CN102758147B

CN102758147B - 一种车轴材料及其在高速铁路客车上的应用

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Publication number: CN102758147B
Application number: CN201210275838.2A
Authority: CN
Inventors: 朱静; 潘涛; 刘淑华; 王玉玲; 周惠华; 顾家琳; 李建民; 汝继来; 施惠基; 林吉忠; 王之香; 穆恩生; 钟虓龑
Original assignee: Tsinghua University; Central Iron and Steel Research Institute; Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Central Iron and Steel Research Institute; Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-08-06
Also published as: CN102758147A

Abstract

本发明涉及一种车轴材料，其通过对C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cu、V等元素所占不同比例对材料性能影响的研究，得到一种强韧性匹配和疲劳性能优良的合金钢车轴材料，该材料优选应用于铁路客车车轴特别是时速200Km以上的高速铁路客车车轴的制造，并可服役于高寒地区。

Description

一种车轴材料及其在高速铁路客车上的应用

技术领域

本发明涉及材料领域，特别是一种铁路客车用车轴材料，更进一步地，是一种用于200km以上时速高速铁路客车的合金钢车轴材料。

背景技术

高速铁路的运行安全是涉及国计民生的重大基础工程项目，而车轴是高铁列车的关键走行部件之一，其综合性能的优劣在很大程度上决定了列车运行的长久安全和运行寿命。车轴疲劳使用寿命与车轴的材料、制造、热处理及设计方法都有直接关系特别是车轴压装部分的疲劳损伤问题一直没有得到有效解决。高速铁路列车用车轴国际上通常采用两种材料和工艺技术来生产，一种技术思路是使用中高碳碳素钢生产并采用感应线圈淬火，在车轴表面获得良好的硬度和疲劳性能；另一种技术思路是选用合金结构钢，进行调质热处理，车轴整体获得良好的强韧性匹配。由于在高速动车组上普遍采用空心车轴，车轴材质的选择应保证具有较高的强度、良好的韧性及优良的疲劳性能，因此钢的各元素含量及复合合金化的选择是关键。

中国专利CN101928878B公开了一种车轴钢，其化学成分重量百分比为：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。这种车轴钢的屈服强度为420MPa，抗拉强度为730MPa，疲劳极限为249MPa，这些性能已无法满足日益发展的高速铁路客车对于车轴钢材料的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能优良的车轴材料，特别是一种强韧性匹配和疲劳性能优良的高速铁路客车用合金钢车轴材料。为达到上述目的，本发明人详细研究了各化学组分对车轴材料性能的影响，并得到以下发明技术方案：

一种车轴材料，包含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo和Fe，其质量百分数分别为：C：0.24%-0.36%，Si：0.25%-0.45%，Mn：0.50%-0.85%，P： 0-0.010%，S：0-0.004%，Cr：0.95%-1.20%， Mo：0.20%-0.45%，余量为Fe。

优选的是，Mo含量质量百分数为：0.20-0.30%。

为了使车轴材料获得良好的韧性水平，同时兼顾疲劳强度，优选的是，C含量为：0.25%-0.36%。

为了使车轴材料获得良好的疲劳强度，同时兼顾其韧性水平，优选的是，C含量为0.33%-0.36%。

优选的是，如上所述的车轴材料还包含有Ni、Cu和V，各元素的质量百分数为：Ni：≤0.50%，Cu：≤0.40%，V：0.03-0.08%。

优选的是，其中Ni含量为：0.15%-0.45%。

优选的是，其中Cu含量为：0.10%-0.35%。

更优选的是，如上所述的车轴材料还包含有Ca、Al和N，各元素含量质量百分数为：Ca：0.0005%-0.0045%，Al：0.005%-0.040%，N：0.0010%-0.010%，并且，Ca的质量百分数符合：0.3*S≤Ca≤1.25*S+2.5*O，且/或N的质量百分数符合：N≤0.5*Al-0.001，其中氧的质量百分数为O≤0.0050%（S为硫的质量百分数；Al为铝的质量百分数；O为氧的质量百分数）。

优选的是，车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.25%，Si：0.25%，Mn：0.80%，P：0.005%，S：0.0023%，Cr：0.95%，Ni：0.30%，Al：0.040%，N：0.0047%，Ca：0.0045%， V：0.030%，Mo：0.45%，余量为Fe。

