2 典型全长淬火工艺比较 1 1 2 我国重轨的发展 1 8 7 6 年，中国第一条铁路无淞铁路诞生了【9 】。直到1 9 4 9 年，我国开始了大规模地 建设铁路，到2 0 0 9 年底，我国铁路营业总里程达n ) k 万多公里。不仅如此，我国正在大 规模地建设高速铁路。2 0 0 7 年4 月1 8 日零时起，中国铁路第六次大面积提速开始实施。 这次提速标志着我国铁路已有线2 0 0 k m h 以上提速实现了零的突破。因此，这次提速是中 国铁路发展史上的里程碑。这也预示着中国高铁时代的来临。 中国铁路的发展带来了重轨前进的步伐。在共和国诞生之初，中国还不能生产一条用 于铁路建设的重轨，现在，中国生产的钢轨不仅登上了青藏高原，而且铺向了国外。新中 国成立后的鞍钢，只用了4 年时间，就生产出了中国的第一条重轨，实现了重轨生产零的 突破。鞍钢在过去的半个多世纪中，从最开始生产长度1 2 5 米、2 5 米重轨，发展到现在 的5 0 米，并且具备了生产长1 0 0 米、7 5 k g m 重轨的能力。鞍钢重轨不仅用于国内重要铁 路线上，还用于国外许多国家和地区，例如伊朗、朝鲜、泰国等。半个多世纪过去了，重 轨也不再是只有鞍钢能生产，攀钢、包钢、武钢等钢铁企业相继掌握了重轨生产技术。此 时鞍钢开始把高速重轨作为主要目标。从第一条重轨，到青藏铁路，再到今天的高速重轨， 这些都是中国钢铁不断发展的见证。 目前，我国重轨生产工艺起步较晚，正处于积极探索之中。我国生产重轨的厂家共有 四家：攀钢、鞍钢、包钢、武钢。以攀钢钢轨热处理工艺的发展【l o 】为例，它经历了离线热 处理和在线热处理两个时代。经过长期的实践与探索，我国重轨的发展方向为重型化、品 种多样化和工艺现代化三个方面。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 表1 3 攀钢钢轨热处理工艺发展历程 1 2 重轨淬火方式 1 2 1 轨端淬火 目前，重轨轨端淬火应用较广泛的工艺如下：采用感应加热器，将重轨轨端加热至 9 0 0 - 9 5 0 ，保温一段时间后，通过喷雾或喷风进行冷却，高温奥氏体发生相变转变成 细珠光体，而表层在心部高温的作用下进行自回火，表层形成回火索氏体。 重轨轨端淬火主要有两种冷却方式：喷雾和喷风。钢轨喷雾淬火工艺采用风和水的机 械混合物作为淬火介质，淬火冷却不均匀，易出现马氏体等组织：喷风淬火工艺采用压缩 空气作为淬火介质，淬火冷却较均匀，质量稳定，尤其是加入侧面喷风冷却装置后，硬度 分布更合理，有利于提高重轨抗侧磨能力【l l 】。目前，喷风冷却是重轨轨端淬火发展的趋势。 轨端淬火存在几个主要的质量问题【1 2 】： ( 1 ) 淬火硬化层的形状不佳。 ( 2 ) 淬火硬度分布不均，圆角处的硬度高于踏面处的硬度。 ( 3 ) 局部淬火硬度偏高。 ( 4 ) 经常有淬火马氏体和贝氏体等非平衡组织存在。 1 2 2 全长淬火 钢轨全长淬火是提高钢轨强度的主要途径之一。凡是6 0 k g m 及以上的钢轨要求采用 全长淬火【1 3 】，这是铁道部的技术要求。钢轨的全长淬火诞生于十九世纪初，经过一百多年 的努力，钢轨全长淬火已发展为两种基本类型：钢轨轨头表面全长淬火和钢轨整体全长淬 火。 钢轨全长淬火工艺按淬火速度可划分为完全淬火法( q t ) 和欠速淬火法( s q ) ；按工艺 不同又可划分为六种方法：( 1 ) 整体油浸淬火；( 2 ) 感应淬火；( 3 ) 常化淬火；( 4 ) 二步火焰淬 火；( 5 ) 轧制余热淬火；( 6 ) 快速加热炉淬火。其中感应淬火是应用最为广泛的钢轨全长淬火 方法。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 重轨的感应淬火强化原理及工艺 感应加热是最常用的表面加热淬火方法。通过感应加热，可以获得满足工件所需的表 层。