U71MnSiCu重型钢轨的热处理工艺研究
郎庆斌;于慎君;刘晓恩;潘志生;郭文峰
【摘 要】The heat treatment parameters of U 71MnSiCu steel are studied by using the methods of metallographic analysis and hardness test .The heat treatment process of U71MnSiCu steel rail is made and used for production prac-tice according to test results .At last 18 pieces of steel rails have received a higher hardness values and a one -time pass rate is 100%.%通过采用金相组织分析和硬度检测等方法对U71MnSiCu钢的热处理工艺参数进行研究。根据试验结果制定了U71MnSiCu钢轨的热处理工艺并用于生产实践中。最终18件钢轨均获得较高硬度值，一次性合格率100％。 【期刊名称】《大型铸锻件》 【年(卷),期】2014(000)005 【总页数】3页(P14-16)
【关键词】U71MnSiCu钢;重型钢轨;热处理工艺;硬度 【作 者】郎庆斌;于慎君;刘晓恩;潘志生;郭文峰
【作者单位】中信重工机械股份有限公司，河南471003;中信重工机械股份有限公司，河南471003;中信重工机械股份有限公司，河南471003;中信重工机械股份有限公司，河南471003;中信重工机械股份有限公司，河南471003 【正文语种】中 文 【中图分类】TG156.6
钢轨是铁路或大型设备上滑行轨道系统的重要组成部分。由于钢轨需承载着较大负荷，常与其它滑行部件产生摩擦，磨损严重，因此硬度是钢轨力学性能要求的主要指标。我公司生产的U71MnSiCu钢轨是用于铝板拉伸机滑行轨道上的部件，由于钢轨设计承载的负荷极大，其尺寸比一般标准钢轨要宽，重量每米约470 kg，远远大于国家标准对重型钢轨重量的规定[1]。为了提高拉伸机的生产效率，减小更换钢轨周期，要求钢轨具有更好的耐磨性，要求钢轨的硬度值为310～350HBW。我公司为了生产出满足硬度要求的U71MnSiCu钢轨，需对钢轨热处理工艺参数进行研究，并制定符合实际生产的热处理工艺。 1.1 化学成分
U71MnSiCu钢轨的主要化学成分如表1所示。由合金元素对性能的作用可以知道，U71MnSiCu钢属于高碳类型的钢种，碳含量范围在0.65%～0.77%，是钢轨硬度的基本保障。锰元素含量在1%左右，可以增强其淬透性，使表面硬度和淬硬层增加，从而提高钢轨耐磨性。硅元素对提高钢的硬度和强度具有很强的作用。添加适量的铜元素可以起到自润滑的作用，减小摩擦系数，从而增强其耐磨性[2]。因此，U71MnSiCu的化学成分是保证其满足硬度和耐磨性的基本保障。 1.2 试验方法
在U71MnSiCu重型钢轨工件吊头套取∅18 mm×180 mm试棒后切成∅18 mm×20 mm的试样进行热处理试验。试验方法为：分别在740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃保温30 min，然后油冷。采用洛氏硬度计检测淬火硬度值，得出不同淬火温度与硬度的关系曲线。然后选择一个合适的淬火温度进行淬火，淬火后再分别在450℃、480℃、510℃、540℃、570℃、600℃进行回火试验，保温1 h后空冷。最后检测试样回火硬度值并观察试样金相组织。 淬火温度与回火温度对U71MnSiCu钢硬度的影响见表2。可以看出，
U71MnSiCu钢在740℃淬火硬度值很低，而当淬火温度加热至760℃时，硬度发
