CN102953007A - 合金铸钢及其热处理方法，及该合金铸钢制造的货车牵引缓冲装置 - Google Patents
合金铸钢及其热处理方法，及该合金铸钢制造的货车牵引缓冲装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种合金铸钢，其各组分及其重量百分比如下：碳0.24%～0.30%；硅0.20%～0.40%；锰0.80%～1.19%；磷小于等于0.030%；硫小于等于0.030%；铬0.70%～0.90%；镍0.45%～0.65%；钼0.25%～0.45%；铜小于等于0.30%，余量为铁以及不可避免的杂质。本发明的有益效果主要体现在：通过合理设置较低的合金添加量，降低了制造成本，并实现了较好的综合力学性能，适用于制造货车的牵引缓冲装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金铸钢及其热处理方法，还涉及一种由该合金铸钢制造的货车牵引缓冲装置。
背景技术
随着铁路快速发展的需要，铁路需实现客运高速化、快速化、轻量化，货运重载化、快捷化。我国新一代大轴重货车的研制，对新一代大轴重货车牵引缓冲装置提出了更高的要求，牵引缓冲装置作为铁路车辆连接系统的重要部件，其质量性能直接影响着铁路车辆的各项性能指标。目前，国际上普遍采用美国AAR标准中规定的Ｅ级钢材料作为铁路车辆牵引缓冲装置用材料。
目前，Ｅ级钢材料的各项性能要求达到：抗拉强度大于等于820Mpa，屈服强度大于等于690Mpa，延伸率大于等于14%，断面收缩率大于等于30%, -40℃下V型缺口冲击吸收功大于等于27J。
然而随着铁路货车的重载化和快速化，重载货车车钩受力复杂，Ｅ级钢材料的强度及塑韧性等已越来越不能满足我国重载货车牵引缓冲装置的需要。比如，目前大秦线2万吨编组的重载货车17号车钩钩舌运行过程中S面出现无法修复的疲劳裂纹，这在一定程度上反映了E级钢铸钢材料不能很好的适用2万吨以上编组的重载货车。
公开号为CN 101748338A的中国专利揭示了一种用于货车牵引缓冲装置的合金铸钢，但该合金铸钢的合金添加量较多，工业应用成本高，特别是贵重金属元素Ni的添加量高达0.90～1.10%，拉高了生产成本，直接导致该种合金铸钢及由其制作的货车牵引缓冲装置价格偏贵；而过量的锰增加了铸钢材料的成分偏析现象，增大了铸钢材料的热裂倾向，同时还增加了铸钢材料过热敏感性，使得铸钢材料在热处理过程中晶粒长大倾向大大加强，从而使该种合金铸钢的热处理温度适应范围窄，稳定性弱。晶粒过大直接使得铸件低温冲击吸收功大幅下降，从而影响重载货车牵引缓冲装置的使用寿命。
因此，为适应铁路重载运输的发展，为满足新一代大轴重货车设计的需要，开发新一代重载货车牵引缓冲装置用铸钢材料变得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种成本适中、综合力学性能较好的合金铸钢。该合金铸钢适用于制造货车牵引缓冲装置，尤其适合制造重载货车牵引缓冲装置。
本发明的目的通过以下一种合金铸钢来实现，其各组分及其重量百分比如下：碳0.24%～0.30%；硅0.20%～0.40%；锰0.80%～1.19%；磷小于等于0.030%；硫小于等于0.030%；铬0.70%～0.90%；镍0.45%～0.65%；钼0.25%～0.45%；铜小于等于0.30%，余量为铁以及不可避免的杂质。
优选，所述锰的重量百分比为0.81% ～ 1.18%；进一步优选，所述锰的重量百分比为0.83% ～ 1.10%。
优选，所述钼的重量百分比为0.28% ～ 0.45%；进一步优选，所述钼的重量百分比为0.31%～ 0.45%；更进一步优选，所述钼的重量百分比为0.35%～0.45%之间。
优选，所述铬为0.70% ～ 0.89%；进一步优选，所述铬为0.70% ～ 0.80%。
优选，所述硅的重量百分比为0.21% ～ 0.39%；进一步优选，所述硅的重量百分比位于0.21%～0.35%。
优选，所述磷的重量百分比小于等于0.019%，硫的重量百分比小于等于0.010%；进一步优选，所述磷的重量百分比小于等于0.017%，硫的重量百分比小于等于0.005%。
