CN103725963A - 一种用于铸造焊接型转向架中铸钢件的金属合金及钢铸件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：0.15wt%～0.25wt%的碳；0.21wt%～0.50wt%的硅；0.49wt%～1.00wt%的锰；0.02wt%～0.06wt%的铝；≤0.035wt%的磷；≤0.035wt%的硫；≤0.30wt%的铜；余量为铁。本发明提供的金属合金中的合金元素以碳、锰和硅为主，各组分的含量符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，且具有较好的力学性能。实验结果表明，本发明提供的金属合金具有较好的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冲击功，具体的，本发明提供的金属合金的伸长率可高达31.0%。
Description
技术领域
本发明涉及金属合金技术领域，尤其涉及一种用于铸造焊接转向架中铸钢件材料的金属合金及钢铸件。
背景技术
Y25Lsd1焊接型转向架是欧洲铁路货车的主型转向架，主要由两侧梁、横梁、下心盘，旁承座、旁承体、两端梁、纵向梁、弹簧盖体及导框等组成。其中，五种构件：弹簧盖体、第一导框、第二导框、旁承体和旁承座，需要采用铸造的方式生产。现有技术中，铸造这五种构件的材料牌号为E230-400MS(C2)，其化学成分和力学性能需符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，参见表1和表2，表1为UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》规定的化学成分的质量含量，表2为UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》规定的力学性能参数；
表1UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》规定的化学成分的质量含量(%)
| 牌号 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | P | S |
| E230-400MS(C2) | ≤0.25 | ≤0.50 | ≤1.0 | ≤0.25 | ≤0.35 | ≤0.10 | ≤0.04 | ≤0.04 |
表2UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》规定的力学性能参数
| 牌号 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 伸长率 | 冲击功+20℃/AKv |
| E230-400MS(C2) | ≥230 | ≥400 | 25% | ≥30J |
我国现有转向架中5种构件主要的生产方式为造型-制芯-冶炼-浇注-清理的工艺。用于铸造5种构件的材质为B级钢，牌号为ZG25MnNi。牌号为ZG25MnNi的B级钢的化学成分的质量含量和力学性能参数见表3和表4，表3为现有技术中牌号为ZG25MnNi的B级钢的化学成分的质量含量，表4为现有技术中牌号为ZG25MnNi的B级钢的力学性能参数；
表3现有技术中牌号为ZG25MnNi的B级钢的化学成分的质量含量(%)
表4现有技术中牌号为ZG25MnNi的B级钢的力学性能参数
| 牌号 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 伸长率 | 断面收缩率 | 冲击功-7℃/AKv |
| ZG25MnNi | ≥260MPa | ≥485MPa | 24% | 36% | ≥20J |
由表1可以看出，现有技术采用的牌号为ZG25MnNi的B级钢的化学成分中C、Ni元素含量超出UIC840-2中成分的范围，且伸长率低于UIC840-2中力学性能的要求。材质成分和力学性能都不符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于焊接型转向架中铸钢件材料的金属合金及钢铸件，本发明提供的金属合金具有较好的力学性能，且满足批量生产的需求。
本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：
0.15wt%～0.25wt%的碳；
0.21wt%～0.50wt%的硅；
0.49wt%～1.00wt%的锰；
0.02wt%～0.06wt%的铝；
≤0.035wt%的磷；
≤0.035wt%的磷硫；
≤0.30wt%的铜；
余量为铁。
优选的，包括0.16wt%～0.22wt%的碳。
优选的，包括0.25wt%～0.45wt%的硅。
优选的，包括0.55wt%～0.90wt%的锰。
优选的，包括0.60wt%～0.85wt%的锰。
优选的，包括≤0.030wt%的磷。
优选的，包括≤0.030wt%的硫。
优选的，包括0.02wt%～0.05wt%的铝。
本发明提供了焊接型转向架中的钢铸件，包括弹簧盖体、第一导框、第二导框、旁承体和旁承座中的一种或几种，所述钢铸件由上述技术方案所述的金属合金铸造而成。
优选的，所述铸造为：