利用感应加热淬火，工件的表面得到硬化层，而工件的心部仍可保持原始显微组织和 性能不变，从而在保持心部韧性不变的情况下提高了疲劳强度和耐磨性，使工件综合性能 良好【1 4 】。感应热处理还可减小淬火变形和节省能源消耗。 感应加热设备可按电源频率分为工频、中频、高频和超音频，各频率范围和加热的功 率密度如下表1 4 。 表1 4 感应加热方法的分类 1 3 1 感应淬火原理 感应加热所运用的原理主要有三种：电磁感应，表面效应和热传导。感应加热表面淬 火原理如下： 把工件放在感应加热器内，在交变磁场的作用下，产生感应电流。这种电流在工件内 部自成封闭回路，这就通常所说的涡流。涡流对工件进行加热。由于涡流现象，工件内部 电流便趋向于表层，电流强度沿着表面往心部呈指数规律衰减，这种现象叫表面效应。感 应加热就是利用表面效应把工件表面快速加热到淬火温度的，而心部几乎没有电流通过， 也就是说没有热量产生，在短时间内温度保持不变。随后，通过感应圈喷水或者冷却液进 行冷却，工件表层被淬硬，达到表面淬火的目的( 见图1 1 ) 。 巾翩热感应_ 一二l 霍 耋 嗲 i q l |j 一嚣一l 一1 一 电藏叠串鏖 图1 1 感应加热表面淬火示意图 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 3 2 感应淬火快速加热的影响 感应加热是一种快速加热方法，加热速度对相变温度和组织都有很大影响。 重轨钢是一种亚共析钢，对于亚共析钢而言，加热速度越快，所得到的奥氏体晶粒越 细。一般在生产中采用大于3 1 0 s 的加热速度，可得到较细的奥氏体晶粒。加热速度 越快，相变进行最激烈的温度和完成相变的温度越高。研究表明【1 5 】，亚共析钢中的自由铁 素体向奥氏体转变的上限温度不会超过9 1 0 。在快速加热的情况下，亚共析钢中的铁素 体全部转变为奥氏体后，会出现残余碳化物，奥氏体不能完全均匀化，导致淬火后马氏体 中的含碳量不一样。为消除这种现象，可以采取提高加热温度的办法来解决，然而，温度 过高会导致奥氏体晶粒变得粗大。感应加热淬火时，要想获得某一温度下的较高硬度，可 以调整加热速度。对于同一种钢而言，感应淬火表面硬度比普通加热淬火硬度要高些。从 而导致其强度也比普通加热淬火好。 1 3 3 感应淬火冷却介质的选择 淬火介质的选择首先要保证加热淬火层获得足够的冷却速度，又不至于因冷却速度太 大而造成开裂【1 6 】。感应加热淬火冷却介质选择应考虑如下因素：( 1 ) 材料；( 2 ) 工件形状 和大小；( 3 ) 加热方式；( 4 ) 淬硬层深度。 感应淬火常用介质主要有水、溶液和油( 表1 5 ) 。其中最常用的淬火介质是水，一般 适用于碳的质量分数低于0 4 7 的碳钢，以及含碳量高的低淬透性钢。对于含一定量的 m n n i 等元素的低合金钢，可选用冷却速度较低的淬火液，如油。 目前应用最为广泛的冷却方式为喷射冷却。喷射冷却与静止水或搅拌水的淬火烈度相 差很大。由于喷水冷却速度很大，需要对它进行控制，可以通过改变水压和水温来调节。 常用冷却方法有很多，不同的冷却方法所对应的冷却介质也不一样。 表1 5 常用冷却介质 最大冷却速度时平均冷却速度( s 。1 名称 所在温度冷却速度( s - 16 5 0 k 5 5 0 3 0 口乏0 0 2 0 c 静止水 3 4 0 7 7 51 3 54 5 0 4 0 静止水2 8 55 4 51 1 04 1 0 6 0 静止水2 2 02 7 58 01 8 5 1 0 n a c i 溶液5 8 02 0 0 01 9 0 01 0 0 0 1 0 n a o h 溶液 5 6 02 8 3 02 7 5 07 7 5 2 0 1 0 号机油4 3 02 3 06 0 6 5 8 0 1 0 号机油 4 3 02 3 0 7 05 5 2 0 3 号锭子油5 0 01 2 01 0 05 0 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 4 感应淬火的优点及意义 感应淬火是一种快速加热的热处理工艺。