优选，所述合金铸钢的金相组织为回火索氏体组织。
本发明的另一目的在于提供一种成本适中、综合力学性能优良的的货车牵引缓冲装置。
本发明的目的通过提供如下的一种货车牵引缓冲装置来实现：其使用前述的合金铸钢制造而成。
优选的，所述货车牵引缓冲装置为车钩钩体、钩舌或车钩尾框等。
本发明的另一目的在于提供一种处理工艺简单、力学性能优异的合金铸钢的热处理方法。
本发明的目的通过提供如下的一种合金铸钢热处理方法来实现，其包括以下步骤：首先淬火处理升温至900℃～920℃后保温3～5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至580～600℃后保温3～4小时，空冷或水冷，优先水冷。
本发明的有益效果主要体现在：通过合理设置较低的合金添加量，制造成本适中，并实现了较好的综合力学性能。
本发明通过改进合金添加的配比和优化热处理方法和温度控制，在其优选的实施例中,所制得的合金铸钢的抗拉强度及屈服强度最低分别达到了940Mpa和805Mpa，延伸率大于等于14.5%，断面收缩率大于等于37.5%, -40℃下V型缺口冲击吸收功大于等于28.5J。完全满足重载货车牵引缓冲装置力学性能要求，即抗拉强度大于等于930MPa，屈服强度大于等于795MPa，延伸率大于等于14%，断面收缩率大于等于35%，-40℃下V型缺口冲击吸收功大于等于27J。
通过采用价格便宜的铬元素，本发明的合金铸钢成本与E级钢材料的制造成本相当，且大大低于CN101748338A揭示的合金铸钢成本，同时Cr与C形成Cr的碳化物，起到表面强化作用，提高铸件耐磨性。
通过降低Mn的添加量，本发明的合金铸钢热裂倾向降低，避免了在热处理过程中晶粒长大倾向，从而扩大了合金铸钢的热处理温度适应范围。另一方面，合金铸钢的低温冲击性能也大大提高，有利于延长采用本发明制作的重载货车牵引缓冲装置的使用寿命。
与E级钢相比，本发明的合金铸钢在材料的塑性及韧性方面略优于E级钢，而材料的抗拉强度及屈服强度指标均得到了明显的提升。因此，本发明的合金铸钢材料的综合力学性能明显优于 E级钢。
与公开号为CN 101748338A的中国专利申请相比，该专利申请公开的合金铸钢的合金添加量较多，工业应用成本太高，贵重金属元素Ni的添加量高达0.90～1.10%，直接导致该种合金铸钢及由其制作的货车牵引缓冲装置价格偏贵；而Mn的含量达到了1.20～1.50%，过量的锰增加了铸钢材料的成分偏析现象，增大了铸钢材料的热裂倾向，同时还增加了铸钢材料过热敏感性，使得铸钢材料在热处理过程中晶粒长大倾向大大加强，导致该合金铸钢的热处理温度适应范围窄，稳定性弱。晶粒过大直接使得铸件低温冲击吸收功大幅下降，从而导致采用该合金铸钢制作的重载货车牵引缓冲装置的使用寿命也明显下降。
而本发明由于各种添加合金和碳、硅等主要成分的配比合理，锰的添加量较少，能够减少铸钢材料的成分偏析现象和热裂倾向，降低铸钢材料的过热敏感性，大大减少了铸钢材料在热处理过程中晶粒长大倾向，扩大了本发明材料的热处理温度适用范围；且使得铸件的低温冲击吸收功得到了大幅提升，有利于延长采用该材料制作的货车牵引缓冲装置的使用寿命。
因此，本发明具有成分容易控制、合金增添少、生产成本适中、冶炼工艺简单、铸造工艺性能优良，有利于工业化应用等优点。本发明的合金铸钢可以作为货车牵引缓冲装置中的车钩钩体、钩舌或车钩尾框用材料，尤其适合作为高速重载货车车钩用材料。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的具体实施例的淬火温度和合金铸钢抗拉强度、屈服强度的关系图。
图2为本发明的具体实施例的淬火温度和合金铸钢塑性的关系图。
图3为本发明的具体实施例的回火温度和合金铸钢抗拉强度、屈服强度的关系图。
图4为本发明的具体实施例的回火温度和合金铸钢塑性的关系图。
图5为本发明的具体实施例的合金铸钢经淬火、回火处理后的金相组织放大100倍时的图片。
