U75V钢轨TTT曲线_CCT曲线及感应热处理的显微组织分析_图文

1、1U75V 钢轨及其感应热处理原理U75V 钢轨是应我国铁路钢轨强化改造和发展而研制的微合金共析钢1。U75V 钢轨经过离线感应热处理后,可得到轨头对称帽形的硬化层(图1,硬化层的强韧性和耐磨性都得以明显提高2,从而能显著提高钢轨的服役寿命。当U75V 原材料供货状态为热轧态时,其组织为粗片状珠光体。感应热处理的原理是通过细化珠光体的片层间距而使钢轨轨头组织得到一定程度的强化,而心部仍保持原热轧组织。硬化层的组织为细珠光体或极细珠光体,见图2。其热处理过程为:P 较粗片层A 化P 细片层珠光体转变后,一个奥氏体晶粒可形成若干个珠光体团,每一个珠光体团又由一些珠光体领域组成,珠光体领域中的铁素体

2、和渗碳体片大体上维持相同的取向。珠光体团和珠光体领域的大小对珠光体的力学性能(除韧性外没有明显影响3。通过细化珠光体的片层间距是公认的珠光体热处理强化的基本理论。片层间距对珠光体的力学性能有着决定性的影响3。片层间距随转变温度的降低而减小,片层间距的倒数与过冷度呈线形关系3。奥氏体化温度、转变前奥氏体的晶粒大小对片层间距则无影响3。细化晶粒使材料韧性增加。晶界是裂纹扩展的阻力;晶界总面积增加,使晶界上的杂质浓度减少,U75V 钢轨TTT 曲线、CCT 曲线及感应热处理的显微组织分析张建国,敬雄刚(中铁宝桥集团有限公司,陕西宝鸡721006摘要:简要分析了U75V 钢轨的感应热处理原理,讨论了U

3、75V 钢轨的TTT 曲线和CCT 曲线,分析了一些典型的异常显微组织和产生机理,提出了其感应热处理的冷却速度范围。关键词:U75V 钢轨;TTT 曲线;CCT 曲线;显微组织;冷却速度中图分类号:TG156.99文献标识码:A文章编号:1001-3814(201008-0168-03TTT &CCT Curve and Microstructure Analysis of U75V Rail AfterInduction Heat TreatmentZHANG Jianguo,JING Xionggang(China Railway Baoji Bridge Group Co.,Lt

4、d.,Baoji 721006,China Abstract :The principle of induction heat treatment for U75V rail was analyzed,the TTT and CCT curve of U75V rail were discussed.Some typical abnormal microstructure and their generation mechanism were analyzed.Finally,the colling speed range of induction heat treatment was pre

5、sented.Key words :U75V rail;TTT curve;CCT curve;microstructure;colling speed收稿日期:2010-02-09作者简介:张建国(1977-,男,陕西岐山人,工程师,主要从事钢轨二次热加工工艺及其失效分析工作;电话:0917-*;E-mail:qszjg图1U75V 硬化层形貌Fig.1Morphology of U75V hardened layer×0.7525m图2U75V 硬化层显微组织Fig.2Microstructure of U75V hardened layer控制加热控制冷却避免产生沿晶脆性断裂4

6、。2控制加热感应加热属于快速加热,加热速度对U75V的相变温度、相变动力学以及形成的组织都有很大的影响。相变临界点随加热速度的增大而升高。加热速度越快,PA进行最激烈的温度和完成相变的温度越高,而所需的时间越短。在加热温度相同的条件下,加热速度越高,奥氏体越细小,成分越不均匀,其稳定性也越差5。对U75V钢轨的感应热处理,希望其奥氏体在粗珠光体转变区域冷速较快,使过冷奥氏体不至于在此温度区间转变为片层间距较粗的珠光体;同时希望过冷奥氏体在细珠光体转变区域停留的时间要足够长,使过冷奥氏体在此区间能完全转变为片层间距较细的珠光体而不残留。否则残留的奥氏体就有可能转变为贝氏体甚至马氏体组织。另外在实

7、际生产中,当U75V加热温度为11501180时,可能使奥氏体组织的晶粒度过分粗大。钢在加热后形成奥氏体组织的晶粒大小对冷却转变后的组织和一些性能有重要影响。奥氏体晶粒过分粗大时将显著降低钢的冲击韧度、减小裂纹扩展功和提高脆性转变温度。3控制冷却以及U75V的TTT、CCT 曲线讨论U75V是微合金共析钢,其化学成分与共析碳钢相比,主要是增加了Mn、Si和V的含量。它们对TTT曲线和CCT曲线的影响如下6:Mn降低珠光体转变和贝氏体转变的速度,使TTT曲线右移;但对TTT曲线的形状影响不大;并使TTT曲线的“鼻子”略向上移。Si的影响与Mn相似,但效果极小。V 降低珠光体转变的速度,同时还使珠

