CN103014296B - 车轴钢的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种车轴钢的热处理工艺。车轴钢的热处理工艺包括以下步骤：（1）一次正火：温度840-880℃，保温时间3-5小时，然后冷却至500℃以下；（2）二次正火：温度800-840℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下；（3）回火：温度660-690℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。本发明还公开了一种车轴采用上述热处理工艺制备而成。本发明解决了现有41CrMo钢没有与之配合的热处理工艺的问题，使41CrMo钢在保证强度的同时，提高了车轴钢的韧性，使热处理得到的车轴的综合性能得到大幅提升。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种车轴钢的热处理工艺。
背景技术
车轴是铁路货车的关键走行部件，其性能是保证车辆安全运行的必要条件，关乎国家铁路运输安全。目前各国的铁路货车车轴基本上都是采用上世纪90年代研制出LZ 50钢车轴，而铁路货车的轴重已从原来的21t、25t升级到现在的35.7t，现有L Z50钢车轴的韧性（材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力）已经无法满足不断提速、重载铁路货车的需要。
LZ 50钢的化学成分见表1，余量为铁。由表1可见：LZ 50钢中的含碳量为0.47~0.57，属于高碳钢，该钢的强化机理单一，仅利用较高的碳含量来提高强度（金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力），微量的Cr、Ni等合金仅保证了要求不高的塑性（金属材料在载荷下产生永久变形而不破坏的能力）。
表1 LZ 50钢化学成分
LZ 50钢车轴的力学性能指标如表2所示，强度（屈服强度和抗拉强度）不理想，易产生疲劳裂纹；同时韧性（冲击AKU2，金属材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力）也极差，而车轴的韧性是车轴考核的关键指标，车轴韧性不佳，易增加车轴突然断裂的倾向，严重影响了车轴的使用寿命，给铁路运输安全带来了隐患。
表2 LZ 50钢车轴的力学性能指标
| 屈服点 | 抗拉强度 | 收缩率 | 伸长率 | 冲击AKU2（J） |
| (MPa) | (MPa) | (%) | (%) | 车轴坯纵向 | 车轴坯横向 |
| ≥345 | ≥610 | ≥35 | ≥21 | ≥22 | ≥18 |
此外，由于LZ 50钢中合金元素较少，在热处理过程中车轴晶粒的异常长大难以保证，致使LZ 50钢车轴在生产中经常出现混晶的现象，晶粒度为3-6级，晶粒粗大导致该钢拉伸和冲击性能不佳，且耐腐蚀性能也随之减弱，严重影响了车轴的力学性能。
从提高铁路运输安全，减少疲劳裂纹的产生，降低车轴突然断裂的倾向出发，提高车轴的强度和韧性指标至关重要，合理的热处理工艺是保证车轴性能的技术关键。不同化学成分的钢材需要配备对应的热处理工艺，设计和研发一种高强度和高韧性的车轴钢及相对应的热处理工艺是亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述热处理工艺的问题，提出一种车轴钢的热处理工艺，以实现制备得到的车轴具有高强度和高韧性的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种车轴钢的热处理工艺，包括以下步骤：
（1）一次正火：温度840-880℃，保温时间3-5小时，然后冷却至500℃以下；
（2）二次正火：温度800-840℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下；
（3）回火：温度660-690℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。
进一步地，所述一次正火：温度860-870℃，保温时间3-5小时，然后冷却500℃以下。
进一步地，所述二次正火：温度820-830℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下。
进一步地，所述回火：温度670-680℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。
进一步地，所述一次正火冷却速度为将车轴钢在40-60min冷却至500℃以下。
进一步地，所述二次正火冷却速度为将车轴钢在80-120min冷却至250℃以下。
进一步地，所述一次正火和二次正火的升温速度为2-10℃/min
本发明的另一个目的还公开了一种车轴，采用上述热处理工艺制备而成。
本发明公开了一种车轴钢的热处理工艺，通过两次正火一次回火，得到了晶粒度均匀细化，且强度高、韧性高的41CrMo钢车轴，满足不断提速、重载铁路货车的需要。
