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铌在微合金化钢轨钢中的作用
信息来源:世界金属导报2016-04-19B12      时间:2016-04-20 09:23:32

通常,在热轧钢轨的过程中,由于钢轨各个部位受到的变形程度不同,因此奥氏体晶粒结构不均匀。本文利用Nb微合金化技术可能带来的作用,对材料进行热机械轧制,因此最终在钢轨的关键部位可能实现饼状、细小的奥氏体晶粒。这种合金设计的本质包含避免在非平衡凝固态造成的化学成分偏析部位出现粗大的NbC析出物。本文研究了珠光体和无碳贝氏体钢轨,该课题是为解决高碳微合金化钢设计的共性问题。

1前言

钢轨钢主要依赖它的耐磨性能和滚动接触疲劳性能。尽管钢轨钢的一般特点到处都能查阅,但众所周知,钢轨的奥氏体晶粒结构不均匀,同时也难以实现尺寸细化。本文的目的是开发Nb微合金化成分设计,可使钢轨进行热机械轧制,从而获得高度细化的、饼状奥氏体晶粒结构。细小的奥氏体晶粒尺寸带来许多优势。其中,我们将奥氏体晶粒尺寸定义为平均线割尺寸(Lγ)。Lγ值越小,则最终转变后的组织越细,脆性夹杂物的影响作用也随之降低。随着Lγ减少,在奥氏体晶粒表面的渗碳体颗粒尺寸或渗碳体膜的厚度越小。

钢轨采用尺寸为300mm×440mm×4700mm的板坯来生产,将板坯加热至1200℃,然后在不到20道次内变形至所需的断面。当板坯在1200℃加热4h后,初始奥氏体晶粒尺寸超过460μm,在最初的两个道次变形后,晶粒尺寸降至约50μm,之后,在随后的道次中晶粒尺寸保持在该值。缺乏微合金化元素导致在加热温度下组织粗大,所有的后续变形使钢在道次之间处于再结晶状态。通常,钢轨钢中的奥氏体晶粒尺寸随着取样位置不同(图1)和工艺参数的变化而存在显著的变化。轨底部位由于经历较大的塑性变形,因而具有更加均匀、相对细小的奥氏体晶粒尺寸。

加入合适的微合金化元素,如果能够延迟奥氏体再结晶过程,则将导致变形程度较低的的轨头产生明显的晶粒细化。这种对再结晶的抑制是在对大量低强度材料控轧中形成的非常确定的过程,因此技术成熟,尽管是针对低碳钢。但对钢轨钢,这种有意思的作用从来没有被利用,也就是说,尤其是要在钢轨的轨头部位实现饼状奥氏体结构。饼状化使晶粒形状具有更高的各向异性,将导致单位体积内的晶粒表面积显著增加。同样,在未再结晶奥氏体内的剪切带变形,使晶粒进一步细化。例如,在加热温度下固溶的Nb,如果随后的变形促进析出,则本身就可以抑制变形过程中奥氏体再结晶。

2铌在高碳钢中的作用

当奥氏体中与NbC平衡的C含量为0.8%(wt%,下同)时,1200℃时Nb在奥氏体中的溶解度只有0.01%,这就是为什么在高碳钢中Nb微合金化技术很少起作用的原因。尽管如此,对Nb微合金化钢轨的开发工作也取得一定成果。Nb的加入(0.04%)可使1200℃保温30min后的奥氏体晶粒尺寸Lγ从360μm降至220μm。尽管在加热温度下溶解的Nb量低,但对奥氏体调节和随后的珠光体转变产生强烈影响。这对钢轨而言是个好的预兆,因而从方坯加热炉出钢进入轧机时的奥氏体晶粒尺寸细小。

早期试验研究表明,特别是在调整Cr、C和Si含量的情况下,加入高达0.047%Nb,可使钢轨的性能得到改善。在近来开展的研究中,Nb加入(高达0.073%,最佳含量为0.053%)到重轨钢中,可获得仅为7.2μm的等轴奥氏体晶粒,同时断裂韧性高达50MPa·m1/2。研究用钢不是大规模工业试制用钢,而是50kg实验室熔炼炉熔炼。研究也发现,由于Nb的加入,降低珠光体片层间距,在珠光体的铁素体片层和渗碳体中明显观察到富Nb的析出物。其他研究也发现Nb微合金化的钢轨有着相同的断裂韧性。与V作为微合金化元素的钢轨相比,Nb微合金化钢轨具有更高的强度和延展性。

