國(guó)產(chǎn)高鐵齒輪用材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度研究★

王之香， 南 海， 張錦文

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030003）

高鐵在中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，高鐵列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)列車行駛、保證列車正常安全運(yùn)行的主要部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到列車的整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況[1]。18CrNiMo7-6是歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高速鐵路用齒輪材料，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂色@得優(yōu)良的強(qiáng)韌性，在歐洲已得到廣泛的應(yīng)用。為改變我國(guó)高鐵齒輪材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，2010 年我國(guó)開始引進(jìn)該材料，并開始進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究。我國(guó)幅員遼闊，南北溫差大，有必要對(duì)引進(jìn)的國(guó)產(chǎn)化18CrNiMo7-6 材料開展韌脆轉(zhuǎn)變溫度的研究。

材料脆性轉(zhuǎn)變溫度是材料韌脆轉(zhuǎn)變傾向的重要性能指標(biāo)，脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低決定了材料在低溫條件下韌性的好壞，從而直接影響材料的溫度使用范圍[2]。鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度的確定，將為低溫沖擊韌性等預(yù)測(cè)提供依據(jù)，因此研究高鐵齒輪鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度具有重要意義。本文對(duì)高鐵齒輪鋼采用系列沖擊的方法測(cè)得其在-196～20 ℃溫度間的系列沖擊功，繪制出沖擊功- 溫度曲線，同時(shí)結(jié)合沖擊斷口剪切斷面率測(cè)量計(jì)算，確定了此高鐵齒輪鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用Φ250 mm 的圓坯，其制造工藝流程如下：EBT 電爐冶煉→LF 爐精煉→VD 真空脫氣處理→澆鑄5.8 t 鋼錠→快鍛機(jī)鍛造成Φ250 mm 的圓坯→退火→精整、檢驗(yàn)。高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 化學(xué)成分如表1 所示。取Φ250 mm×200 mm 樣坯，采用“淬火+回火”熱處理后，在Φ250 mm 齒輪鋼坯1/2半徑處取縱向系列沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊缺口為“V”型，試樣形狀及尺寸公差均滿足GB/T 299—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的要求。試樣金相組織為回火馬氏體，奧氏體晶粒度為8 級(jí)，具體如圖1 所示，其試樣力學(xué)性能如表2 所示。

表1 高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 化學(xué)成分 %

圖1 試樣金相組織和奧氏體晶粒度

表2 高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 試樣力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了評(píng)定金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的三種測(cè)定方法，分別為能量法、斷口形貌法和側(cè)膨脹法。本試驗(yàn)在測(cè)定系列沖擊基礎(chǔ)上，結(jié)合斷口形貌法對(duì)高鐵齒輪鋼韌脆轉(zhuǎn)變進(jìn)行確認(rèn)。18CrNiMo7-6 高鐵齒輪材料采用標(biāo)準(zhǔn)夏比V 型缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定了脆性轉(zhuǎn)變溫度，根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求，液體介質(zhì)溫度應(yīng)在規(guī)定溫度的±1 ℃以內(nèi)，試樣轉(zhuǎn)移至沖擊位置前，應(yīng)在該介質(zhì)中至少保持5 min。試樣從低溫介質(zhì)中移出至打斷的時(shí)間不應(yīng)大于5 s[3]。本試驗(yàn)采用ZBC450B 型低溫?cái)?shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，試樣設(shè)定20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃共8個(gè)溫度，每個(gè)試驗(yàn)溫度做3 個(gè)KV2沖擊試樣，沖擊功取3 個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，-60～20 ℃的冷卻介質(zhì)為無(wú)水乙醇，-80 ℃的冷卻介質(zhì)為無(wú)水乙醇+ 液氮，-196 ℃冷卻介質(zhì)為液氮。采用顯微鏡及SEM 掃面電鏡進(jìn)行斷口分析，測(cè)定斷口剪切斷面率，如圖2所示，即“閃亮”部分的長(zhǎng)度和寬度，根據(jù)GB/T 299—2020 附錄C 中表C.1 進(jìn)行剪切斷面率計(jì)算[3]，通常認(rèn)為試樣沖擊缺口剪切斷面率為50%所對(duì)應(yīng)的溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度[4]，再結(jié)合斷口微觀形貌，最終確定此高鐵齒輪鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

圖2 剪切斷面率百分比的尺寸[3]