作为一种表面热处理方式，已被广泛应用。 感应加热淬火技术的优点如下： ( 1 ) 属于表面淬火，由于加热时间较短，变形较小，氧化皮很少。 ( 2 ) 能快速进行热处理，感应淬火的加热时间一般在几秒钟以内，缩短生产周期。 ( 3 ) 可进行工件局部淬火，能精确地将工件需进行局部加热。 ( 4 ) 节约能源和成本，感应淬火的能源损耗比其他热处理少得多，降低生产成本。 ( 5 ) 清洁度很高，感应淬火所用淬火液一般为水或溶液，淬火时对环境污染小。 ( 6 ) 操作方便，可以很快地完成大量工件的生产，而且可以减少体力劳动，提高生产 效率。 感应淬火不仅加热速度快，而且加热时间很短，使得相变在很大的过热度下进行，形 核率和长大速度都很大，但由于加热时间短，奥氏体晶粒来不及长大，最后形成较细的奥 氏体晶粒。从而使得淬火后得到的珠光体片层间距较小，造成表面硬度较高，提高零件的 耐磨性。 表面淬火既可以保持心部有较好的韧性，又可以使表面具有较高的硬度，故广泛应用 于制造造各种齿轮和轴类零件。 1 4 重轨热处理基础理论研究 1 4 1 珠光体转变理论的研究 大量资料表明，片层间距细小的珠光体钢轨钢具有很好的强度与耐磨性【1 7 。2 0 1 ；珠光体 的组织形态是影响重轨钢使用性能最重要的因素【2 心4 1 。要获得良好的珠光体组织，必须先 了解珠光体的内部组织结构及转变机理。因此，珠光体转变理论的研究为重轨热处理工艺 的发展提供了理论基础。 珠光体是一种共析转变产物。它是由共析铁素体和共析渗碳体( 或碳化物) 组成的， 属于两相组织，而且两相以界面相结合，各相之间具有一定的位相关系。片状珠光体中相 邻两片渗碳体( 或铁素体) 中心之间的距离称为珠光体的片间距。珠光体依据片间距的大 小，可以分为珠光体、索氏体和屈氏体三种( 表1 6 ) 。 表1 6 片状珠光体类型 与珠光体转变机制密切相关的一个话题，就是领先相问题，即渗碳体和铁素体两相谁 先形成的问题，由于至今未能用实验证明，所以此问题尚无定论【2 5 。2 7 】。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 关于珠光体转变机制，现在有人认为它是过冷奥氏体分解得到的共析铁素体和共析碳 化物的整合组织。铁素体和渗碳体两相是一个整体，在共析反应中同时生成，在时间上不 分先后。 寓碳区 ( a ) 在晶界处出现 形成珠光体( c ) 晶核长大， ( d ) 晶核长大， 随机成分涨落晶核w + f e 3 c ) 形成珠光体团形成珠光体团 图1 2 珠光体晶核形成及长大示意图 按照珠光体这种同步形核机理，过冷奥氏体中的贫碳区和富碳区就是珠光体形核的必 要条件。一旦满足形核条件时，在贫碳区形成铁素体核坯的同时，在富碳区也形成渗碳体 的核坯，二者同时同步进行，共同组成一个珠光体的晶核( 见图1 2 ) 。 对于珠光体的长大有两种不同的机制。一种认为碳原子在奥氏体内的体积扩散是速率 控制机制，另外一种观点认为碳原子的晶界扩散是速率控制机制【2 8 - 3 0 。还有人认为体积扩 散和晶界扩散都是一种同时存在的混合机制【3 l - 3 3 1 。 珠光体的长大有两种，一种是端面方向长大，另一种是侧面方向长大。有人认为珠光 体的长大是通过界面扩散进行的，长大速度快。 珠光体的长大速度v 根据z e n e r - h i l l e r t , 可以简化为 v - a g e ( a t ) 2 式中k 热力学系数 见一界面扩散系数 公式( 1 1 ) r 一过冷度 可见珠光体长大速度随着过冷度的增大而加快，而且与扩散系数成正比。珠光体晶核 的长大是依靠界面扩散迅速长大的。 1 4 2 贝氏体相变及其过渡性 1 4 2 1 贝氏体分类 贝氏体组织主要分为上贝氏体、下贝氏体两类。