CN101748338B

CN101748338B - 铁路车辆的车钩用高强度铸钢及其制造方法

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Publication number: CN101748338B
Application number: CN2009102734598A
Authority: CN
Inventors: 罗桂琼; 刘忆冰; 熊兵; 陈学良; 林量才; 刘海涛; 崔红; 汤楚强; 李朝晖; 姚雄
Original assignee: CSR Yangtze Co Ltd
Current assignee: CRRC Yangtze Co Ltd
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN101748338A

Abstract

本发明公开了一种铁路车辆的车钩用高强度铸钢及其制造方法。该高强度铸钢中的化学成份按重量百分数计为C：0.22～0.28、Si：0.20～0.40、Mn：1.20～1.50、Cr：0.40～0.60、Ni：0.90～1.10、Mo：0.20～0.30、Al：0.030～0.080、Cu≤0.30、P≤0.030、S≤0.030，余量为Fe及不可避免的夹杂。其制造方法中的关键工艺在于：出炉钢水温度控制在1590～1610℃；浇铸温度控制在1560～1580℃；铸件调质热处理的淬火温度控制在850～890℃，回火温度控制在530～590℃。试验表明：所制得高强度铸钢的破坏载荷≥950Mpa、抗拉强度≥800Mpa、断后伸长率≥10％、断面收缩率≥24％，在-40℃下的冲击功≥20J，完全可以满足重载铁路运输中牵引缓冲装置用材的需要。

Description

铁路车辆的车钩用高强度铸钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁路车辆的牵引缓冲装置用材料，具体地指一种铁路车辆的车钩用高强度铸钢以及该铸钢的制造方法。

背景技术

铁路车辆的牵引缓冲装置是直接承受车辆重载和提速冲击的重要部件，其选用材料的安全性十分重要。目前，国际上普遍等效采用美国铁道学会颁发的AAR-M201标准规范中的E级钢作为牵引缓冲装置用耐磨、耐低温冲击的高强度铸钢，E级钢的化学成份按重量百分比规范如下：

碳含量％	硅含量％	锰含量％	磷含量％	硫含量％	镍含量％
						0.22～0.28	0.20～0.40	1.20～1.50	≤0.040	≤0.040	0.35～0.55

AE级钢的机械性能要求如下：

屈服强度MPa	抗拉强度MPa	断后伸长率％	端面收缩率％	冲击吸收功J
					≥690	≥828	≥14	≥30	(-40℃)≥27

然而，随着铁路运输重载和提速的加速发展，铁路车辆牵引缓冲装置在正常运行状态下的压缩与拉伸载荷至少为2.5MN(250t)，在异常运行状态下则可能达到3.0MN(300t)，上述E级钢或其等效替代品的屈服强度和抗拉强度等机械性能要求已逐渐不能适应重载铁路运输的需要了，铁路科技人员亟待研制一种屈服强度和抗拉强度更高的牵引缓冲装置用材料。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高于美国铁道学会AAR-M201标准规范中E级钢机械性能的铁路车辆的车钩用高强度铸钢、以及该高强度铸钢的制造方法，以满足铁路重载运输的需要。

为实现上述目的，本发明在深入研究E级钢铸造过程中镍的加入量与热处理过程中淬火和回火温度对铸钢的机械性能的影响的基础上，通过控制钢中有害杂质S、P含量的同时，增加镍元素的加入量，并在热处理过程中，通过改善淬火与回火温度，最终获得一种铁路车辆的车钩用高强度铸钢。该高强度铸钢中的化学成份按重量百分数计为C：0.22～0.28、Si：0.20～0.40、Mn：1.20～1.50、Cr：0.40～0.60、Ni：0.90～1.10、Mo：0.20～0.30、Al：0.030～0.080、Cu≤0.30、P≤0.030、S≤0.030，余量为Fe及不可避免的夹杂。

上述高强度铸钢的制造方法，包括如下步骤：1)铸钢主要原料炉内熔化、2)纯氧氧化脱碳脱磷、3)取样分析炉内化学成份，并据此加入镍合金或电解镍原料以调整钢水中Ni的含量、4)加入还原剂脱氧脱硫、5)白渣精练、6)调整出炉钢水的温度、7)在钢包内加入纯铝进行深度脱氧、8)浇铸成型、9)铸件清理、10)铸件调质热处理。其关键工艺在于：所说的步骤6)中，出炉钢水温度控制在1590～1610℃；所说的步骤8)中，浇铸温度控制在1560～1580℃；所说的步骤10)中，铸件调质热处理的淬火温度控制在850～890℃，回火温度控制在530～590℃。

