CN102586698B

CN102586698B - 车轴用钢及其热处理方法

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Publication number: CN102586698B
Application number: CN 201110417295
Authority: CN
Inventors: 张成连; 孙启; 张晓军; 李殿生; 于平; 刘鑫贵; 项彬; 贾非; 秦晓峰; 李辉; 卜文学; 李恺军; 马忠存; 付宪强; 翟书研; 白广成; 徐咏梅
Original assignee: DONGBEI SPECIAL STEEL GROUP BEIMAN SPECIAL STEEL Co Ltd
Current assignee: Qigihar North Manchu Special Steel Co ltd; Jianlong Beiman Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102586698A

Abstract

本发明提供一种车轴用钢及其热处理方法，所述车轴用钢具有以下成分：C 0.42-0.45％；Si 0.23-0.30％；Cr 0.53-0.63％；Mn 0.73-0.83％；Mo 0.08-0.13％；Ni 0.18-0.25％；Cu 0.05-0.15％；Al 0.025-0.050％；V 0.09-0.11％；P≤0.015ppm；S≤0.010ppm；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明车轴用钢旋转疲劳极限指标、屈服强度和抗拉强度高，采用本发明车轴用钢制备的车轴在使用疲劳过程中不易产生裂纹，提高车轴使用寿命，在提速重载条件下可实现安全行车的优点。

Description

车轴用钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种车轴用钢及其热处理方法。

背景技术

车轴是车辆承受动载荷的关键零件，主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并受到一定冲击。所以，采用的车轴用钢要保证车轴在工作中不发生因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，重点是防止车轴的疲劳裂纹。

目前各国的铁路货车车轴基本上都是中碳钢制造，例如，我国现阶段使用的LZ50钢碳含量为0.47％～0.57％。该LZ50钢的成分如表1所示，余量为铁，执行TB/T 2945-1999标准。

表1 LZ50钢的成分(余量为铁)

上述LZ50钢旋转疲劳极限指标如图1所示为290MPa；LZ50钢的力学性能指标如表2所示，其屈服强度和抗拉强度都不理想，易产生疲劳裂纹，影响了车轴的使用寿命，不适用于100-120吨新型铁路货车的需要。

表2 LZ50钢的力学性能指标

上述LZ50钢车轴经过两次正火、一次回火后，很容易发生晶粒度混晶问题，在放大100倍的高倍显微镜下，图像如图2所示，LZ50钢晶粒度为4-6级。此外，车轴用钢在锻造成车轴的过程中，往往要经历870-900℃的终锻温度，但现有LZ50钢在此温度下易出现晶粒度波动，如图3所示(放大100倍的高倍显微镜下)，LZ50钢终锻温度900℃条件下，材料出现了明显的混晶现象，晶粒度为3-6级，严重影响了车轴的力学性能。

调整钢材的元素成分，研制换代车轴用钢是行业内备受关注和急待解决的课题

发明内容

本发明的第一个方面是提供一种车轴用钢，以解决现有技术中的缺陷，提高旋转疲劳极限指标、屈服强度和抗拉强度，可以作为现有技术车轴用钢的换代产品。

本发明提供的一种车轴用钢，具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素。本发明中单位％均为质量百分含量。

进一步地，所述车轴用钢中含有Cu 0.05-0.13％。

进一步地，所述车轴用钢中含有Mo-0.09-0.11％。

碳成分是影响钢材性能的重要元素，碳含量的增加虽然可以对钢材起到很好的强化作用，但却显著降低了钢材的韧性，为了提高铁路行车安全性，本发明车轴用钢适当降低了组分中的碳含量，并在降低碳含量的同时，通过合金化来提高车轴用钢的强度。

本发明车轴用钢包含0.53-0.63％的Cr，可增加车轴用钢的淬透性，促使淬火及回火后的车轴截面上获得较均匀的组织，使其具有抗腐蚀抗氧化、抗酸、耐磨和耐疲劳的优点。

本发明车轴用钢包含0.73-0.83％的Mn，可提高车轴用钢的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，进而提高耐磨性能；并能提高淬透性、屈服强度和抗拉强度。

