国产高铁齿轮用材料的韧脆转变温度研究★

2022-08-03王之香张锦文

山西冶金 2022年3期

王之香，南海，张锦文

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原 030003）

高铁在中国区域经济发展过程中发挥着越来越重要的作用，高铁列车齿轮传动系统是驱动列车行驶、保证列车正常安全运行的主要部件之一，其性能的好坏直接关系到列车的整体运转情况[1]。18CrNiMo7-6是欧洲标准规定的高速铁路用齿轮材料，经过适当的热处理后可获得优良的强韧性，在欧洲已得到广泛的应用。为改变我国高铁齿轮材料长期依赖进口的局面，2010 年我国开始引进该材料，并开始进行国产化研究。我国幅员辽阔，南北温差大，有必要对引进的国产化18CrNiMo7-6 材料开展韧脆转变温度的研究。

材料脆性转变温度是材料韧脆转变倾向的重要性能指标，脆性转变温度的高低决定了材料在低温条件下韧性的好坏，从而直接影响材料的温度使用范围[2]。钢材脆性转变温度的确定，将为低温冲击韧性等预测提供依据，因此研究高铁齿轮钢的韧脆转变温度具有重要意义。本文对高铁齿轮钢采用系列冲击的方法测得其在-196～20 ℃温度间的系列冲击功，绘制出冲击功- 温度曲线，同时结合冲击断口剪切断面率测量计算，确定了此高铁齿轮钢的脆性转变温度，为生产实践提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用Φ250 mm 的圆坯，其制造工艺流程如下：EBT 电炉冶炼→LF 炉精炼→VD 真空脱气处理→浇铸5.8 t 钢锭→快锻机锻造成Φ250 mm 的圆坯→退火→精整、检验。高铁齿轮钢18CrNiMo7-6 化学成分如表1 所示。取Φ250 mm×200 mm 样坯，采用“淬火+回火”热处理后，在Φ250 mm 齿轮钢坯1/2半径处取纵向系列冲击试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，冲击缺口为“V”型，试样形状及尺寸公差均满足GB/T 299—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的要求。试样金相组织为回火马氏体，奥氏体晶粒度为8 级，具体如图1 所示，其试样力学性能如表2 所示。

表1 高铁齿轮钢18CrNiMo7-6 化学成分 %

图1 试样金相组织和奥氏体晶粒度

表2 高铁齿轮钢18CrNiMo7-6 试样力学性能

1.2 试验方法

GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准规定了评定金属材料的韧脆转变温度的三种测定方法，分别为能量法、断口形貌法和侧膨胀法。本试验在测定系列冲击基础上，结合断口形貌法对高铁齿轮钢韧脆转变进行确认。18CrNiMo7-6 高铁齿轮材料采用标准夏比V 型缺口冲击试验测定了脆性转变温度，根据GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准要求，液体介质温度应在规定温度的±1 ℃以内，试样转移至冲击位置前，应在该介质中至少保持5 min。试样从低温介质中移出至打断的时间不应大于5 s[3]。本试验采用ZBC450B 型低温数显冲击试验机进行系列冲击试验，试样设定20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃、-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃共8个温度，每个试验温度做3 个KV2冲击试样，冲击功取3 个有效试验数据的平均值，-60～20 ℃的冷却介质为无水乙醇，-80 ℃的冷却介质为无水乙醇+ 液氮，-196 ℃冷却介质为液氮。采用显微镜及SEM 扫面电镜进行断口分析，测定断口剪切断面率，如图2所示，即“闪亮”部分的长度和宽度，根据GB/T 299—2020 附录C 中表C.1 进行剪切断面率计算[3]，通常认为试样冲击缺口剪切断面率为50%所对应的温度为韧脆转变温度[4]，再结合断口微观形貌，最终确定此高铁齿轮钢的韧脆转变温度。

图2 剪切断面率百分比的尺寸[3]

1.3 试验结果及分析

各温度下试样的冲击功、剪切断面率值如表3 所示。图3 为不同试验温度下冲击功值与试验温度的关系；图4 为不同试验温度下剪切断面率和试验温度的关系；下页图5 为不同温度对应的缺口冲击试样断口照片；下页图6 为不同温度对应的断口扩展形貌。由表3、图3 可看出，实验钢的冲击值随温度下降而降低，-60 ℃开始冲击值降低明显。从表3、图4 可看出，随着温度的降低，剪切断面率降低。从图5 可看出，随着冲击温度的降低，冲击断口上放射区所占百分比逐渐增加，即试样韧性逐渐降低[5]。从图6 可看出，室温下试样断口为等轴韧窝，大而深的韧窝分布数量较多，随着温度的降低，韧窝的形状发生变化，韧窝变小、变浅[6]。

图3 平均冲击功和试验温度的关系

图4 平均剪切断面率和试验温度的关系

表3 高铁齿轮钢脆性转变温度测试结果

当试验温度为20 ℃、0 ℃、-20 ℃时，断口形貌为“剪切+解理”，剪切断面率为72%～83%，如图5-1—图5-3 所示。当试验温度为-40 ℃时，断口形貌为“剪切+解理”，剪切断面率为52%，如图5-4 所示。当试验温度为-50 ℃、-60 ℃时，断口形貌为“解理+剪切”，但根据计算，其剪切断面率为38%、36%，即进入脆性转变区间，如图5-5、图5-6 所示。当试验温度下降到-80 ℃、-196 ℃时，其断口形貌为“解理”，其剪切断面率为19%、7%，属于完全脆性区间，如图5-7、图5-8 所示。

图5 不同温度冲击试样宏观断口照片

从图6 中可进一步看出，当试验温度为20 ℃、0 ℃时，断口扩展形貌主要为小而多的韧窝状塑性断裂，如图6-1、图6-2 所示，表明此温度范围内的冲击在试样断裂前会产生较大的塑性变形，属于韧性断裂；当试验温度为-20 ℃、-40 ℃时，断口扩展形貌虽仍有韧窝存在，但其形态已经有明显改变，韧窝小而浅，尺寸基本一致，没有大的撕裂岭和显微孔洞[7]，如图6-3、图6-4 所示，表明此温度范围内的冲击在试样断裂前仍产生了塑性变形，仍属于韧性断裂；当试验温度为-50 ℃、-60 ℃、-80 ℃、-196 ℃时，试样为典型的解理断裂，各“河流状纹理”对应着各自不同高度的解理面台阶[8]，表明试样断裂前基本没有发生塑性变形，属于完全的脆性断裂，如图6-5—图6-8 所示。试验结果表明：国产高铁齿轮钢18CrNiMo7-6 在低于-60 ℃时，冲击功随着试验温度的降低而急剧下降，由韧性断裂转为脆性断裂。结合剪切断面率面积的计算，剪切断面率面积低于50%时的温度为韧脆性转变温度，所以该高铁齿轮钢的韧脆转变温度为-50～-40 ℃。