保溫時(shí)間對U75V重軌鋼中夾雜物的影響

樊志明，楊吉春，張 瀅，李向川，朱 君

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.包頭天和磁材科技股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

近年來，鐵路運(yùn)輸密度增大、行車速度提高、運(yùn)載量增加，對重軌鋼的質(zhì)量提出了更高的要求。重軌鋼，即鐵路承受重載軌道用鋼，為鐵路主要承重構(gòu)件，不僅要有高強(qiáng)度、高韌性以及良好的耐磨性，還要有足夠的硬度，一定的抗疲勞、抗壓潰、抗脆斷性能[1]。高質(zhì)量、高潔凈度的重軌鋼是未來研究的重點(diǎn)，鋼中非金屬夾雜物是引起重軌鋼質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的主要原因，重軌鋼中夾雜物主要有MnS、Al2O3以及硅酸鹽類，其中MnS夾雜物最多，占65%左右，MnS為塑性非金屬夾雜物，在鋼液凝固過程中，大尺寸的MnS夾雜物易集聚在晶界處，成為應(yīng)力源，加劇晶界滑移，促進(jìn)疲勞裂紋的形成[2]，在軋制過程中，MnS夾雜物受力后易沿軋制方向變形為長條狀，從而降低了鋼材的橫向性能[3]。Al2O3為非金屬脆性夾雜物，在范德華力作用下會(huì)聚集成團(tuán)簇性大尺寸夾雜物[4]，形狀多為有棱角的不規(guī)則體，在受到外力作用時(shí)，易對鋼基體造成損傷，是引起鋼軌疲勞裂紋的主要原因[5-6]。

目前對鋼中夾雜物的控制方法有很多，如Ca、Mg處理、鋼液中添加稀土元素等均能對夾雜物的形狀、大小、類型、分布起到一定作用，但由于Ca、Mg以及稀土元素的加入量還未定量化，鋼中Ca加入量控制不當(dāng)時(shí)，會(huì)生成CaS、CaO等高熔點(diǎn)夾雜物[7]，稀土元素的加入量、加入方法主要依靠經(jīng)驗(yàn)，還需進(jìn)一步研究。目前，采用熱處理工藝來控制鋼中夾雜物從而提升力學(xué)性能在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。研究表明[8-11]，對鋼進(jìn)行加熱保溫處理后，夾雜物的形狀由長條狀變?yōu)榍蛐位蚣忓N形，數(shù)量減少，尺寸變小，夾雜物成分發(fā)生轉(zhuǎn)變。張學(xué)偉等[12]對鋼軌和鋼坯加熱保溫處理后發(fā)現(xiàn)，鋼軌內(nèi)大尺寸長條狀MnS夾雜物分裂成小尺寸短粗狀。加熱溫度對MnS夾雜物形態(tài)及尺寸影響顯著，加熱至1300℃保溫后MnS夾雜物會(huì)發(fā)生熟化長大行為[13]。張?jiān)脉蔚萚14]在實(shí)驗(yàn)室條件下將重軌鋼從1000℃升溫至1300℃后發(fā)現(xiàn)，鋼中夾雜物由CaOSiO2-Al2O3-MgO轉(zhuǎn)變?yōu)镃aS-MgO·Al2O3，CaS、Al2O3含量增加，CaO、SiO2含量減少。

高速重軌鋼對氧硫含量、夾雜物形態(tài)要求嚴(yán)格，相比于Ca、Mg處理、稀土處理控制夾雜物的方法，熱處理在控制重軌鋼夾雜物方面更具優(yōu)勢。基于此，本文研究了在1100℃下，不同保溫時(shí)間對U75V重軌鋼中夾雜物的影響規(guī)律，為生產(chǎn)高質(zhì)量、高潔凈度重軌鋼提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)鋼的冶煉與軋制

試驗(yàn)選用鋼種為U75V重軌鋼，在實(shí)驗(yàn)室條件下使用10 kg的ZG-0.05型真空感應(yīng)爐冶煉而成，其主要化學(xué)成分見表1，將鑄錠的中間部分（切頭去尾后得到，無氣孔、致密性良好）在箱式電阻爐中隨爐升溫至1250℃，保溫3 h后進(jìn)行軋制，軋制變形量為37.5%，軋制厚度為30 mm，冷卻方式為空冷。

表1 試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical composition of the tested steel（mass fraction，%）

