CN102560052B

CN102560052B - 高冲击强度钢件热处理方法及其用途

Info

Publication number: CN102560052B
Application number: CN 201110001149
Authority: CN
Inventors: 秦晓锋; 李辉; 陶春国; 肖利民; 王立辉; 但启安
Original assignee: Qiqihar Railway Rolling Stock Co Ltd
Current assignee: CRRC Qiqihar Rolling Stock Co Ltd
Priority date: 2011-01-01
Filing date: 2011-01-01
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-01-01
Also published as: CN102560052A

Abstract

本发明公开了一种高冲击强度钢件热处理方法及其用途，高冲击强度钢件热处理方法，包括如下步骤：(1)预备热处理：钢件随炉加热升温至930±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉风冷至室温；(2)正火：钢件随炉加热升温至860±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉空冷至室温。本发明克服了现有技术的诸多缺点，解决了钢件中针状铁素体和堆垛网格状粗大的珠光体组织对冲击韧性的不利影响，提高钢件的强度与韧性的配合。

Description

高冲击强度钢件热处理方法及其用途

技术领域

本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种高冲击强度钢件热处理方法及其用途。

背景技术

近年来，随着工业发展，对钢件的力学性能要求越来越高。其中用于制造摇枕、侧架的钢力学性能标准越来越苛刻，例如俄罗斯道路部于2002年4月1日签发的《1520mm轨距铁路货车双轴转向架摇枕和侧架铸件技术条件》的要求，具体要求见表1：

表11520mm轨距铁路货车双轴转向架摇枕和侧架铸件技术条件

目前国内铁路用铸钢件的材料分为B级钢、B+级钢、C级钢和E级钢4种。其中力学性能类似于俄铁技术条件的，只有B+级钢，其化学成分和力学性能见表2和表3：

表2B+级钢化学成分(质量百分比，％，余量为铁及其他不可避免的元素)

C	Si	Mn	Ni	Cr	P、S
						0.23-0.29	0.30-0.50	0.80-1.00	0.30-0.40	0.30-0.50	≤0.030

表3B+级钢力学性能

下屈服强度	抗拉强度	伸长率	断面收缩率	冲击强度(J/cm²)
					≥345MPa	≥550MPa	≥24％	≥36％	≥20(-7℃)

B+钢热处理是采用正火温度为910℃，保温3小时，强风冷却。

从表3中可以看出，屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率均符合俄铁技术条件的要求。为了检验B+级钢的低温冲击强度，取B+级钢力学性能试棒在-60℃条件下检测其V型冲击功，结果均≤10J，不能满足俄铁力学要求。

影响力学性能的主要因素有很多，例如：钢的化学成分、冶炼工艺、热处理方法等，其中热处理方法可以有效地挖掘材料力学性能的最大潜力。热处理方法是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构，来控制其性能的一种金属热加工工艺。

通过对上述B+钢浇注的摇枕、侧架进行实物解剖试样金相组织发现存在针状铁素体和堆垛网格状粗大的珠光体组织，虽然满足晶粒度的要求，但其对低温V型缺口冲击韧性有不利影响。采用有效地热处理方法成为解决低温条件下摇枕、侧架冲击强度的首要途径。

发明内容

本发明提供一种高冲击强度钢件热处理方法，用以解决现有热处理方法制备的工件低温冲击功达不到要求的缺陷，实现钢材质在低温条件下具有良好的强度和韧性配合，满足冲击功力学性能指标。

一种高冲击强度钢件热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预备热处理：钢件随炉加热升温至930±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉风冷至室温；

(2)正火：钢件随炉加热升温至860±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉空冷至室温。

进一步地，所述高冲击强度钢件包括如下重量百分比的组分：C：0.15-0.30％；Si：0.20-0.60％；Mn：0.90-1.50％；Al≤0.08％；Ni：≤0.30％；P：≤0.040％；S：≤0.040％；Cu：≤0.30％，余量为铁及其他不可避免的元素。

