CN102534416A - 一种载货列车连接件用钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种载货列车连接件用钢及其制备方法。所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.24％-0.28％的C、0.20％-0.40％的Si、1.20％-1.50％的Mn、0.50％-0.65％的Cr、0.45％-0.65％的Ni、0.20％-0.30％的Mo、0.03％-0.05％的Ti、0.025％-0.040％的Al、S≤0.020％、P≤0.020％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。根据本发明的载货列车连接件用钢，能够提高连接件的强度、低温冲击性能、疲劳寿命等机械性能，从而能够满足铁道车辆高速重载方向的发展，减少或避免因连接件问题出现的铁道事故。
Description
技术领域
本发明属于合金结构钢技术领域，具体地讲，本发明涉及一种载货列车连接件用钢及其制备方法。
背景技术
载货列车连接件是铁路车辆装置的重要组成部分，在车辆牵引、连挂和发生缓冲作用时，直接完成车辆间纵向力的传递。列车连接件使用条件恶劣，受冲击力大，特别是在冬季时还容易出现断裂，从目前运行的货车检修情况来看，约百分之七十的问题出现在货车连接件上，因此对载货列车中的连接件用钢的综合机械性能、低温冲击性能及疲劳寿命要求更高。
目前，有的厂家对25MnCrNiMoA进行了试制研究，在该钢中，包含少量的Cr、Ni、Mo和Cu等元素，此钢种经热处理后的力学性能要求为：屈服强度(Rel)≥690MPa，抗拉强度(Rm)≥850MPa，延伸率(A)≥14％，断面收缩率(Z)≥30％，-40℃低温冲击功(Akv)≥27J。然而，随着铁道车辆向高速重载方向的发展，此钢种的强度及低温冲击性能不能很好地满足铁道车辆的要求。
发明内容
本发明的目的主要是针对当前载货列车连接件的综合机械性能及低温冲击性能不能很好地满足铁道车辆高速重载的要求，对此，本发明提供了一种载货列车连接件用钢及其制备方法，提高连接件的强度、低温冲击性能、疲劳寿命等机械性能，以满足铁道车辆高速重载方向的发展，减少或避免因连接件问题出现的铁道事故。
根据本发明的一方面，提供了一种载货列车连接件用钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：采用电炉或转炉冶炼，控制钢包的烘烤温度≥800℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.10％和[P]≤0.015％，并且使残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1650℃-1670℃；采用LF炉精炼，出钢前将酸熔铝的含量控制在0.03％-0.045％的范围内，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥15分钟，破空后软吹时间≥10分钟，VD炉后的上钢温度1570℃-1585℃；采用全保护浇注进行连铸，控制结晶器的液面波动700±2mm，中间包液面波动800±25mm，将钢水的过热度控制在15℃-25℃，控制中间包的温度为1532±5℃，拉钢速度为0.65±0.05mm/min，入坑缓冷时间≥36小时；进行轧制，加热炉的加热温度为1130℃-1200℃，加热时间为2.5小时-3小时，开轧温度为1080℃-1120℃，终轧温度为850℃-1000℃，轧后缓冷≥12小时，控制轧制的压缩比≥3.8，最终制得用于载货列车连接件用钢的热轧圆钢。
根据本发明的一方面，在电炉冶炼时，不允许使用新钢包冶炼。
根据本发明的一方面，冶炼原料为铁水+废钢，其中，铁水的质量占冶炼原料的总质量的55％以上。
根据本发明的一方面，在钢水进入LF炉精炼后进入VD炉前，进行扒渣操作，扒渣量为1/3-3/5。
根据本发明的另一方面，提供了一种载货列车连接件用钢，所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.24％-0.28％的C、0.20％-0.40％的Si、1.20％-1.50％的Mn、0.50％-0.65％的Cr、0.45％-0.65％的Ni、0.20％-0.30％的Mo、0.03％-0.05％的Ti、0.025％-0.040％的Al、S≤0.020％、P≤0.020％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的另一方面，所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.25％-0.27％的C、0.25％-0.29％的Si、1.25％-1.35％的Mn、0.55％-0.59％的Cr、0.55％-0.59％的Ni、0.23％-0.27％的Mo、0.035％-0.044％的Ti、0.030％-0.035％的Al、S≤0.015％、P≤0.015％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体实施方式
