轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响_左辉.pdf

第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.1February 2 0 2 3轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响左辉，陈坤，李广（江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司，江苏 淮安 223002）摘要：通过超声波探伤、缺陷解剖、低倍检验、光学显微镜金相分析等，探讨轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响。结果表明：EA4T车轴钢在相同加热、冷却制度下，采用相同的1 100 mm开坯机轧制，当轧制道次由17道次减少到15道次，平均压下量增加5.67 mm。超声波探伤超过2.0 mm平底孔当量的缺陷数量由10个减少到1个，超声波探伤超过3.2 mm平底孔当量的缺陷数量由3个减少到0个；探伤合格率高15%以上。采用大压下量15道次轧制的EA4T车轴钢，内部缺陷形貌为典型的缩孔残余，疏松孔洞数量少且细小；采用17道次轧制的EA4T车轴钢，内部缺陷为缩孔残余加密集的疏松孔洞。采用大压下量轧制可以有效消除EA4T车轴钢连铸坯的心部缺陷。关键词：EA4T车轴钢；轧制工艺；超声波探伤；缺陷中图分类号：U260.6+4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.008高速铁路车轴作为高速铁路列车中重要的传动和承载部件之一，其在服役过程中会受到来自车轮和转向架的弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷1。高速铁路车速的提高将导致车轴动载荷增大，这对高铁车轴钢的强韧性提出了更高的要求2。车轴是铁路车辆的主要组成部分，是高速列车安全服役的关键构件3。车轴在服役过程中往往承受着高周甚至是超高周交变载荷作用，其失效形式多为疲劳破坏。车轴的疲劳失效多是起源于表面4，但是内部缺陷在高周交变的作用下也会逐渐形成裂纹源，大幅降低车轴的疲劳寿命和使用安全性。目前我国的高速列车每年运行约60万km，车轴载荷循环约2.2108周次，是典型的高周疲劳构件3，车轴的内部缺陷严重影响高铁运行效率和运行安全性。目前国内开展了宽厚板轧制工艺对改善厚规格钢板内部质量的研究5-7，提出通过控制加热温度、采用多道次大压下量轧制，高形状比轧制等工艺来提高钢的内部质量。车轴钢一般采用模铸或连铸工艺冶炼，通过锻造或开坯轧制成型，锻轧工艺更加复杂。车轴钢的形状一般为方形，轧制变形均是沿上下方向进行的，每一道次压下量的大小显著影响内部缺陷的闭合。轧制工艺不合理甚至会导致内部缺陷的扩展，将无害缺陷变为有害缺陷。EA4T是一种符合EN 13261标准8的新型高速列车车轴用钢，广泛应用于国外高速铁路和城市轨道交通。目前，国内也引进该材料，并开展了疲劳性能的研究，列举了表面缺陷对疲劳寿命的影响9。针对内部缺陷的形成过程，探讨不同的轧制工艺，研究其对EA4T车轴钢内部缺陷的影响，以相控阵超声波探伤的方法进行检查，定位解剖缺陷位置，进行酸洗和金相检查对比。根据对比情况，选择合理的EA4T车轴钢轧制工艺，寻找轧制工艺的优化方向。1 试验材料和方法 1.1试验材料EA4T车轴钢采用转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸方式进行冶炼，其主要化学成分（质量分数）如表1所示。1.2试验方法连铸坯端部清除切割瘤后，采用蓄热式燃气步进加热炉按表2所列工艺进行加热，加热时间控制在1012 h，开轧温度控制在1 1501 180；加热后采用图1所示的高压水除鳞装置进行表面清理，水压2530 MPa，确保表面无氧化铁皮残留；采用1 100 mm开坯机15道次轧制成型。