对高C(0.85%-1.01%)、Nb微合金化(0-0.12%Nb)钢轨钢的研究表明,当Nb含量低于0.05%时,Nb的加入对材料的强度、塑性和淬透性等力学性能均产生有利作用。

3合金设计

本研究设计了两种合金成分,一种为珠光体钢,另一种为无渗碳体的贝氏体钢轨,化学成分见表1。贝氏体钢轨含更高的Si,从而抑制富碳奥氏体中析出渗碳体,其平均碳含量低于珠光体钢,这是由于贝氏体相变的位移机制产生高度细化的微观组织,从而实现与珠光体钢轨相同的硬度水平。

利用Gul l iver-Scheil公式估算凝固过程中的化学成分偏析程度,因为在凝固温度下C是一个快速扩散的溶质,可以假设它发生反向扩散。模型考虑一维、连续冷却凝固,在均匀的液相和不均匀的固相之间发生溶质配分。最后剩余10%液相的成分认为代表高偏析程度的区域,其中可能形成粗大、难以溶解的NbC颗粒。随后计算了相的比例和成分,以及在最后富含溶质的10%液相凝固后所有Nb将处于固溶态的温度

结果如表1 所示,从表中可以发现,低碳贝氏体与高碳珠光体钢的固溶温度差异不大,不过,所有情况下贝氏体钢的

都高。热动力学计算结果证实,由于贝氏体钢中Si含量高,降低了Nb在奥氏体中的溶解度。该结果也表明,如果在工业生产条件下,最高加热温度是1300℃,则平均Nb含量wNb最高不超过0.01%。不过,这样低的Nb含量不可能实现在热加工过程中产生晶粒尺寸控制作用。同时,也有可能偏析区内NbC颗粒不会粗大到足以引起材料滚动接触疲劳性能下降。

为了评价这种影响,浇注了两种100kg试验钢,即表1中的“珠光体试验钢”,随后测量了Nb颗粒尺寸。图2(a)为0.009%和0.016%Nb钢在浇注条件下颗粒尺寸分布,每种情况下观察的最大尺寸不超过3μm,其中绝大多数颗粒的尺寸非常小。对钢轨钢而言,常见的非金属夹杂物的尺寸远大于本研究中偏析区内观察到的富Nb析出物尺寸。一般而言,根据钢的成分不同,夹杂物平均尺寸为18-28μm长、4.9-6.2μm宽,最大尺寸高达300μm长、9μm宽。

一些钢轨钢在板坯加热至1300℃轧制,而能效最高的加热从加热炉在1200℃时开始,在此温度下钢可能保温2h或更长时间。在本研究中,0.016%Nb钢在浇注后加热至1200℃、保温2h。图2(b)给出颗粒尺寸分布结果,可以看出,在保温处理后,富Nb颗粒尺寸显著减小。甚至在1250℃保温2h后同样条件下没有观察到富Nb颗粒。

4结语

钢轨钢可采用热机械轧制工艺,使得沿钢轨断面形成细小、均匀的奥氏体晶粒。基于避免在凝固时化学成分偏析区出现粗大的NbC颗粒这一指导思想,提出珠光体和无碳贝氏体组织的Nb微合金化理论基础。利用Gul l iver-Scheil公式理论上计算了偏析区的成分,采用动力学分析计算保证了偏析区内NbC溶解所需温度

。允许加入的Nb浓度一直降低,直到低于钢开始热轧工序的加热温度。

研究表明,对两种钢可以通过Nb微合金化,使偏析区内的碳化物尺寸远低于那些常见的非金属夹杂物尺寸。Si显著降低平衡条件下Nb在奥氏体内的溶解度,这对无碳化物贝氏体钢轨钢的合金设计而言是重要的考虑因素。

后续工作将集中在工业规模浇注以及研究进一步减小偏析区内富Nb颗粒尺寸的方法。同时正在开发数学模型,计算这些颗粒的尺寸分布。

(杨雄飞)

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