本发明的铁路车辆的车钩用高强度铸钢中各合金成份的作用机理分析如下：

本发明中碳(C)的重量百分含量为0.22～0.28，碳是钢中最重要的组成元素，含碳量直接决定其强度和塑性。在工作状态下，铸钢的抗拉强度随着含碳量的增加而不断提高、塑性随着碳含量的增加而逐渐降低。将碳含量控制在此范围内，可以确保所制得的高强度铸钢成品同时满足具有一定强度和较高韧性的要求。

本发明中硅(Si)的重量百分含量为0.20～0.40，硅作为一种脱氧剂以硅铁的形式加入钢中，能消除FeO夹杂的不良影响，对钢材起着均匀致密的作用。硅含量的上升能明显提高铸钢的弹性极限，但也会使铸钢的塑性、韧性和延展性明显降低，故必须将硅含量控制在合理的范围。

本发明中锰(Mn)的重量百分含量为1.20～1.50，锰也是炼钢的良好脱氧剂，锰和硫化合生成的MnS能减轻硫的有害作用。锰还能增加珠光体的相对量，并使珠光体变细。所以锰含量适当增加会使铸钢的强度和硬度提高，屈服极限和断面收缩率也有所增加。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体碳化。锰还能增大奥氏体的稳定性，降低钢的临界转变温度。同时锰还能增加钢的过热敏感性，使热处理时晶粒容易长大，影响钢的冲击韧性。

本发明中磷、硫(P、S)的重量百分含量均≤0.030。磷在钢中具有容易造成偏析、恶化焊接性能、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度等不利影响。硫易与锰结合生成MnS夹杂，硫还影响钢的低温冲击韧性。因此，本发明尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响，降低磷、硫的含量。

本发明中镍(Ni)的重量百分含量为0.9～1.1。镍可以降低奥氏体转变成铁素体的相变温度，有利于细化铁素体晶粒尺寸，提高钢的屈服强度和冲击韧性。因此镍在增加钢的强度、硬度的同时，不但不降低韧性，反而会提高韧性。本发明增加镍的含量后能有效提高铸钢性能的稳定性，且使得铸钢的综合性能得到很好的改善。

本发明中铝(Al)的重量百分含量为0.030～0.080。铝可以细化晶粒，而且铝是深度脱氧的还原剂，可以保证氧的含量达到最低。

本发明方法中针对镍含量显著增高的特点，将铸件调质热处理的淬火温度控制在850～890℃、回火温度控制在530～590℃，这样可以大幅度提高铸件的塑性、韧性，从而获得较好的力学综合性能。

综上所述，本发明的优点在于：所研制的高强度铸钢在控制钢中有害杂质S、P含量的同时，大幅增加镍元素的含量，以细化铁素体晶粒尺寸，为提高钢的屈服强度和冲击韧性奠定了良好基础。而在铸件调质热处理的过程中，通过改善淬火和回火温度，使得铸件的机械性能远高于美国铁道学会AAR-M201标准中E级钢的机械性能，从而获得耐磨性和耐低温冲击性更好的高强度铸钢。试验表明：本发明的高强度铸钢的破坏载荷≥950Mpa、抗拉强度≥800Mpa、断后伸长率≥10％、断面收缩率≥24％，在-40℃下的冲击功≥20J，完全可以满足重载铁路运输中牵引缓冲装置用材的需要。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的铁路车辆的车钩用高强度铸钢及其制造方法作进一步的详细描述：

本发明的高强度铸钢主要用于制作铁路车辆的牵引缓冲装置，如车钩钩舌、车钩尾框等。以车钩钩舌为例，其化学成份按重量百分数计为C：0.22～0.28、Si：0.20～0.40、Mn：1.20～1.50、Cr：0.40～0.60、Ni：0.90～1.10、Mo：0.20～0.30、Al：0.030～0.080、Cu≤0.30、P≤0.030、S≤0.030，余量为Fe及不可避免的夹杂。

上述车钩钩舌的制造主要包括电弧炉冶炼工序和铸件调质热处理工序。铸钢原料中铁合金材料有害杂质要求：P、S的重量百分含量均≤0.020；金属原材料清洁度要求：料内无夹砂、油污、搪瓷、镀锌等附着物，锈蚀氧化皮＜1mm；废钢块度：400×400mm、厚度≥3mm；采用费电极或低磷生铁增碳。