采用图2所示开坯机轧槽，同一炉车轴钢坯中，三表1试验用EA4T钢的化学成分(质量分数)单位：%C0.26Si0.35Mn0.72P0.012S0.002Cr1.08Cu0.01Ni0.24Mo0.25V0.05Al0.015文章编号：2097-0846（2023）01003906收稿日期：20220516；修回日期：20220801第一作者：左辉（1983），男，工程师，硕士。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷流每流第1支和第2支连铸圆坯分别使用不同的开坯轧制工艺成型，轧制工艺1采用15道开坯加2道连轧轧制方钢，轧制工艺2采用15道开坯直接轧制方钢，具体工艺参数见表 3、表 4，每种轧制工艺轧制成 EA4T车轴钢12支。按相同节奏进行流转、收集入坑缓冷，冷却到150 以下出保温坑。在空气中自然冷却到室温，进行表面抛丸清理，去除表面的氧化皮，减少表面粗糙度对超声波检测的干扰。使用化学浆糊作为耦合剂，在使用前将化学浆糊充分搅拌均匀，呈半透明胶体状态，均匀涂抹在EA4T车轴方钢的上表面检测面，使耦合剂黏度和表面浸湿性足以保证超声能量很好地传入钢材。选用2.5 MHz探头，利用便携式相控阵超声波探伤仪对车轴钢进行横向“Z”字形扫查，确保表面100%扫查。将扫查过程中发现的平底孔当量大于2.0 mm的缺陷进行标记，记录其缺陷点数量；扫查完一面后翻转90对另外一个垂直面进行操作，记录扫查过程中发现的平底孔当量大于2.0 mm的缺陷。重点记录车轴钢同一横截面90角方向发现的缺陷。在完成一整根 EA4T车轴方钢的超声波探伤后，按GB/T 41622008 锻轧钢棒超声检测方法 标准B级精度检测对缺陷点进行复核，要求单个不连续平底孔直径不大于3.2 mm；间距25 mm以内，多个不连续平底孔直径不大于2.0 mm；长条形不连续平底孔直径不大于2.0 mm，长度不大于25 mm，底波损失不大于50%，查找平底孔当量大于3.2 mm的缺陷。统计其数量和缺陷长度，重点关注其同一横截面90角方向发现的缺陷。2 试验结果及分析 2.1探伤情况统计24支试样EA4T车轴钢的超声波探伤后，分别统计其探伤合格率情况，具体探伤结果见表5。本节均表4车轴钢轧制工艺2道次123456789101112131415孔型号112211222222244高/mm540475564510455400450400345383315303231289255宽/mm614624483494504515410420433358375333351247255压下量/mm656560545555655055506872726234轧后是否翻转90轧制否是否否否是否否是否是否是否否表3车轴钢轧制工艺1道次123456789101112131415孔型号112211222222333高/mm540480573523476423464410357400340317257330285宽/mm614624487496505514432441451366377349368268285压下量/mm656051504753505453516060603845轧后是否翻转90轧制否是否否否是否否是否是否是否否表2试验钢加热工艺牌号EA4T加热时间/h1012温度/预热段830900加热1段1 0301 100加热2段1 2301 280均热段1 2501 280图1高压水除鳞装置（单位：mm）图2开坯机轧槽示意图40第 1 期左辉等：轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响按照GB/T 41622008标准讨论，采用工艺1轧制的12支EA4T车轴钢，按照标准A级精度超声波探伤合格9支，探伤合格率75.00%；采用工艺2轧制的12支 EA4T车轴钢，按照标准A级精度超声波探伤合格11支，探伤合格率91.67%。采用工艺1轧制的12支EA4T车轴钢，按照标准B级精度超声波探伤合格10支，探伤合格率 83.33%；采用工艺 2轧制的 12支 EA4T车轴钢，按照标准 B 级精度超声波探伤合格 12支，探伤合格率100.00%。工艺2轧制的EA4T车轴钢探伤合格率明显高于轧制工艺1轧制的EA4T车轴钢。