本发明提供了一种具有提高的强度、优异的低温冲击性能和延长的疲劳寿命等机械性能的载货列车连接件用钢，以满足铁道车辆高速重载方向的发展，减少或避免因连接件问题出现的铁道事故。
对于根据本发明的载货列车连接件用钢的化学成分的设计，根据微合金化原理，加入适量的合金元素Ti、Al来进一步细化组织，以提高材料的强度和疲劳寿命；同时，提高钢中的Ni含量，以细化铁素体晶粒，从而在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性；而且，适量提高钢中的Cr含量，以提高本发明的钢种的强度、高温性能和淬透性。
具体地讲，根据本发明，将载货列车连接件用钢中的Ti含量限制在0.03wt％-0.05wt％。如果Ti含量过高(超过0.05wt％)，则容易形成TiN夹杂物，影响钢的疲劳寿命；如果Ti含量太低(低于0.03wt％)，则起不到细化晶粒的效果。将载货列车连接件用钢中的Al含量限制在0.025wt％-0.040wt％。如果钢中的Al含量过高，则也容易造成二次氧化，形成Al2O3夹杂，影响钢材性能；如果Al含量太低，则起不到预期的细化晶料的效果。另外，根据本发明，出于对载货列车连接件用钢的综合性能的考虑，将钢中的Ni含量限制在0.45wt％-0.65wt％，Cr含量限制在0.5wt％-0.65wt％。如果钢中的Ni和Cr含量太高，则会使成本升高；如果钢中的Ni和Cr含量低低，则起不到预期的效果。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种载货列车连接件用钢，所述钢的化学成分的质量百分比为：C：0.24％-0.28％、Si：0.20％-0.40％、Mn：1.20％-1.50％、Cr：0.50％-0.65％、Ni：0.45％-0.65％、Mo：0.20％-0.30％、Ti：0.03％-0.05％、Al：0.025％-0.040％、S、P≤0.020％、Cu≤0.15％、O≤15ppm、H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的优选示例性实施例，载货列车连接件用钢的化学成分质量百分比为：C：0.25％-0.27％、Si：0.25％-0.29％、Mn：1.25％-1.35％、Cr：0.55％-0.59％、Ni：0.55％-0.59％、Mo：0.23％-0.27％、Ti：0.035％-0.044％、Al：0.030％-0.035％、S、P≤0.015％、Cu≤0.15％、O≤15ppm、H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
下面将详细地描述制造根据本发明的载货列车连接件用钢的制备方法。根据本发明，载货列车连接件用钢的制备方法包括初炼、精炼、连铸和轧制等工艺步骤，具体步骤如下：
(1)初炼
采用电炉或转炉冶炼，控制钢包的烘烤温度≥800℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.10％和[P]≤0.015％，并且使钢水的残余元素含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1650℃-1670℃，完成钢液的脱碳脱磷，同时氧化脱碳均匀沸腾，去除钢中的部分H和N。
在采用电炉冶炼的情况下，不允许使用新钢包，而且新钢包在使用三次后方可用来冶炼根据本发明的载货列车连接件用钢。这是因为新钢包相对于旧钢包较潮湿，容易使钢液中增加氢，另外一个原因是因为新钢包在使用过程中，温降较大，温度不易控制。
根据本发明，冶炼原料为铁水+废钢，且铁水的质量比例占冶炼原料总质量的55％以上。采用高铁水比的冶炼原料，可以起到如下作用：第一，有利于减少有害残余元素；第二，提高配碳比，增大脱碳量。
另外，根据本发明，残余元素主要指铜(Cu)、锡(Sn)、砷(As)、锑(Sb)等有害残留元素。
(2)精炼炉冶炼
精炼炉采用LF炉，在精炼炉送电化渣、调渣、喂线、搅拌等，进行钢液的脱氧脱硫、去除夹杂、调整成分、控制温度等处理。出钢前将酸熔铝的含量控制在0.03wt％-0.045wt％的范围内。
LF炉精炼后进行VD真空处理，将VD炉(真空脱气炉)内的真空度控制为小于67Pa并保持15分钟以上的时间，以利于真空处理，保证脱气效果，若保持时间过短，则会造成脱气不足。破空后控制软吹氩的时间≥10分钟，从而保证足够的时间使夹杂物上浮，使成分和温度均匀。VD真空处理后上钢温度为1570℃-1585℃。根据本发明，真空脱气时间大于15分钟，软吹时间大于10分钟，是从效率和效果进行的双重考虑。
