IRS R16-95标准车轴粗大晶粒原因分析及解决方法

IRS R16-95标准车轴粗大晶粒原因分析及解决方法

牟灵玉  解澄剑  王贵荣  陈坤  伍志超

中车长江铜陵车辆有限公司  安徽省铜陵市  244002

摘 要：针对IRS R16-95标准要求材质车轴在热处理后，出现晶粒粗大（局部）的现象，通过原因分析查找问题点，并在出现粗大晶粒的车轴轴颈部位取样进行工艺试验，再经生产验证，探索解决粗大晶粒的消除方法。

关键词：IRS R16-95标准车轴；粗大晶粒；热处理工艺

1. 序言

IRS R16-95车轴为标准IRS R16-95中规定的一种车轴钢。自2019年以来，我公司开始批量生产IRS R16-95标准车轴，然而在生产过程中部分炉次出现了晶粒度检测时金相中混有5级以下粗大晶粒，且粗大晶粒超过金相的10%，不符合IRS R16-95标准，需进行返工处理，后经过二次热处理后晶粒度结果显示5级以下粗大晶粒未出现明显改善。为解决车轴热处理粗大晶粒问题，需对引起混晶的原因进行分析研究，确定解决措施，以避免由此可能引发的废品质量事故。

2. 出现混晶原因分析

IRS R16-95标准材质车轴（具体成分见表1），其含碳量小于等于0.37%，属于亚共析钢。根据易忠宏等人的研究：“车轴正火后珠光体晶粒部分出现的根本原因是珠光体转变开始前奥氏体晶粒部分粗大”。为此需从以下因素逐一分析：

2.1 原始组织的影响

钢的原始组织组织为珠光体和铁素体，铁素体和渗碳体越细，它们的相界面越多，则形成奥氏体的晶核越多，晶核长大速度越快。选取加热保温时间超过3小时的锻后冷却车轴，在轴颈部位取2块金相试样，将试样抛光后腐蚀金相组织如图1所示。由图1可知，晶粒度0～1级，晶粒粗大，相界面较少，珠光体片层间距增大，使得奥氏体中的浓度梯度降低，碳的扩散距离增大，奥氏体形核率降低，奥氏体晶粒长大。

图1                     

2.2 碳及合金元素的影响

碳及合金元素在钢中分布不均匀，影响碳在奥氏体中的扩散速度,阻碍晶界运动。从出现粗大晶粒车轴轴颈截取试样，在表面、1/2R和心部处取样进行化学成分检测。车轴化学成分如表1所示。

表1 IRS R 16-95材料化学成分（质量分数）    （%）

由表1可知，在车轴内部不同部位碳含量分布不均匀，1/2R处碳含量较低，奥氏体中的碳浓度差增加，浓度梯度增大，碳和铁原子的扩散速度加快，加快了奥氏体晶粒长大。硅和锰元素在钢中偏聚，降低了钢的临界转变温度（A1点），相对增大过热度。该区在车轴正火加热过程中首先达到奥氏体化温度，同理保温时间相对偏长，奥氏体晶粒异常长大，最终导致该区粗大珠光体组织形成[1]。

2.3 加热温度的影响

在相同的保温时间下，加热温度越高，原子扩散系数增加，碳在奥氏体中的扩散系数增加，晶粒长大速率越快，最终奥氏体晶粒尺寸越大。有时候加热到较高温度时晶粒仍很细小部分晶粒出现突然长大。

3. 粗大晶粒消除方法

3.1 试验材料

从出现粗大晶粒车轴轴颈端面1/2R部位上取8个金相检测试样，按照1～8顺序刻打。车轴化学成分如表2所示。

       表2  IRS R 16-95化学成分（质量分数）       （%）

3.2 试验方法

为找出正火温度对金相的影响，按表3所示的温度梯度，，保温时间均为40min进行试验。完后将试样抛光后腐蚀检测晶粒度。具体试验数据如表3和图3所示。

表3 不同保温温度下晶粒度对比

a                   b                  c                     d

e                  f                     g                   h

图3 8个试样金相组织

3.3试验分析：

当工艺试验温度为810℃～870℃时，金相组织为均匀的珠光体和铁素体组织，晶界清晰，结构稳定[2]，晶粒度为7级～6.5级，粗大珠光体组织消失。如图3a～图3e所示。