1.2 試樣制備

使用DK-77型電火花線切割機(jī)沿軋制方向切取12 mm×12 mm×12 mm的正方體試樣4個(gè)，一個(gè)為空白對照試樣，其余3個(gè)為熱處理試樣，在試樣的觀察面（沿軋制方向）做好標(biāo)記，防止熱處理后氧化層過厚難以分辨。將熱處理試樣放入SX13/BLL12型箱式電阻爐中，隨爐升溫至1100℃，升溫速率為5℃/min，分別保溫30、60、90 min后，取出在20℃水中迅速冷卻，以保留試樣原有的組織及夾雜物形態(tài)。

將試樣在60～1200目金相砂紙上逐級打磨，以去除表面氧化層，隨后在金相拋光機(jī)上對試樣進(jìn)行拋光處理，直至拋出鏡面為止，在超聲波清洗機(jī)中將試樣清洗干凈后備用。

1.3 夾雜物分析方法

使用FEI-QUANTA400掃描電鏡對試驗(yàn)鋼夾雜物進(jìn)行拍攝，并使用能譜儀對夾雜物進(jìn)行成分分析，為分析不同保溫時(shí)間對夾雜物類型、數(shù)量、圓形度的影響，利用掃描電鏡中的坐標(biāo)系，用點(diǎn)陣法在2000倍視場下，拍攝25張照片，如圖1所示，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。對典型夾雜物進(jìn)行能譜分析，使用Image-J軟件對夾雜物圓形度進(jìn)行計(jì)算。

圖1 取樣及夾雜物視場點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling and visual field of inclusions

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 未熱處理試樣中夾雜物分析

通過對未熱處理試樣中夾雜物進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，夾雜物主要有3種類型，分別為MnS、Al2O3及MnSAl2O3夾雜物，典型夾雜物形貌及能譜分析如圖2（a～c）所示，MnS夾雜物以大尺寸長條形為主，也有少量呈鏈條狀、紡錘形零散分布，平均長度為5.97μm，平均圓形度為3.38，鏈條狀?yuàn)A雜物是在軋制過程中長條狀?yuàn)A雜物斷裂后形成的[15]，破壞了鋼基體的連續(xù)性，降低了鋼的橫向性能；Al2O3夾雜物平均圓形度為1.91，平均尺寸較MnS夾雜物小，為4.75μm，但其形狀多為尖銳的不規(guī)則體，Al2O3為非金屬脆性夾雜物，尖角處易對鋼基體造成損傷；MnS-Al2O3夾雜物較為常見，圓形度介于MnS和Al2O3之間，為2.92。

圖2 未熱處理試樣中典型夾雜物形貌及能譜Fig.2 Morphologies and energy spectra of typical inclusions in the unheated specimen

2.2 保溫時(shí)間對夾雜物的影響

2.2.1 保溫時(shí)間對MnS夾雜物的影響

MnS可以降低H在鋼中的擴(kuò)散速度，從而減少氫致白點(diǎn)對鋼的傷害，但MnS夾雜物顆粒在軋制過程中易被拉成長條狀，影響鋼的力學(xué)性能[16]，隨著保溫時(shí)間的延長，觀察到MnS夾雜物有分裂趨勢，如圖3所示，在長條狀?yuàn)A雜物的長度方向上，由于各處粗細(xì)不同，當(dāng)保溫一定時(shí)間后，長條狀?yuàn)A雜物會(huì)在較細(xì)處斷裂，導(dǎo)致一個(gè)長條狀?yuàn)A雜物分成兩個(gè)或多個(gè)小夾雜物，圓形度變小，對25個(gè)視場全部分析后發(fā)現(xiàn)，在保溫90 min時(shí)，試樣中具有分裂趨勢的MnS夾雜物幾乎消失，長條狀?yuàn)A雜物減少，圓形度低的MnS夾雜物增加，說明在1100℃下保溫90 min有利于長條狀MnS夾雜物的分裂。另外，在均熱過程中，紡錘狀、圓形的MnS夾雜物增多，平均圓形度為1.86，與未經(jīng)熱處理的試樣相比，圓形度降低了1.52，說明保溫時(shí)間的延長可以降低MnS夾雜物的圓形度。絕大多數(shù)大尺寸MnS夾雜物會(huì)存在于晶界處，造成晶界脆化，通過均熱處理后，夾雜物尺寸變小，能夠阻止晶粒長大，從而提高鋼的韌性[17]。

圖3 1100℃加熱不同時(shí)間后試樣中MnS夾雜物形貌及能譜Fig.3 Morphologies and energy spectra of MnSinclusions in the specimens heated at 1100℃for different time