进一步地，所述高冲击强度钢件包括如下重量百分比的组分：C：0.17-0.25％；Si：0.30-0.50％；Mn：1.10-1.40％；Al：0.02-0.06％；Ni：0.25-0.30％；P：≤0.020％；S：≤0.020％；Cu：≤0.30％，余量为铁及其他不可避免的元素。

本发明的另一个目的，还提供了上述热处理方法制备而成的摇枕和侧架，可广泛应用于铁路领域。

一种摇枕，通过所述热处理方法制备而成。

一种侧架，通过所述热处理方法制备而成。

本发明高冲击强度钢件热处理方法与现有技术相比，充分做好预备热处理，加热正火后的冷却采用空冷至室温的缓冷方式，解决了钢件中针状铁素体和堆垛网格状粗大的珠光体组织对冲击韧性的不利影响，提高钢件的强度与韧性的配合，该优点更体现在利用所述高冲击强度钢制造的摇枕或侧架，相比于现有技术的产品，其力学性能得到显著提升，从而为摇枕和侧架等钢件制品达到本行业的国际标准奠定了基础。本发明的高冲击强度钢件热处理方法还适用于制造其他低温、高冲击强度下运行的轧机、石油、矿山等机械的钢铸件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供的高冲击强度钢包括如下重量百分比的各组分：C：0.15-0.30％；Si：0.20-0.60％；Mn：0.90-1.50％；Al≤0.08％；Ni：≤0.30％；P：≤0.040％；S：≤0.040％；Cu：≤0.30％，余量为铁及其他不可避免的元素。钢的化学成分是决定钢件力学性能的主要因素，因此，要提高钢的力学性能，合适化学成分是至关重要的。本发明实施例提供的化学成分，有利于提高材料的韧性。

采用冶炼工业常规方法可以得到本发明的高冲击强度钢，例如可以包括以下步骤：

步骤1、原材料准备：根据冶炼钢种的成分要求，把冶炼过程中需要的铁合金经称重后，送至电弧炉炉前，同时把各种造渣材料、增碳剂、氧化材料、还原材料统一送至炉前；

步骤2、装料：把经过切割、分选，尺寸和重量符合装炉要求的钢材，按“大、中、小”互相搭配装入炉料斗中，同时配加增碳剂和部分铁合金，经电瓶车运送加料跨，称重后，分批次装入电弧炉中；

步骤3、通电熔化：钢材装入电弧炉后，即可通电熔化。采用不同的电流和电压，把电能转为热能，使钢材熔化成钢水。为加快熔化速度，在通电的过程中，还可以采用吹氧助熔的工艺；

步骤4、氧化：钢材熔化成钢水后，加入造渣材料，使钢水表面覆盖一层炉渣，在钢水温度合适的情况下，加入氧化材料，通过碳和氧的反应，保证一定的脱碳量。使钢水发生沸腾，去除钢水中的气体。由于钢水发生了沸腾，使得钢水与炉渣充分接触，钢水中有害元素磷则转移到炉渣中。在氧化期间可分2-3次对钢水成分进行检测。在氧化末期，可对钢水包进行烘烤；

步骤5、扒渣：氧化末期，在成分和温度符合工艺规定的情况下，停电，扒净氧化期的炉渣，以防止有害元素磷再次进入钢水中；

步骤6、还原：扒净氧化期的炉渣后，送电并迅速加入造渣材料，通过扩散脱氧和沉淀脱氧的方式，去除钢水中氧元素，依据铁合金易氧化的程度不同，按次序把铁合金加入到钢水中。在还原过程中，采用惰性气体搅拌，使钢水发生流动，与炉渣充分接触，钢水中有害元素硫则转移到炉渣中。在脱氧、脱硫、调整钢水成分的同时，也不断的提高钢水的温度，为出钢做好准备；

步骤7、出钢：在钢水成分合格、钢水温度和钢水包烘烤符合工艺规定、钢水脱氧试验良好的前提下，可以停电出钢；钢水包内不允许垫潮模砂。操作者在钢水包的包壁或包底出现凹坑时，经常用浇注用型砂进行修补，在钢水进入钢水包时，型砂脱落，形成新的夹杂；出钢槽应干燥流畅，不允许有杂物。主要是防止堵出钢口的砂块进入钢水中形成新的夹杂；