根据本发明，在将钢液送入VD炉前需要进行扒渣操作，扒渣量为1/3-3/5。
(3)连铸
采用电磁搅拌、“三恒”(恒温、恒速、恒液面)、轻压下、中间包升降、全保护浇注、动态弱冷配水模型等技术，确保铸坯质量符合要求。
具体地讲，采用全保护浇注进行连铸，将结晶器的液面波动控制在700±2mm，如果结晶器的液面波动过大，则易造成卷渣，从而影响连铸坯的表面质量；将中间包的液面波动控制在800±25mm，如果中间包的液面波动过大，则不利于夹杂物的上浮，也容易出现卷渣，从而对钢坯质量造成影响；将过热度控制在15℃-25℃，如果连铸钢水的过热度太小，则钢水易被夹杂物污染，同时易使水口发生堵塞甚至冻结，而如果连铸钢水的过热度太大，则使铸坯中心偏析加重，甚至诱发拉漏事故，或者因形成的坯壳较薄而出现裂纹，并使柱状晶得到发展；将中间包的温度控制在1532±5℃，因为中间包的温度会影响过热度，所以根据过热度的要求来对中间包的温度进行上述控制；拉钢速度控制在0.65±0.05mm/min，如果拉速稳定度低低，最直接的后果就是造成表面裂纹发生率上升；入坑缓冷时间≥36小时。这里，拉钢速度可以简称为“拉速”，指的是拉矫机带动连铸坯前进的速度；入坑缓冷指的是将热的连铸坯放在缓冷坑中，进行缓冷的操作。
(4)轧制
为保证钢的内部质量，加热炉的加热温度控制在1130℃-1200℃，均热时间为2.5小时-3小时，开轧温度控制在1080℃-1120℃，终轧温度控制在850℃-1000℃，轧后缓冷≥12小时，在热轧过程中控制轧制的压缩比≥3.8，最终制得用于载货列车连接件用钢的热轧圆钢。
通过如上所述控制加热炉的加热温度和加热时间，合理地制定了加热制度，而且通过如上所述控制终轧温度和轧后缓冷时间，合理地制定了轧后冷却制度，可以解决轧材的中心疏松、表面质量及轧后组织的均匀性问题。
因此，根据本发明，通过优化钢的成分和选择合理的生产工艺，提高钢的纯净度，降低氧和氢的含量，减少非金属夹杂物，从而提高钢的冲击性能和冷脆性能，延长使用寿命。
下面将结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例
制备载货列车连接件用钢。采用UHP超过功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理、连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。各实施例生产Φ150mm规格的钢材。具体生产工艺如下：
(1)冶炼：采用电炉冶炼，控制钢水的终点[C]＝0.10％-0.15％、[P]≤0.015％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度为1660℃-1670℃；LF精炼的冶炼时间为35分钟；精炼后真空处理，控制VD炉的真空度小于67Pa，保温时间为15分钟。
(2)浇注：连铸全保护浇注，控制结晶器的液面波动700±2mm，中间包液面波动800±25mm，过热度控制在15℃-25℃，中间包温度1532±5℃，拉速温度0.65±0.05mm/min，入坑缓冷时间≥36小时。
(3)轧制：轧制压缩比≥3.8，加热炉的加热温度为1130℃-1200℃，加热时间为2.5小时-3小时，开轧温度为1080℃-1120℃，终轧温度为850℃-1000℃，轧后缓冷≥12小时。
载货列车连接件用钢的化学成分和具体工艺参数见表1和表2。表1是实施例1至实施例5的载货列车连接件用钢的化学成分，表2是实施例1至实施例5的连铸轧制的工艺参数，表3是实施例1至实施例5的低倍和现有技术制得的同类连接件用钢的低倍，表4示出了实施例1至实施例5的热轧圆钢的机械性能和现有技术制得的同类连接件用钢的机械性能。
表1各实施例的钢的化学成分(质量，％)
表2各实施例的连铸轧制工艺参数
表3各实施例的钢的组织的低倍对比情况
| 实施例 | 一般疏松 | 中心疏松 | 一般偏析 |
| 1 | 0.5/0.5 | 1.0/1.0 | 0.5/0.5 |
| 2 | 0.5/0.5 | 1.0/1.5 | 0.5/0.5 |
| 3 | 0.5/0.5 | 1.0/1.5 | 0.5/0.5 |
| 4 | 0.5/0.5 | 1.5/1.0 | 0.5/0.5 |
| 5 | 0.5/0.5 | 1.0/1.0 | 0.5/0.5 |
| 同类连接件用钢 | 0.5/1 | 1.5/1.5 | 0.5/0.5 |
表4机械性能的对比情况
由上面的表4可以看出，与现有技术的载货列车连接件用钢相比，根据本发明的实施例1至实施例5的载货列车连接件用钢的屈服强度(Rel)、抗拉强度(Rm)、断面收缩率(Z)和低温冲击功(Akv)均有很大的提高，并且淬透性好。因此，根据本发明的载货列车连接件用钢具有优异的强度和低温冲击性能、疲劳寿命等机械性能，能够很好地满足铁道车辆高速重载方向的发展，从而能够有效地减少或避免因连接件问题出现的铁道事故。