具体实施方式
为满足不断革新的铁路货车的需要，研制了新型车轴用41CrMo钢，41CrMo钢的化学成分如表3所示。
表3 41CrMo钢的化学成分（余量为铁及其他不可避免的元素）
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钢的强度。优选地，所述车轴钢中C 0.38-0.41%。
在降低车轴钢组分中的碳含量的同时调低Si、Mn元素含量上限，可提高钢的韧性。优选地，所述车轴钢中Mn 0.60-0.70%。
本发明车轴钢包含0.90-1.2%的Cr，可增加车轴钢的淬透性，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。优选的，车轴钢中Cr1.0-1.1%，
但在车轴钢中添加Cr元素会使车轴钢在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，本发明通过回火后风冷，来消除回火脆性。通过向车轴钢中添加0.15-0.30%的Mo，可促使晶粒进一步细化，提高车轴钢的力学性能，优选的，所述车轴钢中Mo0.20-0.25%。增加Cr和Mo元素含量，有利于补充钢强度的下降，同时提高韧性和延展性。
本发明车轴钢包含0.10-0.25%的Ni，在提高钢强度的同时，可提高车轴钢的抗酸性和韧性，提高韧性的机理是使材料基体在低温下易于交叉滑移。
本发明车轴钢包含0.020-0.050％的Alt，和0.07-0.12%的V，可以避免因晶粒度粗化，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，本发明车轴钢晶粒度级别＞6级，比LZ 50钢晶粒度水平高1-2级。对Al元素含量控制的加严，保证了钢水的脱氧量，同时保证了钢水中适量的氮化铝，细化晶粒的同时又不影响钢的韧性。V元素的添加还可提高钢的强度和韧性。
添加并控制Cr、Cu、Mo元素的含量，能提高钢的耐磨性和耐腐蚀性。降低P、S含量，有利于降低钢的脆性倾向。
为使车轴具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用41CrMo钢和车轴成形工艺外，合理的热处理工艺也是必不可少的。钢的热处理工艺是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构，来控制其性能的一种金属热加工工艺。
本发明提供了一种车轴钢的热处理工艺，具体的提供了一种车轴41CrMo钢的热处理工艺，包括以下步骤：
首先将41CrMo钢锻压成型，然后依次对锻压成型的钢件进行一次正火、二次正火和一次回火；
一次正火：将车轴钢在温度840-880℃，保温3-5小时，然后冷却至500℃以下；优选的所述一次正火：将车轴钢在温度860-870℃，保温3-5小时，然后冷却至500℃以下；上述一次正火冷却速度为将车轴钢在40-60min冷却至500℃以下，以使车轴钢快速的冷却至奥氏体以下，利于晶粒细化和碳化物分布均匀化。该冷却时间可根据车轴的粗细进行调节。在钢件受热均匀的前提下，为了缩短车轴钢的热处理周期，本发明中一次正火的升温速度为4℃/min。
二次正火：将车轴钢在温度800-840℃，保温3-5小时，然后冷却至250℃以下；优选的所述二次正火：将车轴钢在温度820-830℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下；上述二次正火冷却速度为将车轴钢在80-120min冷却至250℃以下，该冷却时间也可根据车轴的粗细进行调节。在钢件受热均匀的前提下，为了缩短车轴钢的热处理周期，本发明中二次正火的升温速度为4℃/min。本发明车轴采用两次正火原因：锻造产品由于锻造加热温度过高，且一般不进行精确控制，因此锻造后锻件中的组织和晶粒度是非常不均匀的，通过第一次正火，调整锻造的组织和晶粒度，使其均匀化，之后采用温度稍低于一次正火的温度进行二次正火，以进一步提高锻件的性能。
回火：将车轴钢在温度660-690℃，保温3-5小时，然后冷却至室温。优选的所述回火：将车轴钢在温度670-680℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。
还可以理解，上述冷却可以采用空冷、水冷、喷雾冷却或其他常规冷却方式。
本发明充分考虑车轴41CrMo钢的成分特点，有针对性的设计一次、二次正火温度和时间，使车轴的强度指标提高，充分的利用V元素的抗回火和细化晶粒的特性，将回火温度提高到660-690℃，使热处理工艺得到的车轴具有较好韧性和塑性。经本发明车轴钢热处理工艺处理后的41CrMo钢车轴的力学性能如表4。
表4 41CrMo钢车轴的力学性能
综上，本发明通过两次正火一次回火的热处理工艺，得到了高强度、高韧性（冲击AKU2）的41CrMo钢车轴，使41CrMo车轴的综合性能得到大幅提升。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例采用的车轴41CrMo钢的成分如表5所示，
表5实施例1车轴41CrMo钢的成分（余量为铁及其他不可避免的元素）
