·302 北京科技大学学报 第36卷 二相在钢中的溶解温度较高，因而能在钢的奥氏体 的奥氏体化温度及时间以形成细小、均匀的奥氏体 化过程中对晶界产生钉扎作用，从而抑制奥氏体晶 组织，成为影响机车车轮质量的关键因素之一，也是 粒的长大.但是，在加热过程中，第二相粒子发生溶 该钢种需要解决的问题之一.在实际生产中，该类 解或粗化，会引起第二相粒子的平均尺寸和体积分 钢的晶粒度要控制在7.0级以上.出于成本和产品 数的变化，进而影响奥氏体晶粒的变化.当前许多 特性考虑，机车车轮钢常采用A!来细化晶粒 文献对合金钢的奥氏体晶粒长大行为进行了研 本文对机车车轮钢的奥氏体晶粒长大行为进行 究B,而对机车车轮用钢研究较少 研究，分析不同加热温度和保温时间条件下奥氏体晶 机车车轮用钢属于高碳合金钢，具有高强度、高 粒的变化，同时进行奥氏体晶粒长大的动力学研究， 硬度、高的弹性极限和疲劳极限等特点.该类产品 并利用相关的实验数据对钢中第二相粒子的变化进 在实际生产过程中多使用近终形或半成品，由于其 行计算，分析实验条件下第二相粒子变化对奥氏体晶 形状的特殊性，在轧制过程中难以获得整体一致的 粒影响，为此类钢的工业化生产提供参考数据. 开轧、终轧温度，这样在整个轧制过程中其断面上存 在着一定的温度梯度：另外在热加工过程中该类产 1实验材料与方法 品的边、角温降不一，这都会增加奥氏体晶粒不均匀 试样取自某钢厂生产的机车车轮用钢，其化学 性，进而对产品性能产生影响.因此，如何控制适宜 成分见表1. 表1实验用钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the experimental steel % Si Mn Cr Als N Fe 0.72 0.4-1.0 0.60~0.90 0.012 ≤0.25 0.004 0.023 0.0061 Bal. 将试样进一步加工成10mm×7mm×7mm小 长大驱动力主要是由初始奥氏体晶粒尺寸的大小不 试样，然后放入箱式加热炉中进行加热，加热速度为 一造成的，奥氏体尺寸不均匀使得品界界面能偏高， 5K·s1,加热温度分别为：850、900、950、1000和 不稳定，为了维持系统平衡，晶界界面能自发降低， 1050℃，保温时间分别为：0、5、10、15和30min,然 导致晶粒长大.这种行为在保温初期表现较明显， 后淬火；为了清晰显示出奥氏体晶界，将淬火后的试 但随着保温时间的延长晶粒趋于均匀及第二相粒子 样在230℃回火30min,空冷至室温.将热处理后的 的存在，使得这种长大行为变得很缓慢. 试样研磨、抛光，用按一定比例配制成的饱和苦味酸 图2是不同加热温度下，保温I0min时奥氏体 水溶液+洗涤剂+盐酸侵蚀剂进行浸蚀，之后采用 晶粒组织的变化.从图上可以看出奥氏体晶粒随着 DMM-1O0C金相显微镜对奥氏体晶粒进行观察和 温度的增加而增加.在图2(a)~(c)之间虽有所长 拍照.根据ASTM E112一10标准中晶粒测量方法， 大但并不明显，此时晶粒尺寸都相对较小；从 采用截距法对奥氏体晶粒尺寸进行统计 图2(d)开始可以看到晶粒明显长大，单位面积上的 品粒数量明显减少，而单个晶粒的面积明显增加，这 2 结果与分析 说明晶粒的快速长大温度出现在950~1000℃之 2.1奥氏体晶粒组织 间.造成这种现象的原因主要有两个方面：一是随 奥氏体品粒长大最直接的表现就是微观组织的 着温度的升高，原来钉扎晶界的析出物开始变的不 变化，即平均晶粒尺寸增加.晶粒尺寸长大增加的 稳定：当温度升高到一定程度时，部分析出物溶解， 同时，晶粒的分布形态也发生着变化.图1是 部分粗化，导致钉扎效果减弱，晶粒快速长大.二是 900℃、不同保温时间下奥氏体晶粒尺寸的变化.从 随着温度增加，奥氏体中元素的扩散加速，导致晶界 图中可以看出图1(a)~(c)中奥氏体晶粒明显长 扩展加快.另外，晶粒长大过程是大晶粒兼并小晶 大，而图1(c)~（e)的晶粒变化并不明显.保温初 粒的过程：其结果是单个晶粒尺寸的增加，但总的晶 始奥氏体晶粒较小；当保温5min后能明显看到部 粒数量减少，导致晶界面积减少，总的表面能相应降 分晶粒开始长大，而细小晶粒区域相对缩小；当保温 低，品粒长大加速.随着品粒的长大，由表面能带来 10min时，这种趋势更明显；之后晶粒虽有所长大但 的晶粒长大的驱动力下降，晶粒长大速度下降，这也 晶粒的尺寸变化并不明显.在保温初期奥氏体晶粒 是在1000~1050℃之间晶粒组织大小相似的原因.北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 二相在钢中的溶解温度较高，因而能在钢的奥氏体 化过程中对晶界产生钉扎作用，从而抑制奥氏体晶 粒的长大． 