CN100467657C - 低合金铸钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低合金铸钢，具体地说是一种能满足美国铁道协会(A.A.R)B+级铸钢要求的低合金铸钢，该低合金铸钢具有如下的化学成分：碳0.22～0.30%、硅0.25～0.55%、锰0.75～1.05%、磷小于等于0.035%、硫小于等于0.035%，铬0.25～0.60%，镍0.20～0.50%，残余元素含量小于等于0.30%，余量为铁。该铸钢符合A.A.R.对B+级钢化学成分和力学性能的规定，具有比B级钢更好的综合机械性能。并且具有成分容易控制、合金增添少、生产成本低、冶炼工艺简单、可焊性好、铸造工艺性能优良，从而更有利于工业化应用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低合金铸钢，具体地说是一种能满足美国铁道协会(A.A.R)B+级铸钢要求的低合金铸钢。
背景技术
我国铁道标准TB/T2942—1999《铁路机车车辆用铸钢材料》等效采用了美国铁道协会(A.A.R)发布的相关标准，即要求铁路机车车辆用铸钢材料满足一定的机械性能和化学成分要求，该标准将铁路机车车辆用铸钢材料分为以下种类：A级、B级、C级和E级铸钢，如规定B级钢的化学成分的最大限度为：碳0.32％、硅1.50％、锰0.90％(碳在最高含量之下，每降低0.01％，允许锰增加0.04％，最高锰含量允许达到1.20％)、磷0.040％、硫0.040％。
铁道标准规定B级钢的机械性能满足以下要求：抗拉强度大于等于485MPa(70ksi)，屈服强度大于等于260MPa(38ksi)，延伸率大于等于24％，断面收缩率大于等于36％，-7℃(20℉)的夏氏冲击值大于等于20J(15ft-1bs)。
美国铁道协会(A.A.R)在后来修订的M201标准中提出了一种新的铸钢材料，即B+级钢，其化学成分要求与B级钢相同，但机械性能优于B级钢，具体要求为：抗拉强度大于等于550MPa(80ksi)，屈服强度大于等于345MPa(50ksi)，延伸率大于等于24％，断面收缩率大于等于36％，-7℃(20℉)的夏氏冲击值大于等于20J(15ft-1bs)。铁道标准和美国铁道协会(A.A.R)标准仅规定了五个元素的最高含量要求，为了达到所需要的机械性能，可以加入其他合金元素，以增强钢的综合力学性能。例如巴克伊铸钢公司专利(CN99815700.7)就是根据美国A.A.R标准发明的一种铁路组件所用的铸钢组合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种低合金铸钢，该铸钢符合A.A.R.对B+级钢化学成分和力学性能的规定，具有比B级钢更好的综合机械性能。该铸钢可以用于铁路部件，也可用于其他工程领域。
按照本发明提供的技术方案，该低合金铸钢具有如下的化学成分：碳0.22～0.30％、硅0.25～0.55％、锰0.75～1.05％、磷小于等于0.035％、硫小于等于0.035％，铬0.25～0.60％，镍0.20～0.50％，残余元素含量小于等于0.30％，余量为铁；单位为重量百分数。
这种低合金铸钢可用于铸造铁路部件，所述铁路部件主要是转向架摇枕、侧架等。
这种低合金铸钢的热处理方法包括，升温至850～950℃后保温2～5小时，然后自然冷却至常温；经正火处理后的力学性能为：抗拉强度大于等于550MPa，屈服强度大于等于345MPa，延伸率大于等于24％，断面收缩率大于等于36％，-7℃的夏氏冲击值大于等于20J。
当所用的热处理设备具有调节升温速度的功能时，升温速度为120～200℃/小时；当所用的热处理设备没有调节升温速度的功能且升温速度较快时，可在升温至680～720℃后保温1～2小时，然后再升温至850～950℃。
本发明仅增添了合金元素铬和镍，即符合A.A.R.对B+级钢化学成分的规定，并能满足A.A.R.对B+级钢力学性能的要求，而且具有比B级钢更好的综合机械性能。与巴克伊铸钢公司专利(CN99815700.7)相比，巴克伊铸钢公司专利所需加入的合金元素比较多，如Ni、Cr、Mo、V等。这就带来了工业生产成分控制难、冶炼工艺复杂及生产成本高等缺点，同时该专利对杂质元素P、S的控制很严，要求控制P含量小于等于0.02％，S含量小于等于0.015％，这给工业冶炼控制带来很大难度。而本发明只需添加两种合金元素铬和镍，就能满足A.A.R.对B+级钢力学性能的要求，由于添加合金的数量和种类都较少，因此成本低、冶炼工艺操作简便，而且可焊性好；同时本发明对杂质元素P、S的控制要求比巴克伊铸钢公司专利要宽松，这给材料的冶炼带来了极大的方便，有利于工业化实施和推广。因此，本发明相对于巴克伊铸钢公司专利(CN99815700.7)，具有成分容易控制、合金增添少、生产成本低、冶炼工艺简单、可焊性好、铸造工艺性能优良，从而更有利于工业化应用等优点。
附图说明
图1为正火温度对本发明抗拉和屈服强度的影响。
图2为正火温度对本发明塑性和冲击韧性的影响。
图3为本发明的材料经正火处理后的金相组织放大100倍时的图片。
图4为本发明的材料经正火处理后的金相组织放大500倍时的图片。
具体实施方式
铁道标准和美国铁道协会(A.A.R)标准对B级钢和B+级钢化学成分和机械性能的要求见表1和表2。
表1 化学成分(％)
| 级别 | C | Si | Mn | P | S |
| B级钢B<sup>+</sup>级钢 | ≤0.32 | ≤1.50 | ≤0.90 | ≤0.040 | ≤0.040 |