二者在组织形貌上的主要区别有两点， 一是铁素体的形态不同，二是碳化物的形态和析出位置有差异。其组织特征区分如下表1 7 。 表1 7 上下贝氏体区别 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 组织类型形成温度 形貌特征 亚结构 有一定的位错组态【3 4 】，比板条马氏 上贝氏体b 上3 5 0 5 5 0 羽毛状体低2 3 个数量级，形成温度越 低，位错密度越大。 有位错结存在，而且位错密度比上 下贝氏体b 下3 5 0 m s 黑色针状 贝氏体铁素体高3 5 。3 6 】，但未发现孪 1 4 2 2 贝氏体相变 钢中的贝氏体相变【3 7 4 1 j 是发生在共析分解和马氏体相变温度范围之间的中温转变。由 于贝氏体相变的复杂性，目前，贝氏体相变的理论研究还不成熟，贝氏体相变学说相变分 歧很大，但也存在共识： ( 1 ) 有表面浮凸效应，上贝氏体和下贝氏体均有。 ( 2 ) 贝氏体相变属于扩散型相变，相变过程中有碳原子的扩散。 ( 3 ) 贝氏体转变过程主要是贝氏体铁素体的形核及长大过程。 发生贝氏体相变争论主要有切变学派的r e h e h e m a n n 和扩散学派的h i a a r o n s o n 。 r e h e h e m a n n 认为，贝氏体组织在形貌上与无扩散的切变产生的马氏体相似：h i a a r o n s o n 则认为，在贝氏体铁素体宽面上存在巨型台阶，说明贝氏体可能按扩散台阶机制形核和长 大。他们争论的核心问题是：贝氏体相变是属于切变机制还是扩散机制。 后来又出现了台阶扩散长大学派，其开创者a a r o n s o n 认为，切变长大和扩散长大主要 是通过台阶机制来实现的。这就缩小了上面两派的分歧。 1 4 2 3 贝氏体的过渡性 钢的贝氏体相变发生在中温转变区，它与高温区的珠光体分解及低温区的马氏体相变 都有密切的联系，因此，本文需要研究贝氏体相变的过渡性质【4 2 4 3 1 。 过冷奥氏体转变可以分为三个阶段：即高温区的珠光体转变一中温区的贝氏体相变一 低温区的马氏体相变。由此可见，贝氏体转变是过冷奥氏体转变的中间过渡环节( 图1 3 ) 。 首先，贝氏体相变同珠光体相变一样具有扩散性质，即碳原子的扩散，故称为半扩散 相变m 】上贝氏体在奥氏体晶界上形成贝氏体铁素晶核，珠光体分解也可以在奥氏体晶界形 核，两者有相似性。但上贝氏体与珠光体在转变机制上有差别，珠光体分解是铁素体和碳 化物两相共析共生的过程；而贝氏体相变在晶界首先析出贝氏体铁素体晶核，并长大，渗 碳体何时析出，以什么形态析出不确定。他们不是共生共析关系。 其次，下贝氏体转变与马氏体转变既相联系又有区别。下贝氏体的组织形貌具有针状 或片状特征，与马氏体相似。但下贝氏体铁素体片条有其特殊性，已有不少研究指出，贝 氏体铁素体由许多细小的亚片条、精细亚单元组成【4 5 】，还有人认为【4 “7 】，贝氏体铁素体片条 由5 - 3 0 n m 细小孪晶组成。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 8 0 甲。 高温o 兮 瑙f o 匐 秘l 中温o o 王o o 真氏体 7 2 3 i ： 二 低温 l o o 马氏俸步 0 51248 1 53 012t81 5 3 0l2481 5 m 主曩h l 吁阀 图1 3 共析碳钢c 曲线 1 4 3 共析钢的加热转变与控制 对重轨而言，采用何种工艺，决定了获得组织的好坏。一般来说，钢在加热时形成奥 氏体的化学成分，均匀程度，晶粒大小直接影响钢在冷却后的组织和性能。因此，研究钢 在加热时的组织转变，控制钢在高温下的组织形态，对保证产品质量有重要意义。 重轨加热的目的是为了获得较细的高温奥氏体组织。奥氏体的形成过程如下： 奥氏体形核一奥氏体长大一剩余奥氏体溶解_ 奥氏体成分均匀化 奥氏体的形成是原子扩散的过程。