热处理对钒微合金化车轮钢显微组织特征和析出行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of heat treatment on microstructural characteristics and precipitation behaviors in a vanadium microalloyed wheel steel

　　

采用光学显微镜、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能谱仪（EDS）和维氏硬度测试，研究了含0.13 wt.% V的J21车轮钢中奥氏体化、控制冷却和后续回火对显微组织、析出行为和硬度的影响。将奥氏体化温度从850 °C升高至910 °C促进了富V析出物的溶解并减少了其数量。经910 °C/60 min处理后，由于较细小粒子优先溶解，剩余粒子的平均尺寸增大；存留粒子群体可能同时发生有限的粗化。理想化VC的计算平衡完全溶解温度约为938 °C。在规定的冷却制度下，降低500 °C以上的冷却速率增加了铁素体分数和富V析出物的数量。在后续回火过程中，440–520 °C下可明显观察到的析出物主要发生长大和粗化，而在600 °C下观察到大量尺寸低于20 nm的细小富V粒子。600 °C下的细小粒子群体并未产生最高硬度，因为析出强化被基体软化所抵消。在440 °C回火90 min后获得最大硬度336.5 HV。在本研究的滚动磨损条件下，J21表现出比J12更低的磨损量和更高的表面硬度。

热处理对钒微合金化车轮钢显微组织与析出行为的影响研究解读

铁路车轮钢在日益严苛的服役条件下需要同时具备高强度、足够的韧性和抗滚动接触疲劳（RCF）性能。高碳珠光体钢因其强度和耐磨性而广泛使用，但进一步提高强度往往伴随韧性恶化。微合金化是调控相变产物、晶粒尺寸和析出行为，从而平衡强度、韧性和耐磨性的重要途径。钒（V）是钢中强碳化物和碳氮化物形成元素，在奥氏体分解及后续热处理过程中可析出纳米级富V碳化物/碳氮化物，氮（N）同时影响V(C,N)析出的热力学与动力学。前期研究表明，在J21/J12锻钢车轮中加入约0.13 wt.% V可将原奥氏体平均晶粒尺寸从约20.36 μm细化至11.70 μm，细化珠光体片层间距，促进先共析铁素体形成，并产生大量纳米级富V析出物；HRTEM/FFT-IFFT结合EDS进一步确认了具有fcc NaCl型结构的纳米VC。然而，实际热处理过程中奥氏体化温度、冷却制度和回火参数对这些析出行为、显微组织和硬度的影响尚不清晰。为此，研究人员系统研究了奥氏体化、冷却和回火对V微合金化车轮钢析出行为、显微组织和硬度的影响，旨在为V微合金化锻钢车轮的热处理参数选择提供冶金学依据。该研究成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

本研究采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、能谱仪（EDS）和维氏硬度测试等方法。样品取自中国机车用直径1250 mm的商业车轮，材料为V微合金化J21钢和对比钢J12。利用Gleeble-3500热模拟试验机模拟轮辋不同深度（10、25、45 mm）的冷却制度（6、2、1 °C/s），并设计不同奥氏体化温度（850、870、890、910 °C）和回火制度（440–600 °C，30–120 min）系列。采用碳萃取复型技术统计析出物数量与尺寸，使用双盘磨损试验比较J12与J21的滚动磨损性能。主要技术方法包括：热模拟处理、显微组织表征（OM/SEM/TEM/HRTEM/EDS）、图像统计分析和维氏硬度测试。

3.1 不同加热过程中的VC溶解行为

通过TEM观察和碳萃取复型统计发现，随奥氏体化温度从850 °C升至910 °C，J21钢中残余VC析出物数量逐渐减少，平均数量从32个降至7个（相同视野）。细小粒子优先溶解，导致残余粒子平均尺寸在910 °C时增大至33.7 nm。利用溶解度积公式计算得到理想VC的平衡完全溶解温度约为938 °C。结果表明，升高温度促进析出物溶解，910 °C更接近完全溶解温度，但溶解仍显著，不能简单归因于Ostwald熟化。

3.2 不同冷却过程中的VC析出行为

通过OM、SEM和TEM观察热模拟样品，发现降低500 °C以上的冷却速率使先共析铁素体体积分数从5.2%增加至8.4%，铁素体形貌由连续晶界网状变为非连续多边形。冷却速率越低，铁素体中富V析出物数量越多，尺寸越大，典型尺寸为10–100 nm，且高密度位错区和珠光体片层断裂处易发生析出物富集。这归因于较慢冷却提供了更充分的扩散相变和析出时间。

3.3 不同回火过程中的VC演变

对2 °C/s冷速样品在不同温度回火60 min后观察，440–520 °C回火时，原有析出物主要发生长大和粗化，尺寸可达100–200 nm，形貌从球形向椭圆或不规则多边形转变；600 °C回火时，铁素体中出现大量低于20 nm的细小富V粒子，表明二次析出仍活跃。但硬度测试（6 °C/s冷速样品）显示，最大硬度出现在440 °C回火90 min，为336.5 HV，而600 °C回火硬度反而下降，说明析出强化被基体软化抵消。

3.4 磨损结果

通过双盘磨损试验比较J12和J21在0.2%和0.5%滑差下的磨损行为。结果表明，J21的磨损质量损失低于J12，稳态磨损率也更低；滚动循环后，J21表面硬度约为560 HV，高于J12的515 HV。J21具有更优的耐磨性，这与V微合金化带来的组织细化和析出强化有关，但考虑到J21中N含量比J12高约30%，性能差异应归因于V-N微合金化的综合作用。

讨论部分指出，回火温度改变了富V析出物演变与铁素体-珠光体基体软化之间的平衡。在440–520 °C，可见的原有析出物以长大粗化为主；在600 °C，大量细小粒子的出现并未导致最高硬度，因为基体回复和位错湮灭等软化机制抵消了析出强化的贡献。由于TEM回火系列（2 °C/s冷速）与硬度系列（6 °C/s冷速）的前期冷却条件不同，二者用于互补而非逐点对应。结合前期定量强化分析，纳米级富V析出物的Orowan强化贡献显著，但现有硬度演变是析出、溶质再分配和基体/亚结构演变的综合结果。

研究结论可翻译如下：

（1）在奥氏体化过程中，随着加热温度从850 °C升高至910 °C，VC析出物的溶解被促进，其数量和体积分数相应减少，析出V量从0.057 wt.%降至0.027 wt.%。细小析出物在加热过程中优先溶解。

（2）在冷却过程中，较高的冷却速率导致析出物数量较少且尺寸较小，大部分低于40 nm。随着冷却速率降低，析出物数量显著增加，尺寸同步增大，分布在10～100 nm范围内。铁素体中形成的析出物更多，且分布更均匀、富集更明显，而珠光体片层间的析出物数量相对较少。

（3）对于2 °C/s冷速的样品，在440 °C至520 °C范围内回火主要导致析出物长大和粗化，尺寸增大至100–200 nm。此外，部分析出物形貌由初始球形演变为不规则方形。

（4）近轮辋样品（6 °C/s冷速）在不同回火温度下，硬度随回火时间增加呈峰值型变化，表明存在二次硬化现象。经440 °C/90 min回火后，峰值硬度达到336.5 HV，比未处理态高约5.2%，对应二次硬化效应。520 °C回火在30–60 min内硬度保持在330 HV以上，显示出良好的回火工艺稳定性。

（5）在4×10⁴次循环后，J21表现出优于J12的耐磨性。两种车轮钢的表面硬度在初始阶段快速增加，随后逐渐稳定。与J12钢相比，J21钢在磨损试验后具有更高的表面硬度。