图6为本发明的具体实施例的合金铸钢经淬火、回火处理后的金相组织放大500倍时的图片。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下具体实施方式的详细说明中，将可清楚的呈现。然而本领域技术人员将意识到此处的参考了附图的具体描述仅仅用于示例目的，本发明并不局限于此。
本发明的合金铸钢具有如下的化学成分：碳0.24%～0.30%；硅0.20%～0.40%；锰0.80%～1.19%；磷小于等于0.030%；硫小于等于0.030%；铬0.70%～0.90%；镍0.45%～0.65%；钼0.25%～0.45%；铜小于等于0.30%，余量为铁以及不可避免的杂质。单位为重量百分数。
在本发明中，碳的重量百分比为0.24%～0.30%，含碳量决定了钢的强度和塑性，在工作状态下，铸钢的抗拉强度随着含碳量的增加而不断提高，塑性随着含碳量的增加而逐渐减低。含碳量在上述范围内，能够确保铸钢同时具有合适的强度和韧性。
在本发明中，硅的重量百分比为0.20%～0.40%，在该范围内，可以降低钢的熔点，改善流动性，同时可以改善钢的热裂倾向。进一步优选，所述硅的重量百分比位于0.21%～0.39%；更进一步优选，所述硅的重量百分比位于0.21%～0.35%。
在本发明中，锰的重量百分比为0.80%～1.19%；锰适量增加能够提高铸钢的强度和硬度，但锰还增加了铸钢的过热敏感性，使热处理时晶粒容易长大，影响冲击韧性。因而，本发明控制锰的重量百分比最好小于1.20%。进一步优选，锰的重量百分比为0.81%～1.18%；更进一步优选，锰的重量百分比为0.83%～1.10%。
在本发明中，所述钼的重量百分比为0.25%～0.45%，优选，所述钼的重量百分比0.28%～0.45%；进一步优选，所述钼的重量百分比0.31%～0.45%；更进一步优选，钼的重量百分比为0.36%～0.45%；钼作为强碳化合物形成元素，可以提高材料的淬透性，增加材料的回火抗力。因此本发明适当添加钼元素，提高材料的强度等级。
在本发明中，铬的重量百分比为0.70%～0.90%，优选，铬的重量百分比为0.70%～0.89%；进一步优选，铬的重量百分比为0.70%～0.80%；采用铬作为强碳化物形成元素，可以提高材料的耐磨性，同时，铬含量越高，强度越高、塑性越低，因此适当调整铬的加入量，将在不降低塑性的前提下，提高材料的强度等级，提高材料的耐磨性。
在本发明中，镍的重量百分比为0.45%～0.65%，镍对钢的强化效果较弱，但可显著提高钢的低温韧性，对于低温用钢应适当添加。重载货车车钩由于工况恶劣，所受的冲击力很大，因此本发明对镍含量进行了进一步优化。
在本发明中， 磷的重量百分比为小于等于0.03%，硫的重量百分比为小于等于0.03%；
本发明合金的添加含量总体较少，与E级钢材料的制造成本相当，塑性及韧性略优于E级钢，但材料的抗拉强度及屈服强度高于E级钢10%以上。因此，材料的综合力学性能明显优于E级钢，能够更好地满足我国高速重载货车牵引缓冲装置的需要。
为了进一步提高合金铸钢的性能，本发明还提供了一些优选的实施例，各个优选实施例按序号排列，依次为1～12。它们的组成成分如下表1所示，其对应的机械力学性能如下表2所示。
表1 化学成分(%)，其余为Fe及不可避免的杂质
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | Mo |
| 1 | 0.24 | 0.21 | 0.90 | 0.015 | 0.003 | 0.45 | 0.71 | 0.10 | 0.28 |
| 2 | 0.24 | 0.30 | 0.91 | 0.016 | 0.005 | 0.55 | 0.80 | 0.05 | 0.34 |
| 3 | 0.25 | 0.23 | 0.94 | 0.012 | 0.004 | 0.56 | 0.70 | 0.08 | 0.26 |
| 4 | 0.26 | 0.22 | 0.93 | 0.015 | 0.005 | 0.60 | 0.78 | 0.06 | 0.36 |
| 5 | 0.27 | 0.34 | 1.04 | 0.015 | 0.003 | 0.58 | 0.72 | 0.11 | 0.33 |