将包含所述金属合金组分的熔融液对所述钢铸件的模型进行浇注，得到所述钢铸件，所述浇注的温度为1560℃～1580℃。
本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：0.15wt%～0.25wt%的碳；0.21wt%～0.50wt%的硅；0.49wt%～1.00wt%的锰；0.02wt%～0.06wt%的铝；≤0.035wt%的磷；≤0.035wt%的硫；≤0.30wt%的铜；余量为铁。本发明提供的金属合金中的合金元素以碳、锰和硅为主，各组分的含量符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，且具有较好的力学性能。实验结果表明，本发明提供的金属合金具有较好的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冲击功，具体的，本发明提供的金属合金的伸长率可高达31.0%。
具体实施方式
本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：
0.15wt%～0.25wt%的碳；
0.21wt%～0.50wt%的硅；
0.49wt%～1.00wt%的锰；
0.02wt%～0.06wt%的铝；
≤0.035wt%的磷；
≤0.035wt%的硫；
≤0.30wt%的铜；
余量为铁。
本发明提供的金属合金的各组分的含量和力学性能完全符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，且适合于大批量生产。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括0.15wt%～0.25wt%的碳，优选为0.16wt%～0.22wt%的碳，在本发明的实施例中，所述碳在所述金属合金中的质量含量可具体为0.16wt%、0.17wt%、0.18wt%、0.19wt%、0.20wt%或0.22wt%。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括0.21wt%～0.50wt%的硅，优选为0.25wt%～0.45wt%的硅，更优选为0.30wt%～0.40wt%的硅。在本发明的实施例中，所述硅在所述金属合金中的质量含量可具体为0.28wt%、0.30wt%、0.31wt%、0.33wt%、0.35wt%、0.36wt%、0.39wt%或0.45wt%。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括0.49wt%～1.00wt%的锰，优选为0.55wt%～0.90wt%的锰，更优选包括0.60wt%～0.85wt%的锰。在本发明的实施例中，所述锰在所述金属合金中的质量含量可具体为0.49wt%、0.55wt%、0.60wt%、0.65wt%、0.69wt%、0.71wt%、0.74wt%、0.83wt%、0.85wt%、0.90wt%或1.00wt%。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括0.02wt%～0.06wt%的铝，优选为0.02wt%～0.05wt%的铝。在本发明的实施例中，所述铝在所述金属合金中的质量含量可具体为0.02wt%、0.03wt%、0.04wt%、0.05wt%或0.06wt%。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括≤0.035wt%的磷；在本发明中，具体的，所述磷的质量含量优选≤0.030wt%，更优选≤0.025wt%；
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括≤0.035wt%的硫；在本发明中，具体的，所述硫的质量含量优选≤0.030wt%，更优选≤0.025wt%。
本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金包括≤0.30wt%的铜，在本发明中，铜是由于各种炉料融化后，带入熔融钢水中，不是人为添加的，铜为不可避免的杂质，本领域技术人员可根据上述对铜质量含量的限制，选择合适纯度的炉料。
在本发明中，所述用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金还包括余量的铁。
本发明对所述金属合金的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的金属合金冶炼的方法进行制备即可，如可以采用本领域技术人员熟知的氧化法进行冶炼，得到上述技术方案所述的金属合金。在本发明的实施例中，所述金属合金的制备方法可具体为：
将铁源和石灰混合熔化，得到钢液；
将所述钢液与石灰和矿石混合，在氧气氛围中进行氧化，得到氧化的钢液；
将所述氧化钢液与锰源、硅源、铝源和还原剂混合，进行还原，得到上述技术方案所述的金属合金。
在工业生产中，本发明在将铁源与石灰混合熔化前，优选进行补炉，将炉体损坏的部位进行修补，以保证下一炉钢的正常冶炼。本发明对所述补炉的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的补炉的技术方案即可。