优选的是，车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.26%，Si：0.45%，Mn：0.75%，P：0.0094%，S：0.0038%，Cr：1.05%，Ni：0.50%，Al：0.032%，N：0.0052%，Ca：0.0005%，Cu：0.25%，V：0.063%，Mo：0.28%，余量为Fe。

优选的是，车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.36%，Si：0.30%，Mn：0.70%，P：0.0058%，S：0.0016%，Cr：1.09%，Ni：0.28%，Al：0.025%，N：0.0037%，Ca：0.0021%，Cu：0.15%，V：0.067%，Mo：0.24%，余量为Fe。

优选的是，车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.33%，Si：0.40%，Mn：0.77%，P：0.0049%，S：0.0012%，Cr：1.12%，Ni：0.25%，Al：0.021%，N：0.0039%，Ca：0.0018%，Cu：0.14%，V：0.058%，Mo：0.30%，余量为Fe。

一种铁路列车用车轴，由如上所述的任意车轴材料制成。

更优选的是，按照本发明的车轴材料用于时速200km以上的高速铁路客车车轴的制造。

优选的是，高速铁路列车，其包含有如上所述的铁路列车用车轴。

如上所涉及的组分含量均为质量百分数。

车轴材料的制备方法采用本领域技术人员公知的常规方法，在此仅做简要说明，不予详述。车轴制造的工艺过程包括：电炉或转炉冶炼→炉外精炼→真空脱气→铸锭→铸锭红送初轧→钢锭均热、轧制→钢坯缓冷→钢坯精整→锻造→热处理→取样检验。

本发明的车轴合金钢材料设计思路和原理如下：

为了兼顾材料的成分和综合性能的关系，成分体系选用Cr-Mo合金结构钢体系，这种成分系可获得良好的淬透性和强韧性匹配，调质热处理后的显微组织以回火马氏体和贝氏体组织为主。

C：0.24-0.36%

在该成分体系下，C元素是平衡强度和韧性、获得细小弥散析出的碳化物的重要元素。在低C含量条件下（例如小于0.20%），可获得良好的韧性水平和低韧脆转化温度，但强硬度和疲劳性能偏低，在较高C含量条件下（例如大于0.40%），有利于获得较高的疲劳强度但韧性尤其是低温韧性储备显得不足。因此，对于车轴这种强韧性兼备的材料，应控制适中的C含量。而分别控制0.25-0.30%和0.33-0.36%的C含量，在强韧兼备的情况下可分别具备良好韧性储备和抗疲劳强度。

Si：0.25-0.45%

硅元素是合金结构钢中的常存元素，主要起固溶强度和提高钢的淬透性的作用，还能提高屈强比和疲劳强度与抗拉强度的比值。硅含量不是很高时，对钢的延展性和韧性影响不大，当Si含量大于0.50%时，钢的韧性显著恶化。

Mn：0.50-0.85%

锰元素也是合金结构钢中的重要常存元素，主要起降低相变温度、细化晶粒尺寸以及强化、提高淬透性等作用，锰同时还是良好的脱氧剂，能固定钢中硫的形态，并形成对钢的性能危害较小的MnS,减少或抑制FeS的生成，提高其性能和洁净度。但是，锰会使钢的延展性和韧性略有降低，另外还会使钢的耐腐蚀性能降低，当钢中存在Cr、Mo等合金元素时，Mn含量一般不超过0.85%。

Mo：0.2-0.45%

钼元素是本发明车轴材料中的主要控制元素之一，在钢中Mo元素的含量为0.20-0.45%，有利于显著提高钢的淬透性，同时使合金钢的回火脆性危害降低至较低的程度，能有效改善钢的力学性能。

V：0.03-0.08%

钒是强碳化物形成元素，在奥氏体过程中保持固溶，在随后的冷却和回火过程中弥散析出，产生较为强烈的析出强化效果。同时VC的析出颗粒对于相界面的移动有较大的阻碍作用，从而获得较好的晶粒细化效果。当V含量处于0.03%以下时，绝大部分V处于固溶状态，难以发挥这种析出强化和晶粒细化的作用。而当V含量超过0.08%时，析出V在淬火加热过程中无法全部溶解，V的析出强化作用也得不到充分发挥。

Ca：0.0005-0.0045%

本发明材料中进行了微Ca处理，以对车轴钢中的夹杂物进行改性。实验证明，要使微Ca处理效果达到较为理想的水平，Ca与S比值不应小于0.3，而Ca含量若超过一定含量，其改性效果反而降低。为了达到良好的夹杂物改性效果，应满足0.3*S≤Ca≤1.25*S+2.5*O。