| 6 | 0.28 | 0.30 | 1.02 | 0.017 | 0.004 | 0.48 | 0.81 | 0.12 | 0.32 |
| 7 | 0.29 | 0.28 | 1.00 | 0.012 | 0.004 | 0.65 | 0.73 | 0.04 | 0.31 |
| 8 | 0.29 | 0.31 | 1.05 | 0.015 | 0.005 | 0.45 | 0.78 | 0.08 | 0.30 |
| 9 | 0.30 | 0.30 | 1.08 | 0.017 | 0.004 | 0.51 | 0.88 | 0.07 | 0.34 |
| 10 | 0.30 | 0.35 | 1.10 | 0.014 | 0.004 | 0.61 | 0.90 | 0.12 | 0.35 |
| 11 | 0.29 | 0.40 | 1.18 | 0.019 | 0.009 | 0.60 | 0.79 | 0.06 | 0.42 |
| 12 | 0.28 | 0.26 | 0.83 | 0.013 | 0.010 | 0.62 | 0.74 | 0.09 | 0.45 |
表2 机械力学性能
| 序号 | Rm (Mpa) | Rp0.2 (Mpa) | A4.52(%) | Z (%) | AKV（-40℃）/J |
| 1 | 940 | 805 | 18.0 | 44.5 | 80/69/75 |
| 2 | 970 | 835 | 16.5 | 54.5 | 59/62/56.5 |
| 3 | 1030 | 880 | 16.0 | 48.5 | 37/38/49 |
| 4 | 1000 | 895 | 17.5 | 48.5 | 37/39/40 |
| 5 | 1020 | 915 | 16.0 | 46.5 | 34/40/55 |
| 6 | 1040 | 880 | 15.0 | 48.5 | 33/38/40.5 |
| 7 | 1070 | 870 | 15.0 | 46.0 | 37.0/42/43 |
| 8 | 1080 | 965 | 16.0 | 48.0 | 40/35/35 |
| 9 | 1070 | 920 | 14.5 | 38.5 | 38.5/33.5/28.5 |
| 10 | 1100 | 995 | 14.5 | 37.5 | 47/48/44 |
| 11 | 1050 | 900 | 15.0 | 40.0 | 38//42/45 |
| 12 | 980 | 880 | 15.0 | 41.0 | 39/46/44 |
本发明的合金铸钢的机械力学性能测试按GB/T 228 金属材料 室温拉伸试验方法和GB/T 229 金属夏比缺口冲击试验方法进行。
该合金铸钢可用于铸造铁路部件，主要用于制作铁路货车的牵引缓冲装置，如车钩钩体、钩舌、车钩尾框等。该合金铸钢可以采用传统的电弧炉氧化还原法冶炼或者中频感应炉重熔法熔炼，冶炼方法简单，便于工业应用。
以下描述本发明的合金铸钢的热处理方法。本发明的具体实施方式中，在900℃～920℃范围内进行淬火热处理，具体的，首先淬火处理升温至900℃～920℃后保温3～5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至580～600℃后保温3～4小时，空冷或水冷；优先水冷处理，回火水冷工艺可以大大降低回火脆性，提高材料的低温冲击性能。
淬火温度对本发明力学性能的影响见图1和图2。
由图1、图2可知，随淬火温度的提高，本发明的优选实施方式的合金铸钢的强度提高，而塑性下降，在900℃～920℃范围内淬火，材料奥氏体晶粒度细小，处于8～10级，其综合力学性能较优，力学性能均能满足重载货车牵引缓冲装置力学性能要求，即抗拉强度大于等于930MPa，屈服强度大于等于795MPa，延伸率大于等于14%，断面收缩率大于等于35%，-40℃下V型缺口冲击吸收功大于等于27J。