按标准A级精度超声波探伤发现的超标缺陷点数量统计，轧制工艺1开坯轧制的3支探伤不合格EA4T车轴钢，共有10处缺陷超标报警点，缺陷形貌均为点状，长度方向无延伸；轧制工艺2开坯轧制的1支探伤不合格车轴钢，有1处缺陷超标报警点。轧制工艺2的超声波探伤发现的缺陷报警点数量相较于轧制工艺1减少了90%。按标准B级精度超声波探伤发现的超标缺陷点数量统计，轧制工艺1开坯轧制的2支探伤不合格车轴钢，共有3处缺陷超标报警点，缺陷形貌均为点状，长度方向无延伸；轧制工艺2开坯轧制的车轴钢未发现探伤超标缺陷点。按标准采用不同的探伤精度检测，缺陷数量对比见图3，图中2个标准是超声波探伤对应的国家标准,横坐标是检测精度，对比不同的检测精度发现的报警缺陷数量。采用超声波探伤检测对比，轧制工艺2生产EA4T车轴钢比轧制工艺1生产的EA4T车轴钢探伤合格率显著提高，内伤缺陷点显著减少。轧制工艺2从轧制内部质量来看是优于轧制工艺1的。2.2超声波探伤缺陷波及缺陷宏观形貌选用 GE公司制造的便携式相控阵探伤仪，采用如图4所示的A型便携式相控阵试块确认扇扫成像。以标准A型便携式相控阵试块上该区域的7个1.0 mm25 mm、间距15 mm成45角排列的横通孔作为参考反射体，确认仪器和探头的组合性能具备发现并分辨该当量、间距缺陷的能力，说明设备扇扫成像横向、纵向分辨率合格，成像如图5所示。采用F250 mm250 mm规格车轴方钢制作的1.2 mm25 mm中心横孔对比试块调节检测灵敏度，波形如图6所示。根据设备调试情况确定检测灵敏度。按GB/T 325632016 无损检测 相控阵超声检测方法 对方钢采用相互垂直的双面检测法进行接触法探伤。当探头在钢坯上表面检测时，见图7，扇扫成像图案整体比较干净，钢坯内部质量较好，未发现超标缺陷显示；当探头在钢坯同一位置的侧面检测时，见图8，扇扫成像图案整体相对复杂，甚至还发现一处超标缺陷显示。这就说明缺陷在钢坯中分布走向是有方向性的，为避免漏检，方钢超声检测至少要检测相互垂直的2个面。对发现点状缺陷的部位进行定位，标记该缺表5超声波探伤合格率情况统计钢种EA4TEA4T工艺12规格F250 mm250 mmF250 mm250 mm总支数/支1212探伤级别A级合格支数/支911不合格支数/支31合格率/%75.0091.67探伤级别B级合格支数/支1012不合格支数/支20合格率/%83.33100.00图3超声波探伤缺陷数量对比图 图4A型便携式相控阵试块图5试块缺陷波41高速铁路新材料第 2 卷陷位置，以该缺陷为中心，沿长度方向前后各延伸20 mm，锯切成片状低倍试样。在实验室中重新定位缺陷最严重的位置，使用记号笔标记，采用线切割进行定位解剖。清理切割面，观察切割面的缺陷形貌。经热酸洗腐蚀，如图9所示，该EA4T车轴钢内部缺陷主要集中在心部50 mm的范围内。2.3缺陷金相分析对低倍酸洗发现的心部缺陷进行金相分析，如图10、图11所示。图10为工艺1轧制EA4T车轴钢心部缺陷金相照片，在横截面上中心区域有2处宽度超过0.50 mm的残余缩孔，其周边密布有多个疏松孔洞，形成密集缺陷，对应的该缺陷在超声波探伤时显示的缺陷波比较高。图11为工艺2轧制EA4T车轴钢心部缺陷金相照片，在横截面上中心区域处有一宽度为0.20 mm的残余缩孔，其周边距离约0.60 mm处两侧有少量的细小疏松孔洞，在超声波探伤时显示的缺陷波明显小于工艺1轧制的EA4T车轴钢心部缺陷。有研究表明，在常规轧制制度下，轧制变形渗透不充分，会导致轧件的表面变形远大于中心变形，中心处的疏松和孔隙压合都比较困难，导致常规轧制时需要较大总压缩比9。如果要在较小的压缩比下保证车轴钢的内部质量，就必须改进现有的轧制工艺，控制变形分布，改善钢的内部组织。采用高形状比轧制，轧制过程中的接触弧长度与轧件的平均厚度之比称为形状图7上表面缺陷波图6对比试块灵敏度检测图9缺陷宏观形貌图8侧面缺陷波图10工艺1心部缺陷金相照片图11工艺2心部缺陷金相照片42第 1 期左辉等：轧制工艺对EA4T车轴钢内部质量的影响比，即变形渗透系数S，见式(1)10：S=R(H-h)(H+h)/2（1）式中：R为轧辊半径；H为轧机入口侧轧件厚度；h为轧机出口