其形成速度的影响因素有： ( 1 ) 加热温度加热温度越高，奥氏体形成速度越快。它的作用最为显著。 ( 2 ) 保温时间在a c i 以上只有保温一段时间，奥氏体才能形成。 ( 3 ) 原始组织原始组织越细，奥氏体形成速度越快。 ( 4 ) 化学成分碳含量越高，奥氏体形成速度越快。合金元素可提高奥氏体形成速度。 奥氏体体晶粒大小影响最终形成组织的性能。影响奥氏体大小的因素有： ( 1 ) 加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。 ( 2 ) 加热速度加热速度越快，奥氏体起始晶粒越细。但如果保温时间过长，晶粒会 变粗大。 ( 3 ) 原始组织原始组织越细，奥氏体起始晶粒度越小。 ( 4 ) 化学成分碳的影响最大。碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加；但含碳量达 到一定量后，奥氏体晶粒长大倾向变小。 由此可见，如果采用快速加热，短时保温的方法，可以获得细小的实际晶粒尺寸。重 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 轨感应淬火应用的正是此种工艺。 总之，控制了上述影响因素即控制了钢的加热转变。 1 4 4 过冷奥氏体转变及c c t 曲线 重轨的加热转变，是为了获得均匀和细小的奥氏体晶粒，但得到高温奥氏体组织不是 最终目的。重轨的冷却转变才是热处理的关键工序。因此，研究过冷奥氏体的转变规律， 对制定合理的重轨热处理工艺有重要的实际意义。 1 4 4 1 过冷奥氏体转变 过冷奥氏体是指在临界点a l 以下冷却能够存在，而且不能够稳定存在，将要发生转变 的奥氏体。由于冷却速度不同，过冷奥氏体将转变成不同的组织。根据转变温度和转变产 物不同，共析钢”r r 图( 图1 3 ) 由上至下可分为三个区： a 1 一 5 5 0 珠光体转变区 5 5 0 m s贝氏体转变区 m s 一- m f马氏体转变区 过冷奥氏体存在一个孕育期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。共析钢在 5 5 0 c 左右孕育期最短，表示奥氏体最不稳定。 1 4 4 2c c t 曲纷 过冷奥氏体连续冷却转变曲线又叫c c t 曲线。重轨热处理时的冷却转变多数是在连续 冷却条件下进行的。因此，建立c c t 曲线图对实际生产具有指导意义。 c c t 曲线图的建立【4 8 - 5 0 】主要有： ( 1 ) 金相硬度法，奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不一样； ( 2 ) 膨胀法，奥氏体和转变产物的比容不同； ( 3 ) 磁性法和电阻法，奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。 本次重轨c c t 曲线的建立采用膨胀法。它的基本原理是：在膨胀仪中将试样加热到奥 氏体化，然后采用不同冷却速度冷却，记录膨胀量，把膨胀曲线上的转折点( 即转变的开 始点和终了点) 标记在坐标上，并观察金相组织。分析转折点和对应的金相组织，将物理 意义相同的点连接起来，即可得c c t 图。通过c c t 图，我们可以知道奥氏体在不同冷却 速度下的转变产物。 c c t 曲线的最大意义就在于它可以确定淬火临界冷却速度( v c ) 。所谓v c 就是保证奥 氏体在过冷时全部得到马氏体的最小冷却速度。其计算公式为： 您：鱼二幺 c s 1 5 r ( 公式1 2 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 式中v c 一临界冷却速度； a l - 钢的临界点( ) ； k 一鼻尖处温度( ) ； _ n - 鼻尖处的孕育期( s ) 。 另外，还可以通过它来分析转变产物组织及性能，制定合理的冷却工艺等。 