CN102719749A - 铁路车轴用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路车轴用合金钢及其生产工艺，其化学成分重量百分配比为，C：0.40～0.50％；Si：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.10％；Cr：0.50～1.20％；V：0.07～0.17％；Mo：≤0.20；Ni：≤0.30％；Cu：≤0.20％；N：0.005～0.012％；Ce：0.050～0.20％；S：≤0.015％；P：≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质；包括以下步骤：转炉炼钢→精炼→模铸→热轧→空冷→锻造→一次正火+回火整体热处理。采用该方法在减少一次正火处理的情况下获得具有较高强度和韧性配合度的车轴用钢，简化了生产流程，节约了生产时间。

Description

铁路车轴用钢及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种合金钢及其生产工艺，特别是涉及一种铁路车轴用合金钢及其生产工艺。

背景技术

在铁路车辆结构中，车轴主要担负承载和运行的功能，直接关系到铁路运行的安全。由于长期承受交变应力作用，故要求其具有良好强韧性和较高的疲劳强度。

随着铁路运输的不断发展，车轴用钢逐步从碳素钢向合金钢转变，车轴用低合金钢多以碳素钢为基础，添加适量Cr、Ni、Mo等合金元素从而达到强韧化的效果。Cr元素在增加强度的同时亦能增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较为均匀的组织。Mo元素能增加材料的淬透性，促使晶粒细化，高温回火时，有二次硬化作用，有利于提高钢材的综合性能。Ni元素是提高钢材强韧性最有效的合金元素。

目前，我国铁路货车车轴大量使用的是LZ50车轴钢。LZ50车轴钢属于大型锻件用钢，锻造后易出现混晶或晶粒粗大，所以一般需要经过两次正火加一次回火处理，其缺点在于：生产能耗大、成产成本高，且车轴用钢还存在着强韧性配合低等缺点。随着我国铁路货运朝着快速、重载方向发展，使得现有的LZ50车轴已不能完全满足铁路货车安全运行的要求，迫切需要开发出具有更高强韧性配合的车轴钢以满足铁路货运发展的需求。

公开号为CN101497968A的中国专利申请公开了一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺，其钢的化学成分(WT％)为，C：0.50～0.57％，Si：0.17～0.40％，Mn：0.60～1.00％，Cr：0.20～0.35％，Ni：0.18～0.40％，Mo：0.08～0.18％，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％，其采用连铸连轧工艺。该专利申请采用Ni、Mo、V、Ti、B等微合金复合化的方式提高强度以及连铸连轧工艺提高成材率。

申请公布号为CN101928878A的中国专利提供了一种车轴钢及其生产方法，其钢的化学成分(重量百分含量)为：C：0.38～0.42％，Si：0.26～0.32％，Mn：0.70～0.80％，V：0.08～0.12％，N：0.015～0.02％，余量为铁和不可避免的杂质。其通过V元素的微合金化，并有意识地提高N含量，采用连铸方式，在835～855℃下保温3至4小时并在530～570℃下保温4至6小时，以获得屈服强度和抗拉强度较好的车轴钢。

申请公布号为CN101724787A的中国专利申请为一种车轴钢及其制备方法，其车轴钢的化学成分百分含量为：C：0.47～0.54％，Si：0.2～0.4％，Mn：0.7～0.9％，P≤0.02％，S≤0.02％，Al：0.02～0.04％，V：0.02～0.06％，Cr：0.15～0.3％，Ni≤0.2％，Cu≤0.2％，H≤0.00025％，O≤0.002％，N≤0.007％，余量为铁和其他杂质。该钢种以50钢为基础，添加0.02～0.06％的微量V元素获得车轴钢坯。该钢坯所锻造的车轴的热处理工艺为：850～880℃一次正火+800～820℃二次正火+500～540℃回火热处理。

公开号为CN101497968A的中国专利申请和申请公布号为CN101928878A的中国专利均采用连铸的生产工艺，该工艺对于承担铁路运输安全的车轴钢而言，压缩比偏低。申请公布号为CN101724787A的中国专利申请由于合金化不足而采取多一次正火工艺，增加了生产流程和生产时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路车轴用钢及其制造方法，其可以用来替代现有LZ50车轴及其制造工艺，该车轴用钢具备比LZ50车轴更好的综合性能，该制造方法改善了现有车轴用钢的强度和韧性配合度，可以满足铁路车轴所需良好强韧性和较高疲劳强度的需求。

为了实现上述目的本发明所涉及的铁路车轴用钢的化学成分重量百分配比为：C：0.40～0.50％；Si：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.10％；Cr：0.50～1.20％；V：0.07～0.17％；Mo：≤0.20；Ni：≤0.30％；Cu：≤0.20％；N：0.005～0.012％；Ce：0.050～0.20％；S：≤0.015％；P：≤0.02％。其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。其化学成分按照上述含量范围设计的原因如下：