本发明在不同的回火温度下测定对本发明的优选实施方式的合金铸钢的力学性能的影响如下图3和图4所示，随着回火温度的提高，合金铸钢的强度降低，塑性提高，而低温冲击韧性也逐渐升高。这是因为该合金铸钢经水淬后形成板条状低碳马氏体组织，该金相组织具有很高的强度，但塑性和韧性较差。经回火处理后，板条状低碳马氏体组织分解为回火索氏体组织。在较低温度下（540℃～560℃）回火马氏体已基本分解为索氏体组织，但有部分成片状Fe3C的存在，严重的割裂基体。从而使得合金铸钢强度较高，塑韧性不足。随着回火温度的进一步提高（温度达到580℃以上），板条状低碳马氏体组织充分分解，因此强度降低，塑韧性显著提高。随着回火温度的持续提高，板条状低碳马氏体组织分解更彻底，同时粒状碳化物和铁素体继续长大，因此合金铸钢的强度持续降低,塑性持续提高，即回火温度达到580℃～600℃，合金铸钢的综合力学性能最优。
本发明经淬火加回火处理后的金相组织为回火索氏体组织，其放大100倍的具体形态见图5、放大500倍的具体形态见图6。
本发明的合金铸钢可用来铸造铁路部件，尤其是货车牵引缓冲装置，如车钩钩体、钩舌或车钩尾框；也可以用来铸造其他有相似力学性能要求的部件，如齿轮、缓冲器、车钩附件、工程机械部件等。
Claims (14)
1.一种合金铸钢，其特征在于，其各组分及其重量百分比如下：碳0.24%～0.30%；硅0.20%～0.40%；锰0.80%～1.19%；磷小于等于0.030%；硫小于等于0.030%；铬0.70%～0.90%；镍0.45%～0.65%；钼0.25%～0.45%；铜小于等于0.30%，余量为铁以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述锰的重量百分比为0.81% ～ 1.18%。
3.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：锰的重量百分比为0.83% ～ 1.10%。
4.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述钼的重量百分比为0.28% ～ 0.45%。
5.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述钼的重量百分比为0.31%～ 0.45%。
6.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：前述铬的重量百分比位于0.70～0.89%之间。
7.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述铬为0.70% ～ 0.80%。
8.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于所述硅的重量百分比位于0.21%～0.39%。
9.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述硅的重量百分比位于0.21%～0.35%。
10.根据权利要求1所述的合金铸钢，其特征在于：所述合金铸钢的金相组织为回火索氏体组织。
11.一种货车牵引缓冲装置，其特征在于，其使用1～10任一权利要求所述的合金铸钢制造而成。
12.根据权利要求11所述的货车牵引缓冲装置，其特征在于，所述货车牵引缓冲装置为车钩钩体、钩舌或车钩尾框。
13.根据权利要求1～10任一所述的合金铸钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先淬火处理升温至900℃～920℃后保温3 ～ 5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至580 ～ 600℃后保温3 ～ 4小时，空冷。
14.根据权利要求1～10任一所述的合金铸钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先淬火处理升温至900℃～920℃后保温3 ～ 5小时，水淬；随后进行回火处理，升温至580 ～ 600℃后保温3 ～ 4小时，水冷。
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