1 5 本文研究背景及内容 2 0 世纪6 0 年代以来，世界铁路的发展趋势是高速化、重载化。高速铁路技术已经逐 渐被世界各国所掌握，并获得了不少业内人士的认可。所谓高技术铁路【5 1 1 ，就是以高速铁 路、重载铁路和自动化铁路为代表的。高速铁路的发展历史证明，2 1 世纪将会迎来高速铁 路时代。这是因为，它具有其他交通运输无法比拟的优点：( 1 ) 运输效率高，运输量大， 运行的成本低；( 2 ) 能源消耗低，有利于保护环境；( 3 ) 安全，舒适，准时。 我国铁路正处于发展阶段，2 0 0 7 年铁路的第六次提速，为我国铁路的发展翻开了新的 一页。目前，我国铁路网中长期规划关于铁路快速客运通道为四纵四横，建设客运专线1 2 万公里以上，客车速度目标值达每小时2 0 0 公里以上。这说明我国的钢轨市场前景很大。 我国目前已经是钢铁生产大国，全国大大小小的钢厂已达到2 0 0 多家，据统计，仅5 0 k g m 及其以上轨型年生产能力已达到1 5 0 万吨以上【5 2 】。 为适应我国铁路发展的需要，近几年来，鞍钢、攀钢、包钢、武钢均投入许多资金进 行钢轨生产的技术改造，钢轨的生产技术装备已接近或达到了国际先进水平。鞍钢、攀钢、 包钢均能生产1 0 0 m 长钢轨，武钢不久也能供应1 0 0 m 长钢轨。因此，中国钢轨生产企业 已具备为中国铁路减少大量接头的条件。为了减少铁路维修费，使用1 0 0 m m 钢轨是一种 合理的选择，百米重轨必将引起世界各国的重视。目前，我国生产的1 0 0 m m 重轨数量远 远不能满足实际铁路建设的需求。 u 7 1 m n 重轨是武钢大型厂近年来主要生产的钢轨之一。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年，先后试制了 5 0 k g m 、6 0 k g m 锹l 5 3 】。其中包括2 5 米长5 0 公斤米重轨，由于当时生产的重轨不用于主干 线，不需要检查踏面硬度，所以没有引起质量异议。2 0 0 3 年下半年，深圳地铁工程、河南 省汤石铁路改建工程使用了武钢生产的5 0 公斤米重轨，根据t b 2 3 4 4 9 31 4 3 7 5 公斤钢轨 技术协议和g b t 2 5 8 5 8 1 铁路用每米3 8 5 0 公斤钢轨技术条件检验，均认为钢轨的淬 火层形状不合标准要求。这样迫使大型厂2 5 米长5 0 公斤米重轨帽形淬火的工艺必须达到标 准要求，面对这样的严峻形势，大型厂2 5 米长5 0 公斤米重轨帽形淬火攻关组制定了详细的 帽形淬火工艺研制计划。资料表明【5 4 1 ，武钢生产的重轨已基本实现了系列化，目前正进行 1 0 0 m 长重轨生产线的建设，以满足国内高速铁路对重轨的要求。 尽管重轨在生产技术方面取得了一定的进展，但重轨质量还存在很多问题，例如硬度 偏高，淬火组织不合格等。因此，本课题着重研究u 7 1 m n 重轨轨头淬火工艺，并为制定 重轨热处理关键工艺方法提供科学依据。 本课题主要研究内容有： 第1 2 页武汉科技大学 硕士学位论文 1 重轨帽形淬火工艺特点分析 ( 1 ) 重轨帽形淬火组织转变特点及过程分析； ( 2 ) 重轨帽形淬火装置的特点分析。 2 重轨组织性能的影响因素研究 ( 1 ) 研究不同加热温度对组织性能的影响； ( 2 ) 研究不同冷却速度对组织转变过程的影响。 3 重轨帽形热处理工艺分析及控制研究 ( 1 ) 研究重轨淬火工艺特点； ( 2 ) 研究重轨淬火工艺控制对组织性能的影响； ( 3 ) 研究重轨淬火工艺控制对帽形的影响； ( 4 ) 进行工艺综合分析，确定工艺参数最佳调整范围。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第二章热处理工艺对重轨组织性能的影响 重轨热处理工艺包括：全长淬火和轨端淬火。目前武钢大型厂主要采用轨端淬火工艺。 