但在车轴用钢中同时添加Cr与Mn这两种元素会使车轴用钢在250-450℃的回火脆性敏感性增强，即回火脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。通过向车轴用钢中添加0.08-0.13％的Mo，可促使晶粒进一步细化，抑制或消除回火脆性，提高车轴用钢的力学性能。

本发明车轴用钢包含0.18-0.25％的Ni，可提高车轴用钢的抗酸性和韧性，提高韧性的机理是使材料基体在低温下易于交叉滑移。

本发明车轴用钢包含0.05-0.13％的Cu，可使钢材的耐腐蚀稳定性增强，同时有效阻碍车轴使用时湿植物对其粘附。为了检验车轴用钢的耐腐蚀稳定性增强，进行了周浸腐蚀试验结果，实验参数如下：

试验依据：TB/T2375-93《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》

试验设备：轮式周期浸润腐蚀试验机

样品尺寸：40mm×60mm×4mm

试验时间：72小时

试验条件：45℃±2℃，70％±5％RH

试验结果详见表3，对周浸腐蚀挂片试验完成后清洗前的样品表面状态进行观察发现，本发明车轴用钢的耐腐蚀效果较现有LZ50钢显著增强。

表3车轴用钢周浸腐蚀试验结果

本发明车轴用钢包含0.025-0.050％的Al，和0.09-0.11％的V，可以避免因晶粒度粗化温度低，车轴在正火时出现粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够细小弥散分布的难熔化合物-ALN(氮化铝)，和细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)一起阻止奥氏体晶粒长大，本发明车轴用钢晶粒度级别≥6级，比LZ50晶粒度水平高1-2级。

本发明车轴用钢通过调整其中的元素成分及含量，力学性能比现有LZ50钢显著提高，从而满足车轴在不同受荷状态下提速、重载的需要。

本发明的另一个方面是提供一种上述车轴用钢的热处理方法，以解决现有技术中的缺陷，获得需要的金相组织和较高的力学性能。

本发明提供的一种上述车轴用钢的热处理方法，包括以下步骤：

(1)、正火：温度830±10℃，保温时间4.5-5小时，然后空冷(所述空冷是将被冷却物体置于大气中自然冷却)至室温；

(2)、回火：温度610±10℃，保温时间4.5-5小时，然后空冷至室温。

本发明的又一个方面是提供一种车轴，作为现有车轴的换代，实现有效抑制车轴在使用疲劳过程中裂纹的产生，提高车轴使用寿命，在提速、重载条件下安全行车的优点。

本发明提供的一种车轴采用上述车轴用钢制备而成。

本发明的又一个方面是提供一种上述车轴的制备方法，包括将上述车轴用钢实施锻造制成车轴的步骤。可以按照常规工艺锻造制成。

本发明车轴用钢力学性能指标明显高于现有LZ50，如表4所示：

表4车轴用钢综合性能指标

本发明相比现有技术具有以下优点：

1)、对比表2和表4可见本发明车轴用钢的抗拉强度、屈服强度比LZ50钢均有提高；

2)、对比图1和图4可见，本发明车轴用钢旋转疲劳极限指标达到325MPa，比现有LZ50钢车轴旋转疲劳极限(290MPa)高；

4)、本发明车轴用钢晶粒度和径向轴坯探伤质量，比LZ50钢明显改善；

5)、本发明车轴用钢的热处理方法采用一次正火和一次回火热处理(替代现有车轴热处理方法中两次正火、一次回火热处理方法)，即可获得需要的力学性能和金相组织，有效抑制使用疲劳过程中裂纹的产生，延长车轴使用寿命，保证车轴在提速重载条件下的行车安全。

附图说明

图1为现有LZ50钢旋转疲劳极限指标；

图2为现有LZ50钢热处理后的高倍显微镜图；

图3为现有LZ50钢在900℃下终锻后的高倍显微镜图；

图4为车轴用钢旋转疲劳极限指标；

图5为实施例13车轴用钢热处理后的高倍显微镜图；

图6为实施例13车轴用钢在900℃下终锻后的高倍显微镜图；

图7为钢坯的拉力试样切取部位；

图8示意了对钢坯进行检测时化学成分和氧含量取样部位。

具体实施方式

实施例1-6

实施例1-6的车轴用钢的成分如表5所示。实施例1-6的车轴用钢的力学性能如表6所示。

实施例1-6的热处理方法为：一次正火：温度830℃，保温时间5小时，然后空冷至室温；一次回火：温度610℃，保温时间5小时，然后空冷至室温。

表5实施例1-6车轴用钢的成分(余量为铁及其他不可避免的元素)

