CN102644033A - 一种用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法，按重量百分比计，该车轴钢包含C 0.40～0.48％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.55～0.85％，Cr 0.40～0.65％，Ni 0.15-0.30％，V 0.06～0.15％，Al0.02-0.045％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过优化车轴钢化学成分配比，在钢中添加适量的合金化元素Ni、Cr、V等进行合金化，并配合优选的热处理工艺，在钢中形成相对稳定的碳化物和氮化物，产生晶粒细化和析出强化效果，使其强度和韧性得到显著改善，并达到最佳的匹配，从而提高车轴钢的综合性能。

Description

一种用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢冶炼领域，具体涉及一种强度和韧性良好匹配、综合性能更加优越的用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法。

背景技术

车轴是铁道机车车辆走行部最关键的部件之一，承受着源自车体及轨道的各种载荷，其中主要包括旋转弯曲载荷，其次是扭转载荷。长期处于交变应力作用下，一旦车轴断裂极易导致车辆脱轨，车轴的可靠性直接关系到行车安全。因此，在规定的使用条件下，车轴(特别是高速、重载铁路货车车轴)应具有较高的强度和韧性，以保证足够的安全性、可靠性和长使用寿命。

目前，我国铁路车辆大量使用的LZ50车轴钢属于普通碳素钢范畴。根据TB/T 2945-1999“铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件”的规定，这种普通LZ50钢化学成分为：C 0.47-0.57％，Mn0.60-0.90％，Si 0.17-0.40％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，Alt≥0.020％。TB/T2945-1999还规定：将经一次正火处理(加热至800～860℃左右，保温约2～5小时)的LZ50钢坯制成长度大于300mm，截面尺寸为140mm×140mm试样，其力学性能为：屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥610MPa，断后伸长率≥19％，断面收缩率≥35％。在过去的铁路货车应用中，LZ50钢车轴能够较好地适应25t轴重以下货车的使用工况，但并不排除在极端情况下出现车轴使用故障。由于在生产制造、加工组装及使用中均可能出现异常情况而导致车轴故障，尽管总体故障率较低，但任何故障均会对铁路安全构成威胁。此外，未来我国大轴重货车的大量使用以及载重负荷、速度的提高都将导致车轴使用条件更加苛刻，如果车轴型式设计、材质等不进行改进的话，极端低故障率将会发展成普通高故障率。另一方面，车轴材质和性能的提高也将会为车轴型式设计提供更加宽泛的设计空间。

中国专利申请CN200910025971.0公开了一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺，该钢的化学成分(wt％)为：C0.50-0.57％，Si 0.17-0.40％，Mn 0.60-1.00％，Cr 0.20-0.35％，Ni0.18-0.40％，Al 0.02-0.06％，Ti 0.020-0.060％，V 0.030-0.10％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0060％，余为Fe。该专利申请采用复合微合金化的方式，使钢的强度、抗裂纹敏感性、韧性及抗低温冲击性能得到一定提高，但是其综合性能有待于进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度和韧性良好匹配、综合性能更加优越的用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法。本发明通过优化车轴钢化学成分的配比，降低钢中C含量并添加适量的合金化元素Ni、Cr、V等进行合金化，并配合优选的热处理工艺，在钢中形成相对稳定的碳化物和氮化物，产生晶粒细化和析出强化效果，使其强度和韧性得到显著改善并达到最佳匹配，从而提高车轴钢的综合性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于铁道车辆的车轴钢，按重量百分比计，其包含C 0.40～0.48％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.55～0.85％，Cr 0.40～0.65％，Ni0.15-0.30％，V 0.06～0.15％，Al 0.02-0.045％，余量为铁和不可避免的杂质。

优选地，按重量百分比计，上述车轴钢包含：C 0.43～0.47％，Si 0.25～0.33％，Mn 0.76～0.82％，Cr 0.46～0.51％，Ni 0.19-0.21％，V 0.1～0.12％，Al 0.023-0.039％，余量为铁和不可避免的杂质。

更优选地，按重量百分比计，在上述车轴钢包含的不可避免的杂质中，P≤0.02％，S≤0.02％，Cu≤0.25％。本发明还提供了上述车轴钢的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水及废钢加入转炉冶炼；

(2)钢包炉精炼；

(3)RH精炼；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)轧制成车轴钢坯；

(6)热处理。

具体而言，上述制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水、废钢、NiFe加入顶底复吹式转炉冶炼，实现脱磷；

(2)钢包炉精炼，实现脱硫和脱氧；

(3)RH精炼，实现真空脱气、脱氢和进一步除杂质；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)采用初轧机轧制成车轴钢坯；