要获得良好的淬火组织，必须对整个重轨热处理过程加以严格的控制。这是因为重轨组织 性能的影响因素很多，其中包括加热温度、保温时间、加热时间、冷却时间和冷却方式等 等。本章主要针对重轨组织性能的影响因素进行了一系列的实验研究。 2 1 不同加热温度对组织性能的影响 2 1 1 实验内容 2 1 1 1 实验目的 通过加热一硬度实验，研究不同加热温度条件下硬度变化规律及可能对组织性能的影 响；通过加热实验金相组织检验，分析不同加热温度条件下的高温( 奥氏体) 组织， 研究重轨帽形热处理时不同加热温度对组织性能影响，为确定重轨帽形热处理时最佳加热 制度奠定基础。 2 1 1 2 实验材料制备 本实验所用试验样品均为武钢大型厂生产的6 0 k g 级牌号u 7 1 m n 重轨轧后半成品样， 取样长度2 0 0 m m 。为研究重轨高温奥氏体组织，试样材料均未经过热处理，以保留它的原 始组织。u 7 1 m n 重轨化学成分见表2 1 。 表2 1 试样化学成分( ) 牌号 cs im nps vn b u 7 l m h0 6 5 旬7 6o 1 5 d 3 51 1 0 , - - 1 4 05 0 0 3 0郢0 3 09 0 3 09 0 1 0 2 1 1 3 实验仪器 箱式电阻加热炉、硬度计、金相显微镜 2 1 1 4 实验步骤 ( 1 ) 在线切割机上取样长宽高分别为1 8 m m 、1 5 m m 、6 m m 。所取试样一共七个，分 别编号为j 1 - j 7 。 ( 2 ) 分别将试样j l j 7 放入箱式电阻加热炉进行加热，到达指定温度时开始保温 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 0 m i n ，然后小心打开炉门将试样取出，迅速放入水中进行淬火。实验数据见表2 2 。 表2 2 加热实验数据 试样编号加热时间( w i n )加热温度( )保温时间( r a i n ) j l8 2 01 0 j 28 4 0 1 0 j 38 7 01 0 j 48 9 01 0 j 59 1 01 0 j 69 3 01 0 j 79 5 01 0 ( 3 ) 将冷却后的淬火试样进行镶嵌，然后磨光和抛光，表面呈光亮的镜面。 ( 4 ) 将抛光好的试样采用4 硝酸酒精溶液进行腐蚀。腐蚀过程包括试样清洗一酒精 擦洗_ 浸蚀一冲洗一酒精擦洗一烘干等。浸蚀时应注意观察试样表面情况，当镜面失去光 泽变成灰暗即可，时间为几秒到十几秒。 ( 5 ) 然后在显微镜上进行组织观察，并选取清晰的组织进行拍照。 2 2 2 结果分析与讨论 2 2 2 1 硬度测试结果分析与讨论 采用硬度计分别对七个淬火试样进行硬度测试。测试结果见表2 3 。 表2 3 硬度测试数据 测试点硬度值( h r c ) 平均硬度值 试样编号 1 点2 点3 点 ( h r c ) j l6 26 46 6 6 4 j 2 6 5 56 66 6 5 6 6 j 36 66 66 66 6 j 46 6 5 6 6 5 6 6 56 6 5 j 56 56 66 76 6 j 66 26 2 56 36 2 5 j 76 06 16 26 1 硬度测试结果表明，j l - 一j 7 号试样的硬度波动范围为6 l 到6 6 5 之间。采用图形能更 好地表示出温度与硬度的对应关系( 见图2 1 ) 从图2 1 中可以看出： ( 1 ) 从8 2 0 1 2 到8 4 0 ，硬度呈明显上升趋势； ( 2 ) 从8 4 0 到9 1 0 ，硬度无明显变化，趋于稳定； ( 3 ) 从9 1 0 到9 5 0 ，硬度呈明显下降趋势。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 7 b 5 8 工t y 8 4 v 翟。 群 u u uu 2 u廿4 u日5 u日8 0日口o耳z 口w 4 口u u o 加热