弹簧钢中带状偏析对弹条金相组织的影响

方杭玮1   孙丹杰2

(1.北京丰台桥梁土厂，2.北京中铁土建筑土程设计院)

[摘  要] 对60Si2Mn弹簧钢制成的弹条经热处理后的金相组织进行了试验分析，阐明了弹条金相组织不合格的主要原因是钢中的带状偏析所造成；指出了它对弹条疲劳寿命的影响，以及改善带状偏析的具体措施。

[关键词] 弹簧钢；带状偏析；金相组织；影响

一、引言

      弹条作为将钢轨稳定固着十轨道承拖系统上，确保两钢轨间的轨距为一定值保持铁路车辆运转线形的关键部件，其性能和质量将直接影响线路的质量，尤其是它的内部质量更为重要，它将直接影响到扣压力、疲劳寿命和线路的行车安全。弹条的内部质量主要体现为产品的硬度和金相组织，由于弹条金相组织取决于原材料质量、弹条加热温度、弹条淬火温度、淬火油性能等诸多方面，故分析起来比较困难；井且以往忽视了弹簧钢中带状偏析对弹条金相组织的影响，故在弹条热处理过程中不采取有效的措施，经常造成弹条金相组织不合格，使整批的弹条报废。木文就弹簧钢中带状偏析情况对弹条金相组织的影响进行了分析，井提出了改进措施，通过这些措施，将有效地控制弹条的金相组织，大大提高弹条的生产合格率。

二、弹条金相组织试验

在经最终热处理的弹条(原材料为60Si2Mn)上切取试样进行金相组织分析，热处理条件：加热温度为1030℃，淬火前弹条温度为905℃，回火温度为480℃。图1为弹簧钢中无带状偏析的弹条金相组织，图2为弹簧钢中有带状偏析的弹条金相组织。

          图1  无带状偏析的弹条金相组织(5OO×)          图2  有带状偏析的弹条金相组织(5OO×)

三、弹条金相组织分析

    从图1可以看出其金相组织完全符合TB/T 2478-93《弹条金相组织评级图》中的技术要求，而图2中具有带状游离铁素体，已不符合上述技术要求。根据电子探针分析的结果，游离铁素体部位与周围正常组织相比，Si含量高29%～36%， P含量高4%～8%，而Mn含量稍低。

为了追溯产生带状偏析的根源，检查了热扎弹簧钢的金相组织，见图3。很明显，弹簧钢中存在铁素体带状偏析，且铁素体中存在硫化物杂质。经电子探针分析，弹簧钢中带状铁素体偏析内的Si含量比周围正常组织高34%～40% ，P含量高7%～13%，其他元素相差无儿。

         图3   热扎弹簧钢金相组织(250×)                 图4  有负偏析弹簧钢的金相组织(60×)

     弹簧钢中有时有负偏析的现象，对其进行化学分析，结果列于表1：

    具有负偏析弹簧钢的金相组织如图4，图上部为负偏析的组织，其铁素体含量超过一般正常组织，并有明显的铁素体带；图底部为负偏析中间的一条正偏析带的组织，其铁素体量明显的减少。

    根据上述试验结果，弹条中带状游离铁素体主要是由于弹簧钢中的枝晶偏析所造成，其主要偏析元素是Si和S，铁素体带中的P含量井不太高，因此弹条中的带状偏析不是P偏析所致。

具有铁素体带状偏析的弹簧钢制成的弹条进行淬火加热时，在奥氏体相区，带状铁素体周围的碳原子向其带内扩散。但由于加热温度不太高，加热时间短，加上Si原子的阻碍，原铁素体偏析区的奥氏体与周围的碳含量未能达到均匀，淬火后，原铁素体带状偏析部位便得到含碳量较低的马氏体，回火后便形成碳含量比周围低的完带状回火屈氏体。

弹簧钢中Si偏析的区域越大、越严重，则铁素体偏析带就越宽。由于Si升高Ac3的温度，当淬火加热温度不够高或保温时间不够长时，较宽铁素体带还未完全溶解，或周围的碳原子未来得及向原铁素体带区域内的奥氏体中扩散，这时淬火冷却后，便将带状偏析中的部分铁素体保留下来，形成回火后的带状游离铁素体。

    试验结果证明，弹簧钢每加热一次，带状组织中的Si偏析要减少一此。加热温度越高，保温时间越长，带状组织中的Si偏析减少越多。如弹簧钢带状偏析中的Si含量比周围正常组织高34%～40%，而经过最终热处理后弹条带状偏析中的Si含量仅高29%～36%.但是加热的次数和加热温度的高低对钢中的MnS夹杂物不起任何作用。

四、带状偏析对弹条疲劳寿命的影响

弹条中存在带状游离铁素体和细长条的MnS夹杂物，使疲劳寿命降低1倍～2倍。弹条的疲劳寿命仅有150万次～250万次(正常情况下的疲劳寿命≥500万次)。这是因为弹条在疲劳载荷作用下，带状游离铁素体内或细长条的MnS夹杂物内易产生疲劳裂纹源，然后裂纹沿着铁素体带或MnS夹杂物迅速扩展，当裂纹扩展到弹条的剩余断面承受不了外来疲劳载荷时，弹条立即断裂。根据以上分析可以看出，原材料带状偏析将大大减少弹条疲劳寿命，使得线路维修养护困难，并目_断裂的弹条将不能保证两钢轨间的轨距，形成列车运行事故隐患。

五、减少弹簧钢带状偏析对弹条金相组织影响的措施

(1) 严格控制弹簧钢的内在质量，对每一批原材料进行化学成分分析和热处理试验，经过热处理试验制定出每一批原材料生产弹条时的热处理温度。

    (2) 热处理时适当提高淬火加热温度和延长保温时间，使带状偏析中铁素体能充分溶入奥氏体，避免淬、回火后出现带状游离铁素体。据多次试验，60Si2Mn弹簧钢的淬火温度不宜低于870℃，以870～900℃为最佳。

    (3) 改进淬火介质，提高弹条淬火时的冷却速度。