1)C元素能显著提高钢的强度和淬透性，是保证钢坯室温强度和空冷淬透性所必需的元素。碳含量低于0.40％时淬透性和强度不够，高于0.50％则韧性变差，故将C元素含量设计为：0.40～0.50％。

2)Si加入钢中能提高钢的屈服强度。低于0.20％含量效果不明显。当含量超过0.4％后，加工性和塑韧性有恶化趋势，因而将Si元素含量设计为：0.20～0.40％。

3)Mn是改善钢强韧性必须的元素。Mn溶入铁素体形成固溶体，提高钢的硬度和强度，起到固溶强化的作用。当其含量小于0.50％时作用较小，其含量超过1.10％后，钢坯开裂倾向加大，所以将Mn元素含量设计为：0.50～1.10％。

4)Cr元素的加入使钢的强度和抗CO₂腐蚀性能提高。但是，Cr含量小于0.5％时，钢坯正火后空冷淬透性不够，不利于晶粒的细化；高于1.5％时，加工性变差，材料成本提高。本发明的Cr含量一般控制在0.5～1.2％。

5)V元素作为微合金元素，在正火状态下，加入钢中，可形成细小稳定的碳、氮化物，阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而在有效增强钢强度的同时，改善钢的塑性和韧性。本发明要求将V元素控制在0.07～0.17％。

6)N元素的适当加入，可充分发挥V元素的晶粒细化作用。这是因为N能与V结合成细小弥散的VN或V(CN)析出物，从而发挥细晶强化和弥散强化作用，起到细化晶粒的作用，从而在提高强度的同时提高韧性水平。根据本技术方案中，N元素和V元素的结合能力以及V的含量，将钢中N含量控制在0.0050-0.012％。

7)Ni是有利于提高冲击性能，尤其是横向冲击性能的典型元素之一。含量大于0.30％时，合金成本大大提高，不利于钢种的经济性，故将本发明中的Ni元素含量控制在≤0.30％。

8)Mo能增加材料的淬透性，促使晶粒细化，高温回火时，有二次硬化作用，有利于提高钢材的综合性能，含量高于0.2％时，不利于钢种的经济性。因而，本发明技术方案的Mo元素含量设计在≤0.20％。

9)在钢中加入微量Cu，将有利于发明钢种的顺利冶炼，且Cu和Ni是有利于抗腐蚀性能的元素之一，但该钢种中Cu含量高于0.20％后，热加工性有变差的趋势，所以需要在本技术方案中控制Cu元素含量≤0.20％。

10)适量稀土元素铈Ce的加入，可深度降低钢中氧和硫的含量，并抑制S、P等杂质在晶界上的偏析，达到净化钢质的作用。同时，还能改变钢中夹杂物的性质、形态和分布，使夹杂物变质，增加夹杂物与晶界抵抗裂纹形成与扩展能力，达到提高韧性的目的。此外，Ce的微小化合物质点在结晶界面上偏聚，可以起到阻碍晶胞长大，为钢晶粒细化提供较好的热力学条件，从而细化钢的凝固组织，改善钢的强韧性配合。考虑到钢中S、P等杂质元素含量，在本发明的技术方案中Ce元素的适宜加入量为0.05～0.20％。

11)钢中夹杂物受S、P含量影响较大，进而影响钢的抗疲劳性能，故需严格控制钢中S、P的含量，尽可能做到P≤0.02，S≤0.015，[O]≤20ppm，以减少MnS夹杂，减轻P的晶界偏析，改善夹杂物形态，保持钢的纯净度，提高强韧性配合和抗疲劳性能。

合金的冶炼主要是严格控制C、Mn、Cr、Mo、Ni、S、P等含量，尽可能提高钢水纯净度，同时应尽可能降低钢水中气体含量及夹杂物总量等，尽可能提高钢种的强韧度，同时应尽可能细化钢种的晶粒。根据本发明的技术方案，通过适当添加V、N微合金元素，使其结合生成细小弥散的析出物，发挥细晶强化和弥散强化作用，起到细化晶粒的作用，从而在提高强度的同时也增强韧性水平；通过加入适量稀土元素Ce，可以深度降低钢中氧和硫的含量，并抑制S、P等杂质在晶界上的偏析，起到钢质净化、夹杂物变质和晶粒细化的作用。

进一步，本发明还针对两次正火+一次回火工序而导致现有生产LZ50车轴的成本相对较高的缺点，提供了一种生产铁路车轴用钢的生产工艺，通过一次正火+一次回火热处理方式即可达到铁路车轴用钢的相关标准要求，大大地提高车轴用钢的强韧性。优化生产工艺流程包括如下步骤：