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各溫度下試樣的沖擊功、剪切斷面率值如表3 所示。圖3 為不同試驗(yàn)溫度下沖擊功值與試驗(yàn)溫度的關(guān)系；圖4 為不同試驗(yàn)溫度下剪切斷面率和試驗(yàn)溫度的關(guān)系；下頁(yè)圖5 為不同溫度對(duì)應(yīng)的缺口沖擊試樣斷口照片；下頁(yè)圖6 為不同溫度對(duì)應(yīng)的斷口擴(kuò)展形貌。由表3、圖3 可看出，實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊值隨溫度下降而降低，-60 ℃開始沖擊值降低明顯。從表3、圖4 可看出，隨著溫度的降低，剪切斷面率降低。從圖5 可看出，隨著沖擊溫度的降低，沖擊斷口上放射區(qū)所占百分比逐漸增加，即試樣韌性逐漸降低[5]。從圖6 可看出，室溫下試樣斷口為等軸韌窩，大而深的韌窩分布數(shù)量較多，隨著溫度的降低，韌窩的形狀發(fā)生變化，韌窩變小、變淺[6]。

圖3 平均沖擊功和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

圖4 平均剪切斷面率和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

表3 高鐵齒輪鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試結(jié)果

當(dāng)試驗(yàn)溫度為20 ℃、0 ℃、-20 ℃時(shí)，斷口形貌為“剪切+解理”，剪切斷面率為72%～83%，如圖5-1—圖5-3 所示。當(dāng)試驗(yàn)溫度為-40 ℃時(shí)，斷口形貌為“剪切+解理”，剪切斷面率為52%，如圖5-4 所示。當(dāng)試驗(yàn)溫度為-50 ℃、-60 ℃時(shí)，斷口形貌為“解理+剪切”，但根據(jù)計(jì)算，其剪切斷面率為38%、36%，即進(jìn)入脆性轉(zhuǎn)變區(qū)間，如圖5-5、圖5-6 所示。當(dāng)試驗(yàn)溫度下降到-80 ℃、-196 ℃時(shí)，其斷口形貌為“解理”，其剪切斷面率為19%、7%，屬于完全脆性區(qū)間，如圖5-7、圖5-8 所示。

圖5 不同溫度沖擊試樣宏觀斷口照片

從圖6 中可進(jìn)一步看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度為20 ℃、0 ℃時(shí)，斷口擴(kuò)展形貌主要為小而多的韌窩狀塑性斷裂，如圖6-1、圖6-2 所示，表明此溫度范圍內(nèi)的沖擊在試樣斷裂前會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，屬于韌性斷裂；當(dāng)試驗(yàn)溫度為-20 ℃、-40 ℃時(shí)，斷口擴(kuò)展形貌雖仍有韌窩存在，但其形態(tài)已經(jīng)有明顯改變，韌窩小而淺，尺寸基本一致，沒有大的撕裂嶺和顯微孔洞[7]，如圖6-3、圖6-4 所示，表明此溫度范圍內(nèi)的沖擊在試樣斷裂前仍產(chǎn)生了塑性變形，仍屬于韌性斷裂；當(dāng)試驗(yàn)溫度為-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃時(shí)，試樣為典型的解理斷裂，各“河流狀紋理”對(duì)應(yīng)著各自不同高度的解理面臺(tái)階[8]，表明試樣斷裂前基本沒有發(fā)生塑性變形，屬于完全的脆性斷裂，如圖6-5—圖6-8 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)高鐵齒輪鋼18CrNiMo7-6 在低于-60 ℃時(shí)，沖擊功隨著試驗(yàn)溫度的降低而急劇下降，由韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。結(jié)合剪切斷面率面積的計(jì)算，剪切斷面率面積低于50%時(shí)的溫度為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，所以該高鐵齒輪鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-50～-40 ℃。

圖6 不同溫度沖擊性能斷口形貌

2 結(jié)論

1）隨著沖擊溫度的降低，高鐵齒輪鋼的沖擊值越來(lái)越低，試樣斷口形貌由韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩诘陀?40 ℃時(shí)，樣品沖擊斷口剪切面積減小，解理面積增大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，-40 ℃時(shí)斷口最小剪切面積為52%。

2）通過(guò)斷口形貌及斷口剪切面積的計(jì)算，高鐵齒輪經(jīng)過(guò)“正火+淬火+回火”熱處理后，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-50～-40 ℃，說(shuō)明該高鐵齒輪材料具有較為優(yōu)良的低溫韌性，可適用于我國(guó)南北溫差大的苛刻環(huán)境。