N：0.001-0.01%

氮元素处于游离状态时，易引起时效敏感性，降低材料的韧塑性。通过Al元素的加入，形成AlN析出物，一方面阻止晶粒长大、起到细化晶粒的作用，另一方面固定N含量，消除或减轻钢的时效敏感性。为了达到较好的固氮效果，Al和N含量应满足N≤0.5*Al-0.001。

Ni：0-0.5%

镍元素的加入对提高钢的韧性水平和降低韧脆转化温度有利，其能细化钢的品粒度，改善钢的低温性能的韧性。但Ni属贵重元素，Ni的大量添加将导致钢的材料成本显著上升。

Cu：0-0.4%

铜元素可引起钢的热脆，降低钢的韧性。但微量Cu元素的加入也对提高钢的淬透性有一定帮助，一般保持Ni元素存在的情况下，Cu元素的加入量不超过0.40%。

氧是钢的冶炼过程中不可能完全去除的残余元素，它主要以氧化物形式存在，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐，这类杂质的存在，会使钢的性能下降，其影响程度与夹杂物的大小、数量和分布有关。所以，氧含量越低越好。

附图说明

图1为按照本发明的车轴材料1/2半径处的显微组织；

图2（a）为实施例1的夹杂物形貌；

图2（b）为图2（a）夹杂物的能谱分析；

图2（c）为图2（a）夹杂物的能谱面扫描；

图3（a）为实施例3的韧脆转化曲线（冲击功）；

图3（b）为实施例3的韧脆转化曲线（断口纤维率）。

具体实施方式

实施例1：一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.30%，Si：0.37%，Mn：0.85%，P：0.006%，S：0.002%，Cr：1.20%，Ni：0.45%，Al：0.005%，N：0.0025%，Ca：0.0020%，Cu：0.035%，V：0.079%，Mo：0.20%，余量为Fe。

实施例2：一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.25%，Si：0.25%，Mn：0.80%，P：0.005%，S：0.0023%，Cr：0.95%，Ni：0.30%，Al：0.040%，N：0.0047%，Ca：0.0045%， V：0.030%，Mo：0.45%，余量为Fe。

实施例3：一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.26%，Si：0.45%，Mn：0.75%，P：0.0094%，S：0.0038%，Cr：1.05%，Ni：0.50%，Al：0.032%，N：0.0052%，Ca：0.0005%，Cu：0.25%，V：0.063%，Mo：0.28%，余量为Fe。

实施例4：一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.36%，Si：0.30%，Mn：0.70%，P：0.0058%，S：0.0016%，Cr：1.09%，Ni：0.28%，Al：0.025%，N：0.0037%，Ca：0.0021%，Cu：0.15%，V：0.067%，Mo：0.24%，余量为Fe。

实施例5：一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.33%，Si：0.40%，Mn：0.77%，P：0.0049%，S：0.0012%，Cr：1.12%，Ni：0.25%，Al：0.021%，N：0.0039%，Ca：0.0018%，Cu：0.14%，V：0.058%，Mo：0.30%，余量为Fe。

上述实施例材料经过冶炼、锻造和热处理后，并加工成空心车轴，对车轴内外表面等距的1/2处进行显微组织观察和拉伸和冲击等力学性能测试，以及对车轴的外表面进行旋转弯曲疲劳性能测试。

显微组织：如图1所示，为本发明材料的实施例1-5得到的车轴1/2半径处的显微组织，可以看出，显微组织由回火马氏体和下贝氏体+粒状贝氏体为主组成，显微组织的截面均匀性较好，没有出现随着车轴表面深度的变化，显微组织状态明显恶化的现象，即使是粒状贝氏体，其M-A岛的分布也较为细小、弥散和均匀，为发明材料获得良好的力学性能奠定了材料显微组织基础。

夹杂物观察：对实施例的夹杂物进行观察。其中，实施例1的夹杂物观察，其形貌和能谱分析如图2 (a)-(c)所示，为Al₂O₃和CaO的复合夹杂物。图2(a)为夹杂物的形貌，图2(b)为图2(a)所示的夹杂物的能谱分析，图2(c)为图2(a)所示的夹杂物的能谱面扫描图，从图中可以看出，通过本发明的微量成分组合，夹杂物的形态有了明显的改善，原本点状不变形的Al₂O₃夹杂物得到了充分的细化和球化。点状不变形的Al₂O₃的氧化物夹杂对钢的疲劳性能有明显的不利影响，当氧化物细化和球化后，可显著改善车轴钢的韧性水平和疲劳性能。