注：1、碳在最高含量之下，每降低0.01％，允许锰增加0.04％，最高锰含量允许达到1.20％。
2、允许加入其他合金元素，以达到所需要的机械性能。
表2 机械性能
| 级别 | 抗拉强度 | 屈服强度 | 延伸率 | 断面收缩率 | -7℃夏比冲击值 |
| B级钢 | ≥485MPa | ≥260MPa | ≥24％ | ≥36％ | ≥20J |
| B<sup>+</sup>级钢 | ≥550MPa | ≥345MPa | ≥24％ | ≥36％ | ≥20J |
在本发明中，用来铸造铁路部件的低合金铸钢的化学成分范围和所达到的机械性能见表3和表4。表3中的其余成分为铁，单位为重量百分数。
表3 化学成分(％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni |
| 0.22～0.30％ | 0.25～0.55％ | 0.75～1.05％ | ≤0.035 | ≤0.035 | 0.25～0.60％ | 0.20～0.50％ |
表4 机械性能
| 抗拉强度 | 屈服强度 | 延伸率 | 断面收缩率 | -7℃夏比冲击值 |
| ≥550MPa | ≥345MPa | ≥24％ | ≥36％ | ≥20J |
显然，本发明符合美国铁道协会(A.A.R)标准对B+级钢化学成分和机械性能的要求。
本发明中，几组典型实例的化学成分和机械性能见表5和表6。
表5 化学成分(％)，其余为Fe
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr |
| 1 | 0.23 | 0.32 | 0.90 | 0.024 | 0.025 | 0.42 | 0.23 |
| 2 | 0.23 | 0.36 | 0.73 | 0.014 | 0.019 | 0.35 | 0.28 |
| 3 | 0.23 | 0.38 | 0.82 | 0.024 | 0.020 | 0.40 | 0.36 |
| 4 | 0.24 | 0.35 | 0.83 | 0.017 | 0.018 | 0.35 | 0.34 |
| 5 | 0.26 | 0.33 | 0.80 | 0.014 | 0.020 | 0.38 | 0.45 |
| 6 | 0.26 | 0.30 | 0.93 | 0.025 | 0.027 | 0.38 | 0.48 |
| 7 | 0.27 | 0.34 | 0.83 | 0.027 | 0.030 | 0.40 | 0.41 |
| 8 | 0.27 | 0.49 | 1.05 | 0.024 | 0.027 | 0.35 | 0.40 |
| 9 | 0.28 | 0.35 | 0.77 | 0.021 | 0.015 | 0.48 | 0.36 |
表6 机械性能
本发明在820～1050℃范围内进行正火热处理，正火温度对本发明力学性能的影响见图1和图2。
由图1、图2可知，随正火温度的提高，本发明的强度略有提高，而塑性先升后降，在850～950℃范围内正火，本发明的力学性能均能满足B+级钢力学性能要求，即抗拉强度大于等于550MPa(80ksi)，屈服强度大于等于345MPa(50ksi)，延伸率大于等于24％，断面收缩率大于等于36％，-7℃(20℉)的夏氏冲击值大于等于20J(15ft-1bs)。
本发明经正火处理后的金相组织为铁素体+珠光体组织，具体形态见图3、图4。
上述铸钢成分和性能完全符合A.A.R有关B+级钢的有关规定，并且具有更好的低温冲击性能。与普通碳素钢相比，本发明由于添加了合金元素，使晶粒细化，珠光体含量增加，强度大大提高，而塑性没有降低，具有优良的综合力学性能；由于本发明添加的合金元素种类、数量都较少，焊接碳当量较低，具有优良的可焊性和铸造工艺性能，便于该材料在铁路工业以及其他工程领域的应用；本发明只添加了两种合金元素Ni和Cr，制造成本比较低，便于工业应用时降低生产成本，进一步扩大其应用领域；同时本发明各元素成分范围宽，工艺性能好，便于工业生产控制。
本发明的材料可用来铸造铁路部件，如转向架摇枕、侧架等低合金铸钢件，也可以用来铸造其他有相似机械性能要求的部件，如心盘、齿轮芯、车钩附件等。
Claims (5)
1、低合金铸钢，其特征在于，该铸钢的化学成分为：碳0.22～0.30％、硅0.25～0.55％、锰0.75～1.05％、磷小于等于0.035％、硫小于等于0.035％，铬0.25～0.60％，镍0.20～0.50％，残余元素含量小于等于0.30％，余量为铁；单位为重量百分数；所述铸钢的热处理方法包括：升温至850～950℃后保温2～5小时，然后自然冷却至常温。
2、如权利要求1所述的低合金铸钢，其特征在于，这种低合金铸钢用于铸造铁路部件。
3、如权利要求2所述的低合金铸钢，其特征在于，所述铁路部件为转向架摇枕、侧架。
4、如权利要求1所述低合金铸钢，其特征在于，经正火处理后的力学性能为：抗拉强度大于等于550MPa，屈服强度大于等于345MPa，延伸率大于等于24％，断面收缩率大于等于36％，-7℃的夏氏冲击值大于等于20J。
5、如权利要求1所述低合金铸钢的热处理方法，其特征在于，当所用的热处理设备具有调节升温速度的功能时，升温速度为120～200℃/小时；当所用的热处理设备没有调节升温速度的功能且升温速度较快时，在升温至680～720℃后保温1～2小时，然后再升温至850～950℃。
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