本发明优选将铁源和石灰加入补炉后的炉膛内，通电对物料进行熔化，得到钢液。在所述熔化的过程中，物料中的磷被部分去除，从而保证得到的金属合金中磷的含量。在本发明中，所述石灰的质量优选为所述铁源总质量的2wt%～7wt%，更优选为3wt%～6wt%。在本发明中，为了加速物料的熔化和节省用电量，在工业生产中，本发明优选在所述熔化过程中采用吹氧助熔，提高所述熔化的速率和钢液的质量。本发明在所述熔化过程中，封堵熔化炉的钢口。在本发明中，所述通电的电压优选为140V～150V，所述通电的电流优选为4000A。
得到钢液后，本发明将所述钢液与石灰和矿石混合，在氧气氛围中进行氧化，得到氧化的钢液。在本发明中，所述氧化过程中能够最大限度地降低钢液中的磷含量，并且除去钢液中的气体，如氮气和/或氢气以及夹杂物，所述氧化过程将钢液的温度加热到稍高于出钢温度。在本发明中，所述矿石的加入量优选为每批不超过料重1wt%；所述石灰的加入量优选以铺满钢液液面为准，所述矿石优选是以Fe2o3和Fe3o4为主混合物。在本发明中，所述氧化的温度优选不低于1560℃。
本发明在完成所述氧化过程后，停电，扒除炉内的氧化渣，并用石灰和萤石造新渣，准备进行还原。在本发明中，所述还原过程能够除去钢中的硫含量，脱氧，并且调整钢液的化学成分和温度。本发明对所述碳源、硅源、锰源、铝源的种类没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的碳源、硅源、锰源、铬源、铝源即可，如可以采用碳粉、硅铁粉、锰铁、硅铁或硅锰合金。本发明对所述还原的条件没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的炼钢过程中还原的技术方案即可，在本发明中，当钢液成分符合扒渣要求时进行还原，且所述钢液温度等于或稍高于出钢温度，本发明对此没有特殊的限制。
在工业生产过程中，所述金属合金的制备方法可具体为：
（1）补炉：补炉是指当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行修补，以保证下一炉钢的正常冶炼；
（2）装料：装料是指将固体炉料（按冶炼钢种要求配入的废钢铁料及少量石灰）装入炉膛内。采用炉体开出，用吊车吊起料罐将炉料一次加入炉膛内；
（3）熔化期：从通电开始到炉料全部熔清的阶段称为熔化期。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并且要求去除部分的磷。为了加速炉料的熔化和节省用电量，在熔化期一般采用吹氧助熔。此外，同时堵好出钢口；
（4）氧化期：当炉料全部熔清后取样分析进入氧化期。这阶段的任务为：1）最大限度地降低钢液中的磷含量；2）去除钢中气体（氮、氢）及夹杂物；3）将钢液温度加热到稍高于出钢温度。为完成上述任务，必须向炉内加入石灰、矿石，进行吹氧、流渣等项操作。当氧化期结束时，要将炉渣扒掉；
（5）还原期：停电扒除氧化渣后，用石灰、萤石造新渣，开始进入还原期。还原期的主要任务为：1）去除钢中的硫含量；2）脱氧；3）调整钢液化学成分及温度。还原期操作时要分批向炉渣面均匀加入碳粉、硅铁粉，设法使炉渣颜色变白并保持白渣，并向熔池中加入锰铁、硅铁以及冶炼钢种所需要的铁合金。为了最终脱氧，还要向钢液内插铝块；
（6）出钢：出钢是指将经过冶炼符合要求的钢液，从出钢口处倾入盛钢桶。然后进行合金的浇注。
本发明提供了焊接型转向架中的钢铸件，包括弹簧盖体、第一导框、第二导框、旁承体和旁承座中的一种或几种，所述钢铸件由上述技术方案所述的金属合金铸造而成。
本发明对所述铸造的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的钢铸件铸造的技术方案即可。在本发明中，所述铸造优选具体为：
将包含所述金属合金组分的熔融液对所述钢铸件的模型进行浇注，得到所述钢铸件，所述浇注的温度为1560℃～1580℃。
本发明优选根据所需钢铸件的参数进行造型，得到钢铸件的模型，本发明对所述造型的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的造型的技术方案即可，如可以采用酯硬化水玻璃砂造型线，在本发明中，所述造型的时间优选不超过4小时。
完成所述造型后，本发明将得到的模型前体进行合箱，得到钢铸件的模型。本发明对所述合箱的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的合箱的技术方案即可，在本发明中，所述合箱的时间优选不超过4小时。
得到所述钢铸件的模型后，本发明将包括所述金属合金组分的熔融液对所述钢铸件的模型进行浇注，得到钢铸件，所述浇注的温度优选为1560℃～1580℃。本发明优选将上述技术方案所述方法得到的符合合金组分的钢液对所述钢铸件模型进行浇注。
完成所述浇注后，本发明优选将得到的浇铸件静置不少于6小时后进行清理，得到钢铸件。本发明对所述清理的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的清理的技术方案即可，如可以采用抛头式抛丸设备对铸件清砂。