本实施例的热处理工艺为：
将41CrMo钢采用常规的锻压工艺锻压成车轴形，然后依次对锻压成型的车轴进行一次正火、二次正火和一次回火；
采用连续式悬挂热处理炉进行正火和退火处理，两个挂车为一组，每个挂车上放置有三根车轴，每节拍向热处理炉中输送一组，所述每节拍为40-60min，节拍的长短可根据车轴的粗细进行调节；
一次正火：温度870℃，保温时间3.5小时，然后在50min内冷却至450℃；
二次正火：温度830℃，保温时间3.5小时，然后在100min内冷却至230℃；
回火：温度670℃，保温时间3.5小时，然后冷却至室温。
经上述热处理得到的车轴41CrMo钢车轴的力学性能，采用GB/T229-1994进行检测，检测结果如表6所示。
表6实施例1车轴41CrMo钢车轴的力学性能
经本实施例热处理工艺处理的车轴的力学性能优异，其强度高，减少了疲劳裂纹的产生；韧性（冲击KU2）高，有效降低了车轴突然断裂的倾向。此外，经本实施例热处理工艺处理的车轴经耐磨、耐腐蚀实验检测，其耐磨性、耐腐蚀性也符合铁路匀速的需要。即，采用本实施例热处理得到的41CrMo钢车轴满足车轴在不同受荷状态下提速、重载的需要。
实施例2
本实施例采用的车轴41CrMo钢的成分如表7所示，
表7实施例2车轴41CrMo钢的成分（余量为铁及其他不可避免的元素）
本实施例的如处理工艺为：
首先将41CrMo钢采用常规的锻压工艺锻压成车轴形，然后依次对锻压成型的车轴进行一次正火、二次正火和一次回火；
一次正火：温度850℃，保温时间5小时，然后在40min内冷却至400℃；
二次正火：温度820℃，保温时间5小时，然后在80min内冷却至200℃；
回火：温度680℃，保温时间4小时，然后冷却至室温。
车轴钢的力学性能，检测结果如表8所示。
表8实施例2车轴41CrMo钢车轴的力学性能
经本实施例热处理工艺处理的车轴的力学性能优异，具有高强度、高韧性和晶粒度级别高的优点。也满足车轴在不同受荷状态下提速、重载的需要。
实施例3
本实施例采用的车轴41CrMo钢的成分如表9所示，
表9实施例3车轴41CrMo钢的成分（余量为铁及其他不可避免的元素）
本实施例的如处理工艺为：
首先将41CrMo钢采用常规的锻压工艺锻压成车轴形，然后依次对锻压成型的车轴进行一次正火、二次正火和一次回火；
一次正火：温度860℃，保温时间3小时，然后在60min内冷却至400℃；
二次正火：温度840℃，保温时间3小时，然后在120min内冷却至200℃；
回火：温度690℃，保温时间4小时，然后冷却至室温。
经上述热处理得到的车轴41CrMo钢车轴的力学性能检测结果如表10所示。
表10实施例3车轴41CrMo钢车轴的力学性能
与实施例1和实施例2相同，经本实施例热处理工艺处理的车轴的力学性优异。尤其是韧性（冲击KU2）高，有效降低了车轴突然断裂的倾向。
本发明不局限与上述实施例所描述的车轴钢的热处理工艺，热处理设备的改变、升温速率的改变均在本发明的保护范围之内。
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 (4)
1.一种车轴钢的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)一次正火：温度840-880℃，保温时间3-5小时，然后冷却至500℃以下；
(2)二次正火：温度800-840℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下；
(3)回火：温度660-690℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温；
其中，所述车轴采用41CrMo钢，其成分包括：碳元素含量0.38-0.44％，硅元素含量0.17-0.37％，锰元素含量0.60-0.80％，磷元素含量小于等于0.020％，硫元素含量小于等于0.010％，镍元素含量0.10-0.25％，铬元素含量0.90-1.20％，铝元素含量0.020-0.050％，铜元素含量0.08-0.20％，钒元素含量0.07-0.12％，钼元素含量0.15-0.30％，余量为铁及其他不可避免的杂质；所述一次正火冷却速度为：将车轴钢在40-60min冷却至500℃以下，所述二次正火冷却速度为：将车轴钢在80-120min冷却至250℃以下，所述一次正火和二次正火的升温速度为2-10℃/min。
2.根据权利要求1所述车轴钢的热处理工艺，其特征在于，所述一次正火：温度860-870℃，保温时间3-5小时，然后冷却500℃以下。
3.根据权利要求1所述车轴钢的热处理工艺，其特征在于，所述二次正火：温度820-830℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下。
4.根据权利要求1所述车轴钢的热处理工艺，其特征在于，所述回火：温度670-680℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。
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