8、光体转变TTT 曲线向高温移动,贝氏体转变“C”曲线向低温移动。但含量较低时珠光体转变TTT曲线和贝氏体转变曲线不会分离。由于V在U75V中含量极小,故其对TTT曲线影响不大。虽然U75V是按共析钢设计,但碳只能控制在一个范围内,当含碳量大于或小于共析成分点时均使TTT曲线左移3。由共析碳钢的TTT曲线(图3可知,其在550的孕育期最短,不到1s,转变完成的时间也最短,仅需5s,形成的珠光体的片层间距最细,硬度最高。而在偏离550较大时,孕育期和转变所需时间大大加长。如705等温,需100s转变才可开始,完成转变需1h。U75V的TTT曲线相对于共析碳钢来说,右移比较明显,即过冷奥氏体更稳定,

9、转变的孕育期时间更长了;同时略向上移,即“鼻子”的温度比共析碳钢的550略高。从共析碳钢的CCT曲线(图4可知,完成AP 转变的临界最大冷却速度为35/s。而U75V的临界最大冷却速度大大减小,为10/s。4显微组织分析4.1硬化层过浅根据TB/T2635-2004要求,轨头硬化层深度应不小于15mm,而图5的硬化层深度仅12mm。硬化层过浅,主要原因是感应加热深度过浅,也就是奥800700600550500400300200100110102103104105共析碳钢U75V时间/s温度/图3共析碳钢及U75V的TTT曲线Fig.3TTT curves of eutectoid carbon

10、 steel and U75V×0.75图5硬化层过浅Fig.5Shallow hardened layer800700600550500400300200100110102103104温度/时间/s图4共析碳钢的及U75V的CCT曲线Fig.4CCT curves of eutectoid carbon steel and U75VA35/s14/s35/s1/s5/s共析碳钢U75V25m50m 25m图8马氏体组织Fig.8Martensite microstructure图9过渡区间的混合组织Fig.9Hybrid microstructure in transition a

11、era图10先共析铁素体Fig.10Proeutectoid ferrite氏体化深度过浅。奥氏体化是感应热处理使钢轨硬化的前提和必要条件。奥氏体化深度过浅有两方面原因,一是奥氏体化尚未达到预期目标时该部分的冷却温度已达到Ar1以下;二是本身的加热深度就不够。4.2珠光体层片间距没有得到所期望的细化此类组织是U75V在珠光体转变以前冷却速度太慢导致奥氏体提前向珠光体转变。由CCT曲线可知,其到达转变开始线时速度太慢而通过了粗片状珠光体的转变温度区,产生了片层间距不够细的珠光体,从而没有达到通过细化珠光体片层间距而硬化、强化珠光体的目的。表现在钢轨横断面硬化层硬度上是硬度普遍不高。4.3珠光体粒

12、化粒状珠光体是珠光体类组织中最稳定的、最平衡的组织,其强度、硬度均很低。在感应热处理中也有可能使片状珠光体在一定程度上粒化,从而得到并不期望的组织。奥氏体化加热温度偏低,奥氏体中的残留未溶碳化物或存在一些富碳小区时,冷却时较慢或在A1温度附近停留时间过长,渗碳体将在富碳区形核,或以未溶碳化物为晶核而发生珠光体转变,即形成了粒状珠光体3。典型组织见图6。4.4马氏体及贝氏体组织通常称珠光体转变为高温转变,贝氏体转变为中温转变,马氏体转变为低温转变。在钢轨热处理中马氏体是绝对不允许出现的组织。U75V热处理中产生的贝氏体主要是上、下贝氏体。上贝氏体典型微观形态呈羽毛状;下贝氏体为针状,与高碳马氏体