步骤8、钢水精练：在出钢的过程中，向钢水包内吹入惰性气体，并保持一定的时间(例如：4-5分钟的吹氩精炼时间)通过向钢水包内吹入惰性气体，使钢水中的氧、氮随氩气的上浮而脱出，并由于氩气的搅动，促使夹杂物互相碰撞长大，上浮进入炉渣中，进一步提高钢水的纯净度。待出钢结束后，向钢水包内喂入脱氧剂。

通过采用上述工业冶炼的常规方法，降低气体及有害元素的含量和有害元素的P、S含量，提高钢水的纯净度，得到上述成分的高冲击强度钢。

冶炼工艺后的高冲击强度钢经过浇注和热处理得到摇枕和侧架，发明人的研究结果证明，合理和有针对性的热处理工艺可以挖掘材料力学性能的最大潜力。本发明提供的实施例的热处理方法步骤如下：

(1)预备热处理：将钢随炉加热升温至930±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温3-3.5小时，出炉风冷至室温。预备热处理是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。预备热处理的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。预备热处理既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备。

(2)正火：将钢随炉加热升温至860±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温3-3.5小时，出炉空冷至室温。正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能。

实施例

本实施例1-5提供的高冲击强度钢的化学成分如表4所示，

表4实施例1-5化学成分(质量百分比，％，余量为铁及其他不可避免的元素)

编号	C	Si	Mn	S	P	Al	Ni	Cu
									实施例1	0.21	0.38	1.32	0.010	0.017	0.042	0.26	0.11
实施例2	0.24	0.36	1.39	0.014	0.019	0.038	0.26	0.22
									实施例3	0.18	0.41	1.45	0.009	0.014	0.058	0.27	0.16
实施例4	0.23	0.36	1.27	0.011	0.016	0.052	0.27	0.09
									实施例5	0.21	0.40	1.29	0.013	0.016	0.034	0.27	0.15

上述原料经常规冶炼后制得高冲击强度钢，高冲击强度钢通过浇注和热处理制得的摇枕、侧架试棒力学性能(表5)及实物解剖后力学性能(表6)均达到国际标准(表1)。所述实物解剖后力学性能，是用锯床、铣床、车床等设备加工成拉伸试棒和冲击试样，用于代表实物的实际力学性能。

由表5和表6可见，由1-5组实施例中高冲击强度钢浇注和热处理制备的摇枕和侧架的各项理化性能指标均符合俄罗斯道路部《1520mm轨距铁路货车双轴转向架摇枕和侧架铸件技术条件》的要求，冲击功性能适用于-60℃下使用，满足≥16.7焦耳/平方厘米，即冲击功≥13.5J的要求。

表5本发明实施例1-5生产的摇枕、侧架试棒力学性能

表6本发明实施例1-5生产的摇枕、侧架的实物解剖力学性能

本发明高冲击强度钢件热处理方法不局限于应用在铁路用摇枕和侧架，还适用于制造其他低温、高冲击强度下运行的轧机、石油、矿山等机械的钢铸件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种高冲击强度钢件热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、预备热处理：钢件随炉加热升温至930±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉风冷至室温；

（2）、正火：钢件随炉加热升温至860±10℃，升温速度＜150℃/小时，保温时间为3-3.5小时，出炉空冷至室温；

其中，所述高冲击强度钢件包括如下重量百分比的组分：C：0.17-0.25%；Si：0.30-0.50%；Mn：1.10-1.40%；Al：0.02-0.06%；Ni：0.25-0.30%；P：≤0.020%；S：≤0.020%；Cu：≤0.30%，余量为铁及其他不可避免的元素。

2.一种通过权利要求1所述热处理方法在制备摇枕中的应用。

3.一种通过权利要求1所述热处理方法在制备侧架中的应用。