1)转炉冶炼，开始出钢温度约为1650℃。

2)LF+RH精炼，最终温度≥1550℃。

3)模铸，开浇温度约为1550℃，浇钢速度3.8～4.8吨/分钟。

4)热轧，终轧温度≥950℃。

5)空冷，制成车轴用钢坯。

6)锻造，将车轴用钢坯锻造成车轴，终锻温度≥950℃。

7)车轴钢经过820～900℃正火+550～620℃回火整体热处理。

与LZ50车轴钢制造方法所必须两次正火+回火处理的工艺相比，本发明通过改善工艺流程，在热处理工艺上只需经过一次正火+回火的工序就可以达到车轴钢的相关标准要求，其室温力学性能可以达到Rm>750Mpa，Rel>410Mpa，A>20.5％，Z>50％，横向Aku2>40J，纵向Aku2>45J水平的综合性能，从而大大节省了生产时间，提高了生产效率。另外，相比于现有LZ50车轴钢坯常规采用连铸的浇铸方式，本发明采用了模铸方式。其原因在于：采用模铸方式与连铸方式相比具有更大的压缩比，不仅有利于钢坯最终晶粒的细化进而提高强韧性配合，还有利于消除钢坯的缩孔、疏松等缺陷。

从成分方面来说，本发明的车轴钢添加V、N微合金元素和Ce稀土元素，使得其与现有的车轴钢相比，避免出现混晶或晶粒粗大的情况，且达到钢质净化，细化晶粒的效果，使其具有更好的强韧性。

从工艺方面来说，本发明采用了模铸方式可以获得所要求的压缩比；并且本发明采用一次正火+回火热加工方式，在减少一次正火处理工艺的情况下，采用上述化学成分和生产工艺的车轴钢与现有的LZ50车轴钢相比，抗拉强度提高17％以上，冲击功提高20％以上，强韧性配合得到明显的提高。与此同时，减少了一次正火处理工艺，大大简化了生产流程，节约了生产时间，提高了生产效率，释放了经济产能。

本发明的车轴用钢具有较高的强度和良好的韧性配合，可作为30吨轴重的铁路货车车轴，其可替代替代目前大量使用的LZ50车轴钢，以满足我国铁路货运向高速、重载方向的快速发展。

具体实施方式

实施例1-6和对比例LZ50车轴钢采用相同的冶炼、浇铸和轧制过程，关键工艺参数简要为：炼钢，开始出钢温度约为1650℃，浇铸开始温度约为1550℃，铸坯进行热轧时终轧温度≥950℃，热轧后空冷到室温，获得车轴坯。表1为实施例1-6、对比例LZ50车轴钢和LZ50车轴钢标准要求的化学成分。

表1本发明的车轴用钢、对照用LZ50车轴钢和LZ50车轴钢标准要求化学成分(重量百分含量，％)

对于实施例1-6的车轴用钢坯经过锻造之后，进行820～900℃正火+550～620℃回火整体热处理，具体热处理工艺参数如表2所示。对于LZ50车轴坯按照《铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件》要求进行870℃一次正火+810℃二次正火+540℃回火热处理。根据相关车轴钢坯试制技术条件要求取样进行相关性能测试，实施例1-6的车轴用钢坯与对比例LZ50车轴坯的具体性能如表3所示。

表2实施例及LZ50钢的热处理工艺参数

名称	热处理工艺
		实施例1	860℃正火+600℃回火
实施例2	880℃正火+590℃回火
		实施例3	840℃正火+570℃回火
实施例4	900℃正火+620℃回火
		实施例5	820℃正火+550℃回火
实施例6	850℃正火+600℃回火
		对比例LZ50	870℃一次正火+810℃二次正火+540℃回火

表3实施例1-6的车轴用钢坯与对比例LZ50车轴坯的力学性能参数

由表3可见，与对比例LZ50车轴钢坯相比，在减少一次正火热处理条件下，通过本发明的生产工艺的车轴用钢在抗拉强度提高17％以上，同时其横向及纵向冲击韧性均提高20％以上，充分体现产品的优良综合力学性能。

Claims (2)

1.一种铁路车轴用钢，其化学成分重量百分配比为，C：0.40～0.50％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.50～1.10％，Cr：0.50～1.20％，V：0.07～0.17％，Mo：≤0.20，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.20％，N：0.005～0.012，Ce：0.050～0.20％，S：≤0.015％，P：≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量＜0.05％。

2.一种如权利要求1所述的铁路车轴用钢的生产工艺，其步骤如下：

1)转炉冶炼，开始出钢温度为1650℃；

2)LF+RH精炼，最终温度≥1550℃；

3)模铸，开浇温度为1550℃，浇钢速度3.8～4.8吨/分钟；

4)热轧，终轧温度≥950℃；

5)空冷，制成车轴用钢坯；

6)锻造，将车轴用钢坯锻造成车轴，终锻温度≥950℃；

7)经过一次正火+回火整体热处理，正火温度为820～900℃，回火温度为550～620℃。