13、极为相似。在共析碳钢中上贝氏体产生于550 450,下贝氏体形成温度低于上贝氏体形成温度而高于M s点。发生此类不期望的组织转变,乃是过冷奥氏体在T0温度以上和T0温度(见图4左右冷却速度太快,使奥氏体在高温转变区域转变不充分而有残留,在继续冷却时即生成了贝氏体。如果在M s点时仍有残留的未转变的奥氏体,在继续冷却时即可能产生马氏体。出现此类组织时其宏观形貌见图7,典型的马氏体见图8,其中马氏体略有回火,马氏体与正常组织的过渡区间局部组织见图9。其过渡区间为马氏体、细珠光体、上贝氏体的混合组织。4.5先共析铁素体先共析铁素体表现为沿晶界生长的网状和晶界、晶内长成的等轴状5组织。先共析铁素体形成

14、网状组织的条件是:碳含量靠近共析成分、奥氏体晶粒较粗大、冷却速度较慢。远离共析成分的则较倾向于长成块状先共析铁素体5。在U75V的热处理中,则可能是在奥氏体化状态时保温时间过长和奥氏体转变为珠光体之前冷却速度过慢所致。典型的先共析铁素体见图10。图6粒状化珠光体Fig.6Granular pearlite 25m×0.75图7异常组织的宏观形貌Fig.7Macro-morphology of abnormal microstructure(下转第113页不同而引起的涂层内热应力,提高涂层的结合强度和抗热震能力,可在黏结底层和陶瓷表层间设计具有热应力缓和功能的过渡涂层。这个中间过渡层可

15、由不同层数组成,每层成分均由结合底层材料和陶瓷表层材料组成,且各层中这两种材料的组成比呈梯度变化,这种梯度变化的涂层结构可使金属基体到陶瓷工作层的热膨胀系数逐渐变化。许多研究表明:采用梯度TBCs设计,能有效提高涂层抗热震性能,延长它们的使用寿命。一些厚的梯度TBCs已应用在柴油机的一些零件上,并有着巨大的应用前景4。4.2改善TBCs的抗腐蚀性燃气轮机使用的燃料中通常含有Na和S等杂质,以Na2SO4形式沉积在高温部件上。因此,热障涂层经常遇到Na2SO4腐蚀问题。另外,纯ZrO2抗硫化性能较好,但稳定组元Y2O3和MgO在上述气氛中易受腐蚀。稳定组元从ZrO2中析出后,ZrO2由四方或立方

16、相转化为单斜相,这种相伴随的体积变化引起涂层的破坏。为了提高Y2O3稳定的ZrO2涂层抗腐蚀能力,可适当加入Al2O3和SiO25,在烧结过程中形成硅酸锆和硅酸铝,以提高涂层抗腐蚀性能。4.3纳米结构热障涂层传统微米结构的Y2O3部分稳定的ZrO2热障涂层,就像许多陶瓷一样,脆性严重。这种涂层在等离子体喷涂过程中,容易形成一些微裂纹。然而,当陶瓷具备纳米结构时,脆性大大降低,涂层应力的释放可以通过晶界滑动来实现6。制备纳米结构涂层的方法主要有:磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、电沉积、溶胶-凝胶法、热喷涂等。4.4研究新的陶瓷涂层新型TBCs材料与复合结构TBCs涂层体系的开发前景广阔,如

17、Mullite(3Al2O3·2SiO2,Cordierite (2MgO·2Al2O3·5SiO2,Calcium silicate(1.8CaO·2SiO2,ABS(BaO·Al2O3·2SiO2等新型TBCs材料和(Ce、Er、H fO2,(Y、La、Sc、Sm、Gd2O3等高温稀土合金氧化物稳定剂的综合开发。与国外热障涂层技术的研究相比,国内有关TBCs的理论和实验研究起步较晚,实际应用较少,无论是装备、工艺、材料和基础研究等方面,都存在较大的差距,特别是对厚层低应力热障涂层技术缺乏研究,涂层难以有高的疲劳寿命和可靠性,这已严

18、重制约着我国发动机及相关产业的发展,亟须开展高性能热障涂层技术研究。参考文献:1Czech N,Fietzek H,Juez Lorenzo M,et al.Studies of thebond coat oxidation and phase structure of TBCsJ.Surf.Coat.Techn.,1999,113(1/2:157.2毕晓日方,郭洪波,宫声凯,等.电子束物理气相沉积热障涂层抗高温腐蚀性能的研究J.中国腐蚀与防护学报,2002,22: 84-87.3Schulz U,Frit stcher K.Thermal cyclic behavior of microstructurally modified EB-PVD thermal barrier coatingsJ.Mater.Sci.Forum,1997,251-254:957.4Pint B A,Wright I G,Brindley W J.Evaluation of thermalbarrier coating systems on novel subst