其电弧炉冶炼工序主要包括如下步骤：1)铸钢主要原料电弧炉内熔化、2)纯氧氧化脱碳脱磷、3)取样分析炉内化学成份，并据此加入镍合金或电解镍原料以调整钢水中Ni的含量、4)加入还原剂脱氧脱硫、5)白渣精练、6)调整出炉钢水的温度、7)在钢包内加入纯铝进行深度脱氧、8)浇铸成型。其中：在步骤6)中控制出炉钢水温度为1590～1610℃；在步骤8)中控制浇铸温度为1560～1580℃。

其铸件调质热处理工序主要包括如下步骤：9)铸件清理、10)铸件调质热处理。其中：在步骤9)中对钩舌铸件开箱后，先切割浇冒口预正火，然后清铲打磨、抛丸、干法探伤，对存在的缺陷进行常规处理。在步骤10)中将钩舌铸件的调质热处理放在积放链调质热处理生产线上进行，采用水溶性淬火介质，淬火介质温度＜60℃，淬火温度为860～880℃，淬火后36min以内进行回火，回火温度为550～580℃，最终获得成品。

以下表1、表2为按照本发明的化学成份配比和制造方法所获得的两炉次(200903-0299-B110炉；200904-0777-A129炉)钩舌解剖试验、本体理化性能试验(达到试棒水平)的检测结果：

A表1：本发明高强度铸钢的化学成份(wt％)

A表2：本发明高强度铸钢的试棒试验结果

从表1、表2记载的参数和反映的性能来看，两个钩舌都能满足屈服强度(ReL)≥800MPa、抗拉强度(Rm)≥950MPa、-40℃V型缺口夏比冲击功≥20J的指标。与美国铁道学会颁发的AAR-M201标准规范中的E级钢相比，本发明的屈服强度提高了16％、抗拉强度提高了14.7％。因而，通过控制磷、硫的含量，减少磷、硫对铸钢性能的影响，并大幅增加镍的含量，可使本发明的高强度铸钢的综合性能进一步提高。

Claims

1.一种铁路车辆的车钩用高强度铸钢，其特征在于：该高强度铸钢中的化学成份按重量百分数计为C：0.22～0.28、Si：0.29～0.40、Mn：1.20～1.50、Cr：0.40～0.60、Ni：0.90～1.10、Mo：0.20～0.30、Al：0.030～0.080、Cu≤0.30、P≤0.030、S≤0.030，余量为Fe及不可避免的夹杂；

该钢的制造方法，包括如下步骤：1)铸钢主要原料炉内熔化、2)纯氧氧化脱碳脱磷、3)取样分析炉内化学成份，并据此加入镍合金或电解镍原料以调整钢水中Ni的含量、4)加入还原剂脱氧脱硫、5)白渣精练、6)调整出炉钢水的温度、7)在钢包内加入纯铝进行深度脱氧、8)浇铸成型、9)铸件清理、10)铸件调质热处理，其中：所说的步骤6)中，出炉钢水温度控制在1590～1610℃；所说的步骤8)中，浇铸温度控制在1560～1580℃；所说的步骤10)中，铸件调质热处理的淬火温度控制在850～890℃，回火温度控制在530～590℃。

2.一种权利要求1所述的铁路车辆的车钩用高强度铸钢的制造方法，包括如下步骤：1)铸钢主要原料炉内熔化、2)纯氧氧化脱碳脱磷、3)取样分析炉内化学成份，并据此加入镍合金或电解镍原料以调整钢水中Ni的含量、4)加入还原剂脱氧脱硫、5)白渣精练、6)调整出炉钢水的温度、7)在钢包内加入纯铝进行深度脱氧、8)浇铸成型、9)铸件清理、10)铸件调质热处理，其特征在于：所说的步骤6)中，出炉钢水温度控制在1590～1610℃；所说的步骤8)中，浇铸温度控制在1560～1580℃；所说的步骤10)中，铸件调质热处理的淬火温度控制在850～890℃，回火温度控制在530～590℃。

3.根据权利要求2所述的铁路车辆的车钩用高强度铸钢的制造方法，其特征在于：所说的步骤10)中，铸件调质热处理在积放链调质热处理生产线上进行，采用水溶性淬火介质，淬火介质温度＜60℃，淬火温度为860～880℃，淬火后36min以内进行回火，回火温度为550～580℃。