2.2.2 保溫時(shí)間對Al2O3夾雜物的影響

Al2O3是一種非金屬脆性夾雜物，其尖銳的棱角對鋼基體損傷很大[4]，為避免該夾雜物的生成，在工業(yè)生產(chǎn)中，常采用無鋁脫氧工藝[18]，與鋁脫氧工藝相比，無鋁脫氧工藝從根源處阻斷了Al2O3夾雜物的生成，但是，由于合金原料中含有鋁，因此，Al2O3夾雜物依然存在。試驗(yàn)鋼在1100℃下保溫30、60 min時(shí)，純Al2O3夾雜物形態(tài)、大小變化不大，但數(shù)量減少；保溫90 min時(shí)，部分Al2O3夾雜物尖銳棱角發(fā)生鈍化，如圖4所示，圓形度略微減小。隨著保溫時(shí)間的延長，出現(xiàn)了被MnS包裹著Al2O3的復(fù)合夾雜物，如圖5所示，由元素面掃描分析結(jié)果可知，最外層的MnS夾雜物幾乎將Al2O3完全包裹，由于MnS是非金屬塑性夾雜物，在受力時(shí)，其作為緩沖層可以減小尖銳Al2O3夾雜物對鋼基體的損傷。

圖4 1100℃加熱90 min后試樣中Al2O3夾雜物形貌及能譜Fig.4 Morphology and energy spectrum of Al2O3 inclusion in the specimen heated at 1100℃for 90 min

圖5 1100℃加熱90 min后試樣中典型復(fù)合夾雜物形貌Fig.5 Morphology and EDSanalysis of typical composite inclusions in the specimen heated at 1100℃for 90 min

2.2.3 保溫時(shí)間對MnS-Al2O3夾雜物的影響

試樣經(jīng)1100℃均熱處理后，復(fù)合型夾雜物增多，主要為MnS-Al2O3夾雜物，隨著保溫時(shí)間的延長，MnS-Al2O3夾雜物中MnS和Al2O3分布發(fā)生改變，平均圓形度降低，為2.52，典型MnS-Al2O3夾雜物如圖6所示。保溫30 min時(shí)，含Al2O3的MnS夾雜物將含MnS的Al2O3夾雜物半包裹，如圖6（a）所示，此時(shí)夾雜物中Al2O3和MnS成分摻雜；保溫60 min時(shí)，外層幾乎為MnS夾雜物，Al2O3含量較低，如圖6（b）所示，與保溫30 min時(shí)內(nèi)部夾雜物相比，在成分上差別不大，但內(nèi)部MnS-Al2O3夾雜物幾乎被全部包裹，說明隨著保溫時(shí)間的延長，夾雜物外層的Al2O3會(huì)有相對向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的趨勢；保溫90 min時(shí)，試樣中被MnS包裹著的Al2O3型夾雜物增多，夾雜物內(nèi)部Al2O3富集，外層包裹層中Al2O3含量極低，可以認(rèn)為外層夾雜物有與MnS夾雜物同樣的塑性，減小了Al2O3及MnS-Al2O3夾雜物對鋼基體的損傷。趙洋等[19]通過熱力學(xué)計(jì)算得出，Al2O3夾雜物在煉鋼溫度下析出，MnS夾雜物在鋼液凝固過程中析出，為鋼中MnS包裹Al2O3復(fù)合型夾雜物的形成提供了理論依據(jù)，在保溫時(shí)間持續(xù)延長時(shí)，MnS以Al2O3為異質(zhì)形核核心，逐漸將Al2O3包裹，提高了鋼的力學(xué)性能。

圖6 1100℃加熱保溫不同時(shí)間后試樣中典型復(fù)合夾雜物的形貌及能譜Fig.6 Morphologies and energy spectra of typical composite inclusions in the specimens heated at 1100℃for different time

3 結(jié)論

1）未經(jīng)熱處理的試驗(yàn)鋼中，夾雜物類型主要有3種，分別為MnS、Al2O3及MnS-Al2O3夾雜物。

2）在1100℃下，隨著保溫時(shí)間的延長，長條狀MnS夾雜物有分裂趨勢，在保溫90 min時(shí)，MnS夾雜物平均圓形度為1.86，與未經(jīng)熱處理的試樣相比，圓形度降低了1.52。

3）在1100℃下保溫30、60 min時(shí)，純Al2O3夾雜物形態(tài)、大小變化不大，但數(shù)量減少，保溫90 min時(shí)，部分Al2O3夾雜物尖銳棱角發(fā)生鈍化，圓形度略微減小。

4）試樣經(jīng)1100℃均熱處理后，復(fù)合夾雜物增多，隨著保溫時(shí)間的延長，MnS-Al2O3夾雜物中MnS和Al2O3成分分布發(fā)生變化，外層的Al2O3有向內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的趨勢，保溫90 min時(shí)，夾雜物內(nèi)部Al2O3富集，外包裹層中Al2O3含量極低。