(6)热处理。

优选地，上述热处理包括以下步骤：一次正火加热至800～880℃，保温3～6小时，然后风冷至不高于250℃后，再回火加热至530～630℃，保温3～7小时。

更优选地，上述热处理包括以下步骤：3小时内一次正火加热至800～880℃，保温3～6小时，然后风冷2小时至不高于250℃后，再回火加热至530～630℃，保温3～7小时，之后风冷至≤150℃。

上述制备方法制得的车轴钢的屈服强度≥390MPa，优选为420-455MPa；抗拉强度≥690MPa，优选为755-795MPa；断后伸长率≥19％，优选为19.5-23.0％；断面收缩率≥35％，优选为54-55.5％；20℃纵向冲击功≥45焦耳，优选为54.0～66.0焦耳；20℃横向冲击功≥35焦耳，优选为43.8～60.0焦耳；晶粒度为7～8级。

我国铁路货车运输正朝高速、重载的方向发展，货车车轴作为货车车辆走行的关键部件，必须具备良好的材料性能才能满足我国铁路货车运输发展的需要。本发明为了提高货车车轴的强韧性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能等综合性能，对货车车轴钢坯的化学成分采用了低合金配方并优化货车车轴生产的热处理工艺。

具体来说，鉴于我国铁路货运实际情况以及现有车轴的使用经验，为了进一步提高铁路行车的安全性，本发明通过在调整碳含量的同时，采用低合金化技术及相应的热处理工艺来提高车轴钢的强度和韧性，以实现最终车轴产品具有较高的强度和韧性及其良好匹配，提升综合性能。本发明提供的车轴钢不仅具有更高的强度和韧性，而且其生产成本也低于现有技术通过多次热处理制备车轴的生产成本。

碳元素能提高钢的强度，同时又能提高钢的淬透性和淬硬性，但也会使钢的塑性下降，损害钢的焊接性能。因此，为了获得综合性能更加优越的用于铁道车辆的车轴钢，本发明在降低车轴钢中C含量的同时，添加了合金元素V、Ni和Cr等，并对添加用量进行了进一步筛选和优化。其中，加入V后，钢的强度可以得到显著提高，其原因一方面在于V与钢中的N具有较强的亲和力，所以V可以固定钢中的自由氮；另一方面，钒氮微合金化可以通过优化V的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥晶粒细化强化和沉淀强化作用，显著改善了钢的强度和韧性；Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素，它的韧化机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，从而提高车轴钢坯的韧性；Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织。特别地，通过优化的合金元素、碳元素等成分的配比，使得车轴钢的强度和韧性提高，并且两者形成良好的匹配，有效促进了车轴钢的综合性能的提升。

本发明对车轴钢合金化的目的就是为了提高相应的强韧化水平。实验表明：微合金化元素添加到试验车轴钢中，对显微组织的影响主要是促进了晶粒细化，同时在渗碳体及周围的铁素体和位错线上产生了微合金化元素碳氮化物的细小沉淀弥散析出，由于热变形使得珠光体发生了渗碳体扭曲、断裂碎化，而这些显微组织的改变最终将影响到试验钢的性能，使得微合金化试验钢较之普通车轴钢的机械性能有着明显改善。此外，在采用上述低合金车轴钢化学组成的基础上，本发明又采用了“一次正火+一次回火”车轴热处理工艺，使得车轴钢坯材料的横纵向冲击值大幅度提高(断裂韧性值(AKV，U2)：横向≥35J，纵向≥45J)，其强度和韧性的匹配也明显优于现有的车轴钢。实验结果表明，本发明的车轴钢屈服强度为420-455MPa，抗拉强度约为755-795MPa，断后伸长率为19.5-23.0％，断面收缩率为54-55.5％，U型缺口冲击功横向三个试样平均值Ku2＝43.8-60.0J，纵向三个试样平均值Ku2＝54.0-66.0J，晶粒度7-8级。特别地，就作为反映材料韧性的重要指标一一钢的冲击功而言，本发明的车轴钢要远高于中国专利申请CN200910025971.0公开的微合金化铁路货车车轴，说明本发明有效地提升了用于铁道车辆的车轴钢的综合性能。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

本发明的车轴钢的制备方法

(1)将铁水、废钢、NiFe加入顶底复吹式转炉冶炼，实现脱磷；

(2)钢包炉精炼，实现脱硫和脱氧；

(3)RH精炼，实现真空脱气、脱氢和进一步除杂质；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)采用初轧机轧制成车轴钢坯；