表6实施例1-6车轴用钢的力学性能

注：其中冲击AKU₂均为三次测量

对比表2和表6可知，本发明提供的车轴用钢的力学性能都远高于现有LZ50钢，抗拉强度和屈服强度比LZ50钢各提高约13％。

此外，实施例1-6所述车轴用钢钢坯径向超声波探伤满足SEP1921、D/d标准。

实施例7-13

车轴用钢的生产工艺路线：电炉或转炉炼钢(偏心底出钢电路)→LF(钢包精炼炉)+VD(真空精炼炉)精炼→浇注钢锭→热送轧钢→钢锭加热→轧制→缓冷→(取样进行热处理、检验)→清理→检查→包装入库、发送。

钢坯的成分如表7，实施例7-13对该钢坯截取200×200×200mm试样，控制不同热处理条件的工艺，并检测其在不同的热处理条件下的力学性能。实施例7-13钢坯力学性能测试结果如表8所示。

表7实施例7-13钢坯的成分(余量为铁及其他不可避免的元素)

实施例7-13车轴用钢的热处理方法如下：将钢坯200×200×200mm试样，置于第一设定温度的正火炉中，所述第一设定温度为820℃～840℃，保温时间范围为4.5～5.5h，将正火后的钢坯出炉空冷至室温；再将钢坯200×200×200mm试样，置于第二设定温度的回火炉中，所述第二设定温度为600℃～620℃，保持回火炉内温度对钢坯实施回火，保温时间范围为4.5～5.5h，将回火后的钢坯200×200×200mm试样，出炉空冷至室温。

表8实施例7-13的力学性能测试结果

注：其中冲击AKU₂均为三次测量

车轴用钢中V的重量百分钒含量设计为0.07-0.11％，通过形成细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)，与ALN一起阻止奥氏体晶粒长大，使换代车轴用刚晶粒度级别稳定在≥6级，如实施例13所述的车轴用钢晶粒度为7级，相比现有LZ50钢晶粒度级别和晶粒度稳定性都有显著提高。车轴用钢热处理后的晶粒度如图5所示，晶粒度为7级。

实施例13所述的车轴用钢在锻造成车轴的过程中，经900℃高温终锻，晶粒度达到7-8级，且不会产生混晶，钢材的力学安全性高于LZ50钢。如图6所示，晶粒度为7级。

实施例14

本实施例采用实施例1-13所述的车轴用钢通过锻造生产车轴，所生产的车轴应用在100-120吨新型货车上，有效抑制车轴在使用疲劳过程中裂纹的产生，提高车轴使用寿命，在提速重载条件下安全行车的优点。

本发明中钢材力学性能检验可采用常规手段，通常采用下述力学性能检验取样方法：

1)、取样

选取“A”字钢坯头部样、坯长度200×200×200mm，整体经正回火处理后，制样检验。

2)、力学性能、化学成分检验试样坯的试样切取部位

力学性能试样从样坯上采用机械切割法截取，力学性能试样在样坯上的切取部位、样坯的形状、冲击试样1和拉伸试样2的取样位置如图7所示；化学成分取样部位3、氧含量取样部位4如图8所示。检测可以采用本领域的常规技术，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims

1.一种车轴用钢，其特征在于，该车轴用钢具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素，所述车轴用钢的热处理方法，包括以下步骤：

（1）、正火：温度830±10℃，保温时间4.5-5小时，然后空冷至室温；

（2）、回火：温度610±10℃，保温时间4.5-5小时，然后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述车轴用钢，其特征在于，所述车轴用钢中含有Cu0.05-0.13%。

3.根据权利要求1所述车轴用钢，其特征在于，所述车轴用钢中含有Mo0.09-0.11%。

4.一种权利要求1-3任意一项所述车轴用钢的热处理方法，包括以下步骤：

5.一种车轴，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述车轴用钢制备而成。

6.一种权利要求5所述车轴的制备方法，包括将权利要求1-3任一项所述的车轴用钢实施锻造制成车轴的步骤。