当保温温度为890℃～910℃时，金相组织珠光体和铁素体组织，并且存在少量的魏氏体组织，晶粒度为6级～5级，开始出现粗大晶粒，出现晶界消失，晶粒融合的现象，如图3f～图3h所示。

综上所述，在热处理前金相组织、保温时间、和冷却条件相同的条件下，金相组织随着保温温度升高出现粗大晶粒。车轴在低温时容易出现未完全溶解的渗碳体，当保温温度为810℃～870℃时，金相组织为均匀的珠光体和铁素体组织，金相内无粗大晶粒。当保温温度为高于870℃时，金相内开始出现粗大晶粒和魏氏组织。

4. 粗大晶粒改进措施

4.1 正火工艺改进

4.1.1正火温度的确定：为确定正火工艺必须知道材料的参数AC1、AC3，在查找不到此参数的情况下，采用回归方程(1) 、(2)计算出AC1、AC3的温度值。

AC1=723－10.7Mn－13.9Ni＋29Si＋16.9Cr＋290As＋6.38W                     (1)

=723-10.7*0.87-13.9*0.01+29*0.31+16.9*0.05

=733（℃）

AC3=910－203C1/2-15.2Ni＋44.7Si＋104V＋31.5Mo＋13.1W                     (2)

=910-203*0.370.5-15.2*0.01＋44.7*0.31＋104*0.024＋31.5*0.01

=805（℃）

由于出现粗大晶粒的车轴已经过一次热处理，大部分晶粒已完成细化，根据奥氏体晶粒长大的一般规律是大晶粒吞并周围的小晶粒而使总的晶界面积减小，而晶界曲率半径越小（晶粒越细），界面能越大，则奥氏体晶粒长大驱动力越大，即晶粒长大的倾向越强。结合试验数据，根据GB/T 16923-2008的规定，正火温度为AC3+（30~80）℃，确定消除粗大晶粒的正火温度应低于正常工艺温度10～20℃即可。同时调整升温段温度梯度设置，由此提高加热速度。

由表4可知，采用改进正火工艺措施后返工，粗大晶粒得以消除，具体见表4。

表4车轴力学性能及晶粒度数据

4.2 钢坯原材料成分控制

对钢坯成分应对照标准，从严把控入厂复检。针对热处理后出现粗大晶粒与化学成分分布不均匀有关系，抽检车轴不同部位的化学成分。制定化学成分内控标准，督促钢坯生产厂家提供稳定可靠的原材料。

4.2 锻造工艺改进

锻件图绘制时选用合理的锻造比，使用截面更大的轴坯，增加金属材料变形程度，保温时间不超过3小时，获得细小晶粒，降低锻后冷却速率，避免内外冷速过大造成的组织差异性。

结语

综上所述，车轴正火后出现粗大晶粒，是因为奥氏体组织出现异常长大情况，车轴出现粗大晶粒后可采用较低的正火保温温度（840℃）进行消除。可通过提高钢坯质量稳定性，避免出现化学成分不均匀现象，避免锻打轴坯长时间加热，增加车轴锻变形量，避以及降低锻后冷却速率等方式细化锻后组织。在合理的正火温度调节范围内，采取降低正火保温温度的方式，晶粒粗大现象得到明显改善。

参考文献

[1]易忠宏,佘毅赟,李泉,等.EA1N车轴混晶原因分析及解决方法[J].金属加工(热加工),2013,(S1):181-183.

[2]黄俏梅,牛迎春,苏立武,等.热处理工艺对EA1N车轴性能影响的研究[J].金属加工(热加工),2020,(07):76-78.