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为轧机出口侧轧件厚度。连铸坯心部质量工艺参数固化，电磁搅拌参数不变，冷却均温、稳定的前提下可以认为是相近的。在轧辊半径不变的情况下，单道次压下量的增加，提高了其轧制渗透系数，导致轧制渗透力增加，轧制渗透力的增加会导致轧制过程心部变形量的增加。轧制工艺1的实际轧制道次是17道，将相同的压缩比变形分为17次轧制，而轧制工艺2只需要15次变形。轧制工艺2的第2、3、4、5、6、7、9、11、12、13、14道次，通过提高单道次的压下量增加来提高轧制渗透力，使铸坯中心区域产生更大的变形，变形量的增大，使每一道次轧制时，都可以将连铸坯心部的缺陷充分压缩变形，尽可能将其压缩闭合。如果轧制过程对铸坯心部的变形不充分，导致连铸过程的缩孔和疏松孔洞仅被轻微压缩，没有实现闭合，在翻转90再轧制过程中将可能导致缺陷向两侧再次扩展。如此往复轧制，不仅不能起到消除铸坯缺陷的作用，还有可能将心部缺陷位置撕裂，形成应力裂纹，严重影响车轴的疲劳寿命和使用安全性。2.4轧制工艺参数选择结合此次试验EA4T车轴钢的超声波探伤情况和探伤缺陷的定位分析结果，采用 15道次大压下量轧制，通过压缩轧制道次，合理分配压下量，在满足设备负荷的前提下，充分采用大压下量轧制的高渗透力，对EA4T车轴钢内部质量进行改善。大压下量轧制对于连铸圆坯轧制方钢内部缺陷的消除起到积极的作用。轧制工艺2轧制后车轴方钢的探伤合格率显著高于轧制工艺1，应选择轧制工艺2进行批量生产。3 结论（1）采用相同坯型轧制EA4T车轴钢时，在相同压缩比的条件下，随着轧制道次的减少，单道次压下量的增加，EA4T车轴钢的超声波探伤的合格率显著上升。采用大压下量轧制的工艺2比常规轧制的工艺1探伤合格率高了15%以上。（2）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。平均压下量是由每道次高度轧制减少的数值总和除以轧制道次计算得出。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。（3）常规轧制由于轧制压下量不充分，轧制渗透力低，轧制变形过程中心位置的变形量远远小于表面区域，使连铸坯的心部缺陷变形轻微，心部的缩孔和疏松孔洞不能有效闭合。当翻转90轧制时，心部未闭合的缺陷将沿轧制方向的垂直方向向两侧扩展，心部缺陷的改善消除效果微乎其微。（4）充分的大压下量轧制可以提高轧制的渗透力。轧制变形过程将连铸坯的中心缩孔、疏松孔洞等缺陷充分压合，即使翻转 90再轧制也不会向垂直方向扩展。参考文献：1 陈双生，曹燕光，杨庚蔚，等.回火温度对高速列车车轴用DZ2 钢组织及性能的影响 J.高速铁路新材料，2022，1（1）：64-69.2 杜松林，汪开忠，胡芳忠.国内外高速列车车轴技术综述及展望 J.中国材料进展，2019，38（7）：641-650.3 尹鸿祥，吴毅，李翔，等.旋转弯曲载荷下EA4T车轴钢微动疲劳行为的研究 J.高速铁路新材料，2022，1（1）：36-42.4 李翔，吴毅，尹鸿祥，等.表面超声滚压工艺参数对车轴钢表面性能的影响 J.高速铁路新材料，2022，1（1）：111-118.5 孟庆成，雷军义，王守信，等.厚规格钢板蛇形轧制变形渗透性影响因素分析 J.塑性工程学报，2019，26（1）：227-233.6 方寿玉，袁伽利.低速大压下轧制工艺对钢板性能及质量的影响 J.宽厚板，2022（1）：28-32.7 张田，田勇，王丙兴，等.“温控-形变”轧制工艺对厚板变形渗透性的影响 J.轧钢，2018，35（1）：6-9+6.8 IX-CEN.Railway applications-Wheelsets and bogies-Axles-Product requirements：EN 13261：2020 S.Dansk Standardiseringsrad（DS），2020.9 张恒，尹鸿祥，吴毅，等.含不同尺寸菱形压痕EA4T钢车轴的疲劳性能 J.机械工程材料，2021，45（3）：61-65+82.10 于爽，乔松.高形状比轧制工艺改善厚规格钢板内部质量的研究 J.宽厚板，2014（8）：17-20.43高速铁路新材料第 2 卷Effect of Rolling Process on Internal Quality of EA4T Axle SteelZUO Hui，CHEN Kun，LI Guang（Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co.，Ltd.，Huaian Jiangsu 223002，China）Abstract：The effect of rolling process on internal quality of EA4T axle steel was revealed by means of UT test,defect dissection,macroscopic examination and optical microscope.The results show that under the condition of EA4T axle steel rolled with the same 1 100 mm roughing mill,using the same heating and cooling system,when the rolling passes are reduced from 17 passes to 15 passes,the average reduction increases by 5.67 mm.The number of defects over 2.0 mm flat bottomed hole equivalent by ultrasonic inspection is reduced from 10 to 1.The number of ultrasonic defects exceeding 3.2 mm flat bottomed hole equivalent is reduced from 3 to 0.The qualified rate of flaw detection is increased by 15%.The internal defects of EA4T axle steel with 15 passes of high reduction are typical shrinkage residual,and the number of loose holes are less and small.The internal defects of EA4T axle steel with 17 passes of rolling are residual shrinkage and dense loose holes.The core defects of EA4T axle steel continuous casting can be effectively elimianted by high reduction rolling.Keywords：EA4T axle steel;rolling process;UT test;defect(责任编辑 问素彦)44