拉伸强度测试：对实施例的车轴材料进行了拉伸强度测试，均获得了较高的拉伸强度。其中实施例1-5，抗拉强度最大达到860MPa（实施例5），所有抗拉强度均高于750MPa；屈服强度最大达到765MPa，所有屈服强度均高于600MPa，比EN13261：2009的欧洲车轴标准要求的420MPa高出180-290MPa，屈服强度的富裕量非常大。同时拉伸试样的延伸率和断面收缩率均达到较高的水平。按照本发明得到的车轴材料的拉伸性能测试结果如下表1所示：

表1、本发明车轴材料的室温拉伸性能

冲击性能测试：对实施例的车轴材料进行了冲击性能测试。冲击试样采取U型缺口，缺口深度5mm（U型5mm槽）。室温冲击功最大达到84J，最小也有61J，比EN13261：2009的欧洲车轴标准要求的40J（纵向）和25J（横向）高出很多，显示出较高的韧性富裕量。所有冲击试样的断口纤维率处于71-100%的范围，说明实施例的冲击试样断口以纤维状的韧性断口为主。按照本发明实施例1-5得到的车轴材料均获得了良好的冲击韧性，结果如表2所示。

表2、本发明车轴材料的室温冲击性能

韧脆转化特性：对实施例的车轴材料进行了韧脆转化特性测定。冲击试样仍采取U型缺口，缺口深度5mm。测试温度范围为+40℃~-60℃，每隔20℃进行一次冲击性能测试。其中，对实施例1和实施例3的韧脆转化温度的测试结果如下表3所示，实施例3的韧脆转化曲线如图3（a）和图3（b）所示。从图3（a）和图3（b）可以看出，实施例1和实施例3纵向和横向试样的韧脆转化温度均处于-40~-50℃之间，满足一般动车组列车用车轴的需求，甚至也可用于高寒动车组（要求-40℃考核冲击性能）。韧脆转化曲线较为平缓，即使在-60℃冲击功也能达到40J以上，满足EN13261：2009标准规定的20℃指标要求，冲击功富裕量非常大。在-60℃的断口纤维率也达到40%，仍处于韧脆转化过渡区域，而没有进入冲击下平台，显示了较好的韧脆转化特性。

表3、本发明车轴材料的韧脆转化温度

疲劳性能：对实施例的车轴材料进行旋转弯曲疲劳性能测试。测试分为光滑试样和缺口试样。其中，按照实施例1-3的车轴材料的测试结果如表4所示。光滑试样的中值疲劳强度达到385-405MPa，高于EN13261标准要求的350MPa；缺口试样的中值疲劳强度达到335MPa左右，远高于EN13261标准要求的215MPa。结果显示，发明材料的旋转弯曲疲劳性能均满足EN13261的要求，且富裕量非常大。缺口疲劳敏感系数（即光滑试样疲劳强度和缺口试样疲劳强度的比值，R_fL/R_fE值）处于1.16-1.23的范围内，远小于EN13261规定的1.63，满足规范要求，且显示出非常低的缺口疲劳敏感系数。

表4、本发明车轴材料的旋转弯曲疲劳性能

实施例6 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.24%，Si：0.27%，Mn：0.50%，S：0.0005%，Cr：0.97%，Ni：0.15%，Al：0.01%，N：0.001%，Ca：0.0010%，Cu：0.05%，V：0.040%，Mo：0.22%，余量为Fe。

实施例7 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.27%，Si：0.32%，Mn：0.55%，P：0.001%， Cr：0.99%，Ni：0.10%，Al：0.015%，N：0.002%，Ca：0.0015%，Cu：0.10%，V：0.050%，Mo：0.26%，余量为Fe。实施例8 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.28%，Si：0.34%，Mn：0.60%，P：0.002%，S：0.001%，Cr：1.0%，Al：0.02%，N：0.003%，Ca：0.0025%，Cu：0.12%，V：0.06%，Mo：0.32%，余量为Fe。

实施例9 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.29%，Si：0.38%，Mn：0.65%，P：0.003%，S：0.0015%，Cr：1.10%，Ni：0.20%，Al：0.012%，N：0.0040%，Ca：0.0030%，Cu：0.20%，V：0.064%，Mo：0.35%，余量为Fe。