生了质的变化，硬度迅速提高，硬度值达到59HRC。随着淬火温度继续升高，硬度也提高，当淬火温度为800℃时，硬度达到峰值，约为65HRC，随后硬度随着淬火温度的升高稍有下降，在淬火温度为860℃时，硬度有明显的下降。从淬火硬度的变化规律看，U71MnSiCu钢的Ac3温度大于740℃，并在740～760℃之间的适宜温度淬火得到的硬度值应为63～65HRC。U71MnSiCu钢经800℃淬火，和在450～600℃温度范围回火，其硬度变化规律为硬度随回火温度升高而降低，起初硬度随回火温度升高稍有下降，即回火温度每升高30℃，硬度下降1～1.5HRC，当回火温度大于540℃时，硬度发生明显的下降，即回火温度为540℃时硬度值为37.5HRC，而回火温度为570℃时硬度值为31.5HRC，硬度值降低了6HRC。由此可见U71MnSiCu钢在450～540℃回火可以保持较高的硬度值，硬度约为37.5～41HRC。
U71MnSiCu钢淬火前及不同温度下淬火的金相组织见图1。淬火前的组织为珠光体组织与屈氏体组织及少量的铁素体(见图1(a))。在740℃加热油冷得到的组织主要为粒状珠光体与片状珠光体组织(见图1(b))。金相组织与硬度值相呼应，同时也说明了U71MnSiCu钢在该温度没有发生完全奥氏体转变。当淬火温度高于760℃，淬火组织主要为针状马氏体组织加少量的残余奥氏体，如图1(c)～图1(f)所示。随着淬火温度的升高，成分越均匀，淬火组织中的残余奥氏量减少，淬火硬度值逐渐升高。当淬火温度高于820℃时，随着温度升高，合金元素溶入奥氏体越充分，奥氏体稳定性增加，淬火组织中的残余奥氏体含量也逐渐增加，因此淬火硬度值随温度升高而降低[2]。由此可见，U71MnSiCu钢在780～820℃温度范围淬火，材料硬度值达到最佳，且组织为细针状马氏体，残余奥氏体量很少。在450～540℃之间回火的组织为回火屈氏体组织(见图2)，因此材料的硬度值较高。 U71MnSiCu钢轨总长5 000 mm，厚170 mm，硬度要求310～350HBW，相当于洛氏硬度33.5～38HRC。根据U71MnSiCu钢的工艺试验结果，
U71MnSiCu钢轨淬火温度应选在780～820℃之间。由于实际工件淬硬性比小试样淬硬性差，为了满足 U71MnSiCu钢轨的硬度要求，因此回火温度应比试验结果的稍低些，应选在450～510℃之间。按照图3的工艺进行热处理，18件钢轨均获得较高的硬度值，一次性合格。其硬度值见表3。
通过对U71MnSiCu钢的研究，得知U71MnSiCu钢在780～820℃温度范围内淬火得到的硬度值最佳，约为63～65HRC，淬火组织为针状马氏体加极少量残余奥氏体。在450～540℃温度范围回火，仍保持较高硬度值，约为37.5～41HRC，回火组织为回火屈氏体。根据研究结果制定了U71MnSiCu钢轨的热处理工艺。18件钢轨热处理后，硬度均达到硬度值要求310～350HBW的中上限，一次性热处理合格率100%，证明U71MnSiCu钢轨热处理工艺合理。
据悉，工信部正联合有关部门编制《中国制造2025》规划，有望2015年年中出台，为把我国打造成现代化的工业强国描绘出清晰的路线图。
工信部装备司副李东昨日在“2014中国(北京)国际能源峰会”上表示，工信部正在会同、科技部、财政部等部门，制定《中国制造2025》规划纲要，提出以“1+10”的规划体系发展装备制造业，尤其是重点发展重大技术装备。目前，各部委已启动了《关于加快推进新时期的重大技术装备的指导意见》。 【相关文献】
[1] 孙一峰. 武钢重轨生产工艺装备改造及产品开发[J]. 轧钢, 2005,22(4)：36-38.
[2] 姚小飞, 谢发勤. TC4钛合金表面镀Cu摩擦磨损性能的研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2012, 41(12):2135-2138.