但是，在加热过程中，第二相粒子发生溶 解或粗化，会引起第二相粒子的平均尺寸和体积分 数的变化，进而影响奥氏体晶粒的变化． 当前许多 文献对合金钢的奥氏体晶粒长大行为进行了研 究［5--13］，而对机车车轮用钢研究较少． 机车车轮用钢属于高碳合金钢，具有高强度、高 硬度、高的弹性极限和疲劳极限等特点． 该类产品 在实际生产过程中多使用近终形或半成品，由于其 形状的特殊性，在轧制过程中难以获得整体一致的 开轧、终轧温度，这样在整个轧制过程中其断面上存 在着一定的温度梯度; 另外在热加工过程中该类产 品的边、角温降不一，这都会增加奥氏体晶粒不均匀 性，进而对产品性能产生影响． 因此，如何控制适宜 的奥氏体化温度及时间以形成细小、均匀的奥氏体 组织，成为影响机车车轮质量的关键因素之一，也是 该钢种需要解决的问题之一． 在实际生产中，该类 钢的晶粒度要控制在 7. 0 级以上． 出于成本和产品 特性考虑，机车车轮钢常采用 Al 来细化晶粒． 本文对机车车轮钢的奥氏体晶粒长大行为进行 研究，分析不同加热温度和保温时间条件下奥氏体晶 粒的变化，同时进行奥氏体晶粒长大的动力学研究， 并利用相关的实验数据对钢中第二相粒子的变化进 行计算，分析实验条件下第二相粒子变化对奥氏体晶 粒影响，为此类钢的工业化生产提供参考数据． 1 实验材料与方法 试样取自某钢厂生产的机车车轮用钢，其化学 成分见表 1． 表 1 实验用钢化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the experimental steel % C Si Mn P Cr S Als N Fe 0. 72 0. 4 ～ 1. 0 0. 60 ～ 0. 90 0. 012 ≤0. 25 0. 004 0. 023 0. 0061 Bal． 将试样进一步加工成 10 mm × 7 mm × 7 mm 小 试样，然后放入箱式加热炉中进行加热，加热速度为 5 K·s － 1，加热温度分别为: 850、900、950、1000 和 1050 ℃，保温时间分别为: 0、5、10、15 和 30 min，然 后淬火; 为了清晰显示出奥氏体晶界，将淬火后的试 样在 230 ℃回火 30 min，空冷至室温． 将热处理后的 试样研磨、抛光，用按一定比例配制成的饱和苦味酸 水溶液 + 洗涤剂 + 盐酸侵蚀剂进行浸蚀，之后采用 DMM--100C 金相显微镜对奥氏体晶粒进行观察和 拍照． 根据 ASTM E112—10 标准中晶粒测量方法， 采用截距法对奥氏体晶粒尺寸进行统计． 2 结果与分析 2. 1 奥氏体晶粒组织 奥氏体晶粒长大最直接的表现就是微观组织的 变化，即平均晶粒尺寸增加． 晶粒尺寸长大增加的 同 时，晶粒的分布形态也发生着变化． 图 1 是 900 ℃、不同保温时间下奥氏体晶粒尺寸的变化． 从 图中可以看出图 1( a) ～ ( c) 中奥氏体晶粒明显长 大，而图 1( c) ～ ( e) 的晶粒变化并不明显． 保温初 始奥氏体晶粒较小; 当保温 5 min 后能明显看到部 分晶粒开始长大，而细小晶粒区域相对缩小; 当保温 10 min 时，这种趋势更明显; 之后晶粒虽有所长大但 晶粒的尺寸变化并不明显． 在保温初期奥氏体晶粒 长大驱动力主要是由初始奥氏体晶粒尺寸的大小不 一造成的，奥氏体尺寸不均匀使得晶界界面能偏高， 不稳定，为了维持系统平衡，晶界界面能自发降低， 导致晶粒长大． 这种行为在保温初期表现较明显， 但随着保温时间的延长晶粒趋于均匀及第二相粒子 的存在，使得这种长大行为变得很缓慢． 图 2 是不同加热温度下，保温 10 min 时奥氏体 晶粒组织的变化． 从图上可以看出奥氏体晶粒随着 温度的增加而增加． 在图 2( a) ～ ( c) 之间虽有所长 大但 并 不 明 显，此时晶粒尺寸都相对较小; 从 图 2( d) 开始可以看到晶粒明显长大，单位面积上的 晶粒数量明显减少，而单个晶粒的面积明显增加，这 说明晶粒的快速长大温度出现在 950 ～ 1000 ℃ 之 间． 造成这种现象的原因主要有两个方面: 一是随 着温度的升高，原来钉扎晶界的析出物开始变的不 稳定; 当温度升高到一定程度时，部分析出物溶解， 部分粗化，导致钉扎效果减弱，晶粒快速长大． 二是 随着温度增加，奥氏体中元素的扩散加速，导致晶界 扩展加快． 另外，晶粒长大过程是大晶粒兼并小晶 粒的过程; 其结果是单个晶粒尺寸的增加，但总的晶 粒数量减少，导致晶界面积减少，总的表面能相应降 低，晶粒长大加速． 随着晶粒的长大，由表面能带来 的晶粒长大的驱动力下降，晶粒长大速度下降，这也 是在 1000 ～ 1050 ℃之间晶粒组织大小相似的原因． · 203 ·