实施例10 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.31%，Si：0.35%，Mn：0.73%，P：0.004%，S：0.002%，Cr：1.14%，Ni：0.35%，Al：0.017%，N：0.0048%，Ca：0.0035%，Cu：0.27%，V：0.070%，Mo：0.38%，余量为Fe。

实施例11 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.32%，Si：0.41%，Mn：0.79%，P：0.007%，S：0.0030%，Cr：1.16%，Ni：0.40%，Al：0.035%，N：0.0060%，Ca：0.0038%，Cu：0.30%，V：0.073%，Mo：0.40%，余量为Fe。

实施例12 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.34%，Si：0.42%，Mn：0.82%，P：0.008%，S：0.0035%，Cr：1.18%，Ni：0.43%，Al：0.038%，N：0.0080%，Ca：0.0042%，Cu：0.35%，V：0.075%，Mo：0.42%，余量为Fe。

实施例13 一种车轴材料，以质量分数记算，其包括：C：0.35%，Si：0.43%，Mn：0.83%，P：0.010%，S：0.0040%，Cr：1.05%，Ni：0.47%，Al：0.030%，N：0.0100%，Ca：0.0040%，Cu：0.40%，V：0.080%，Mo：0.44%，余量为Fe。

本领域技术人员可以理解，按照本发明的车轴材料包括了上述各部分的任意组合。以上所述仅为本发明的的优选实施例，并不能限定本发明，可以肯定的是凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种车轴材料，含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Fe，其特征在于：该车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.24%-0.36%，Si：0.25%-0.45%，Mn：0.50%-0.85%，P：≤0.010%，S：≤0.004%，Cr：0.95%-1.20%， Mo：0.20%-0.45%，V：0.03-0.08%，Ca：0.0005%-0.0045%，Al：0.005%-0.040%，N：0.0010%-0.010%；同时，所述Ca的质量百分数符合：0.3*S≤Ca≤1.25*S+2.5*O且/或N的质量百分数符合：N≤0.5*Al-0.001；其中氧的质量百分数为O≤0.0050%，余量为Fe；所述车轴材料达到了良好的夹杂物改性效果。

2.根据权利要求1所述的车轴材料，其特征在于：Mo的含量质量百分数为0.20-0.30%。

3.根据权利要求1所述的车轴材料，其特征在于：C的含量质量百分数为0.25-0.30%。

4.根据权利要求1所述的车轴材料，其特征在于：C的含量质量百分数为0.33-0.36%。

5.根据权利要求1所述的车轴材料，其特征在于：车轴材料还包含有Ni、Cu，各元素的质量百分数为：Ni：≤0.50%，Cu：≤0.40%。

6.根据权利要求5所述的车轴材料，其特征在于：所述Ni含量为：0.15%-0.45%。

7.根据权利要求6所述的车轴材料，其特征在于：所述Cu含量为：0.10-0.35%。

8.根据权利要求1、5或6中任一项所述的车轴材料，其特征在于：该车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.25%，Si：0.25%，Mn：0.80%，P：0.005%，S：0.0023%，Cr：0.95%，Ni：0.30%，Al：0.040%，N：0.0047%，Ca：0.0045%， V：0.030%，Mo：0.45%，余量为Fe。

9.根据权利要求1、5或6中任一项所述的车轴材料，其特征在于：该车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.36%，Si：0.30%，Mn：0.70%，P：0.0058%，S：0.0016%，Cr：1.09%，Ni：0.28%，Al：0.025%，N：0.0037%，Ca：0.0021%，Cu：0.15%，V：0.067%，Mo：0.24%，余量为Fe。

10.根据权利要求1、5或6中任一项所述的车轴材料，其特征在于：该车轴材料包含的化学成分及其质量百分数分别为：C：0.33%，Si：0.40%，Mn：0.77%，P：0.0049%，S：0.0012%，Cr：1.12%，Ni：0.25%，Al：0.021%，N：0.0039%，Ca：0.0018%，Cu：0.14%，V：0.058%，Mo：0.30%，余量为Fe。

11.一种铁路列车用车轴，其特征在于：由按照权利要求1-7中任一项所述的车轴材料制成。

12.一种时速为200km以上的高速铁路客车用的车轴，其特征在于：由按照权利要求1-7中任一项所述的车轴材料制成。

13.一种包含有权利要求11所述的铁路列车用车轴的高速铁路列车。