(6)热处理：采用步进式加热炉或井式加热炉加热，3小时内一次正火加热至800～880℃，保温3～6小时，风冷2小时至不高于250℃后，回火加热至530～630℃，保温3～7小时，风冷至≤150℃。(注：后面所附实施例即为该钢种在此热处理方式下得到的效果，此热处理方式是基于该钢种的特点而优选得出的。)

(7)采用ARL4460OES真空直读光谱仪，CMT5305材料试验机，半自动冲击试验机，Neophot21金相显微镜按照GB/T4336-2002，GB/T 228-2002，GB/T 229-2007，GB/T 6394-2002对车轴钢各项性能指标进行检测。

实施例1：东北特钢集团公司北满特殊钢有限责任公司试制及检验

车轴钢的组成(重量％)：

C：0.43；Si：0.28；Mn：0.78；P：0.012；S：0.002；Cr：0.50；Ni：0.19；Cu：0.07；V：0.10；Al：0.039；余量为铁和其他不可避免的杂质。

200mm方坯的力学性能：

抗拉强度(Rm)：795MPa；屈服强度(Rel)：455MPa；断后伸长率(A)：19.5％；断面收缩率(Z)：54.0％；U型缺口冲击功横向三个试样平均值(Ku2)：59.7J，纵向三个试样平均值Ku2：54.0J；晶粒度8级。

实施例2：湖北大冶特殊钢股份有限公司试制及检验

车轴钢的组成(重量％)：

C：0.47；Si：0.25；Mn：0.76；P：0.007；S：0.006；Cr：0.46；Ni：0.21；Cu：0.04；V：0.12；Al：0.023；余量为铁和其他不可避免的杂质。

200mm方坯的力学性能：

抗拉强度(Rm)：755MPa；屈服强度(Rel)：420MPa；断后伸长率(A)：23.0％；断面收缩率(Z)：54.5％；U型缺口冲击功横向三个试样平均值(Ku2)：43.8J，纵向三个试样平均值(Ku2)＝50.0J；晶粒度8级。

实施例3：山西太钢不锈钢股份有限公司试制及检验

车轴钢的化学成分(重量％)：

C：0.45；Si：0.33；Mn：0.82；P：0.008；S：0.012；Cr：0.51；Ni：0.20；Cu：0.01；V：0.10；Al：0.038；余量为铁和其他不可避免的杂质。

200mm方坯的力学性能：

抗拉强度(Rm)：790MPa；屈服强度(Rel)：450MPa；断后伸长率(A)：21.5％；断面收缩率(Z)：55.5％：U型缺口冲击功横向三个试样平均值(Ku2)：60.0J，纵向三个试样平均值(Ku2)：66.0J；晶粒度7级。

总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于铁道车辆的车轴钢，按重量百分比计，其包含C 0.40～0.48％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.55～0.85％，Cr 0.40～0.65％，Ni0.15-0.30％，V 0.06～0.15％，Al 0.02-0.045％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的车轴钢，其特征在于，按重量百分比计，其包含：C 0.43～0.47％，Si 0.25～0.33％，Mn 0.76～0.82％，Cr 0.46～0.51％，Ni 0.19-0.21％，V 0.1～0.12％，Al 0.023-0.039％，余量为铁和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的车轴钢，其特征在于，按重量百分比计，在所述不可避免的杂质中，P≤0.02％，S≤0.02％，Cu≤0.25％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的车轴钢的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水及废钢加入转炉冶炼；

(2)钢包炉精炼；

(3)RH精炼；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)轧制成车轴钢坯；

(6)热处理。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水、废钢、NiFe加入顶底复吹式转炉冶炼，实现脱磷；

(2)钢包炉精炼，实现脱硫和脱氧；

(3)RH精炼，实现真空脱气、脱氢和进一步除杂质；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)采用初轧机轧制成车轴钢坯；

(6)热处理。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括以下步骤：一次正火加热至800～880℃，保温3～6小时，然后风冷至不高于250℃后，再回火加热至530～630℃，保温3～7小时。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括以下步骤：3小时内一次正火加热至800～880℃，保温3～6小时，然后风冷2小时至不高于250℃后，再回火加热至530～630℃，保温3～7小时，之后风冷至≤150℃。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述车轴钢的屈服强度≥390MPa，优选为420-455MPa；抗拉强度≥690MPa，优选为755-795MPa。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述车轴钢的断后伸长率≥19％，优选为19.5-23.0％；断面收缩率≥35％，优选为54-55.5％。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述车轴钢的20℃纵向冲击功≥45焦耳，优选为54.0～66.0焦耳；20℃横向冲击功≥35焦耳，优选为43.8～60.0焦耳。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述车轴钢的晶粒度为7～8级。