因此，根据本发明的载货列车连接件用钢在化学成分进行了优化，根据微合金化原理，通过加入适量的合金元素Ti、Al来进一步细化组织提高材料的强度和疲劳寿命；通过提高Ni的含量，细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高了钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。
根据本发明，对生产工序的工艺参数进行了改进：第一、初炼采用配加高比例铁水；第二、真空脱气精炼，通过制定合理吹氩搅拌制定、保证足够的真空脱气时间、软吹时间等措施保证了钢液洁净度、成分稳定性；第三、连铸通过采用“三恒操作”、使用专用结晶器保护渣、全保护浇注、电磁搅拌及低过热度浇注等措施，保证了铸坯内部及表面质量；第四、轧制工序通过制定合理的加热制度及轧后冷却制度，解决轧材的中心疏松、表面质量及轧后组织均匀性问题。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施例进行各种变型和修改。
Claims (7)
1.一种载货列车连接件用钢，其特征在于所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.24％-0.28％的C、0.20％-0.40％的Si、1.20％-1.50％的Mn、0.50％-0.65％的Cr、0.45％-0.65％的Ni、0.20％-0.30％的Mo、0.03％-0.05％的Ti、0.025％-0.040％的Al、S≤0.020％、P≤0.020％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的载货列车连接件用钢，其特征在于所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.25％-0.27％的C：、0.25％-0.29％的Si、1.25％-1.35％的Mn、0.55％-0.59％的Cr、0.55％-0.59％的Ni、0.23％-0.27％的Mo、0.035％-0.044％的Ti、0.030％-0.035％的Al、S≤0.015％、P≤0.015％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.一种载货列车连接件用钢的制备方法，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：
采用电炉或转炉冶炼，控制钢包的烘烤温度≥800℃，控制冶炼的钢水终点[C]≥0.10％和[P]≤0.015％，并且使残余元素的含量符合设计要求，将钢水的出钢温度控制在1650℃-1670℃；
采用LF炉精炼，出钢前将酸熔铝的含量控制在0.03％-0.045％的范围内，然后在VD炉内进行真空处理，控制VD炉内的真空度小于67Pa且保持时间≥15分钟，破空后软吹时间≥10分钟，VD炉后的上钢温度1570℃-1585℃；
采用全保护浇注进行连铸，将结晶器的液面波动控制在700±2mm，将中间包的液面波动控制在800±25mm，将钢水的过热度控制在15℃-25℃，控制中间包的温度为1532±5℃，拉钢速度为0.65±0.05mm/min，入坑缓冷时间≥36小时；
进行轧制，加热炉的加热温度为1130℃-1200℃，加热时间为2.5小时-3小时，开轧温度为1080℃-1120℃，终轧温度为850℃-1000℃，控制轧制的压缩比≥3.8，轧后缓冷≥12小时，最终制得用于载货列车连接件用钢的热轧圆钢。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于在电炉冶炼时，不使用新钢包冶炼。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于冶炼原料为铁水+废钢，其中，铁水的质量占冶炼原料的总质量的55％以上。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于在钢水进入LF炉精炼后进入VD炉前，进行扒渣操作，扒渣量1/3-3/5。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述载货列车连接件用钢的化学成分的质量百分数为：0.24％-0.28％的C、0.20％-0.40％的Si、1.20％-1.50％的Mn、0.50％-0.65％的Cr、0.45％-0.65％的Ni、0.20％-0.30％的Mo、0.03％-0.05％的Ti、0.025％-0.040％的Al、S≤0.020％、P≤0.020％、Cu≤0.15％、O≤15ppm和H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
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