本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：0.15wt%～0.25wt%的碳；0.21wt%～0.50wt%的硅；0.49wt%～1.00wt%的锰；0.02wt%～0.06wt%的铝；≤0.035wt%的磷；≤0.035wt%的硫；≤0.30wt%的铜；余量为铁。本发明提供的金属合金中的合金元素以碳、锰和硅为主，各组分的含量符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，且具有较好的力学性能。实验结果表明，本发明提供的金属合金具有较好的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冲击功，具体的，本发明提供的金属合金的伸长率可高达31.0%。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1～6
按照表5所示的组分含量对铁源、碳源、硅源、锰源、铝源进行配比，按照下述流程制备得到金属合金。
（1）补炉：当上炉出钢完后，需要迅速将炉体损坏的部位进行修补，以保证下一炉钢的正常冶炼；
（2）装料：将固体炉料（按冶炼钢种要求配入的废钢铁料及少量石灰）装入炉膛内。采用炉体开出，用吊车吊起料罐将炉料一次加入炉膛内；
（3）熔化期：通电到炉料全部熔清。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并且要求去除部分的磷。为了加速炉料的熔化和节省用电量，在熔化期一般采用吹氧助熔。此外，同时堵好出钢口；
（4）氧化期：当炉料全部熔清后取样分析进入氧化期。这阶段的任务为：1）最大限度地降低钢液中的磷含量；2）去除钢中气体（氮、氢）及夹杂物；3）将钢液温度加热到稍高于出钢温度。为完成上述任务，必须向炉内加入石灰、矿石，进行吹氧、流渣等项操作。当氧化期结束时，要将炉渣扒掉；
（5）还原期：停电扒除氧化渣后，用石灰、萤石造新渣，开始进入还原期。还原期的主要任务为：1）去除钢中的硫含量；2）脱氧；3）调整钢液化学成分及温度。还原期操作时要分批向炉渣面均匀加入碳粉、硅铁粉，设法使炉渣颜色变白并保持白渣，并向熔池中加入锰铁、硅铁以及冶炼钢种所需要的铁合金。为了最终脱氧，还要向钢液内插铝块；
（6）出钢：出钢是指将经过冶炼符合要求的钢液，从出钢口处倾入盛钢桶。然后进行合金的浇注，得到钢铸件。
表5本发明实施例1～6得到的金属合金的组分含量
| 实施例 | C | Si | Mn | Al | P | S | Cu | Fe |
| 1 | 0.19 | 0.39 | 0.83 | 0.02 | 0.020 | 0.016 | 0.08 | 余量 |
| 2 | 0.17 | 0.36 | 0.69 | 0.03 | 0.021 | 0.017 | 0.10 | 余量 |
| 3 | 0.22 | 0.35 | 0.74 | 0.04 | 0.017 | 0.015 | 0.07 | 余量 |
| 4 | 0.20 | 0.31 | 0.71 | 0.03 | 0.018 | 0.013 | 0.12 | 余量 |
| 5 | 0.18 | 0.33 | 0.74 | 0.02 | 0.024 | 0.015 | 0.18 | 余量 |
| 6 | 0.16 | 0.28 | 0.65 | 0.04 | 0.022 | 0.010 | 0.10 | 余量 |
本发明对得到的金属合金的力学性能进行测试，结果如表6所示，表6为本发明实施例1～6得到的金属合金的力学性能测试结果。
表6本发明实施例1～6得到的金属合金的力学性能测试结果
由表6可以看出，本发明提供的金属合金具有良好的力学性能，完全满足UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》中关于力学性能的规定。
由以上实施例可知，本发明提供了一种用于铸造焊接型转向架中钢铸件的金属合金，包括以下组分：0.15wt%～0.25wt%的碳；0.21wt%～0.50wt%的硅；0.49wt%～1.00wt%的锰；0.02wt%～0.06wt%的铝；≤0.035wt%的磷；≤0.035wt%的硫；≤0.30wt%的铜；余量为铁。本发明提供的金属合金中的合金元素以碳、锰和硅为主，各组分的含量符合UIC840-2《机车车辆用铸钢件供货技术条件》的要求，且具有较好的力学性能。实验结果表明，本发明提供的金属合金具有较好的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冲击功，具体的，本发明提供的金属合金的伸长率可高达31.0%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种金属合金，包括以下组分：
0.15wt%～0.25wt%的碳；
0.21wt%～0.50wt%的硅；
0.49wt%～1.00wt%的锰；
0.02wt%～0.06wt%的铝；
≤0.035wt%的磷；
≤0.035wt%的硫；
≤0.30wt%的铜；
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括0.16wt%～0.22wt%的碳。
3.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括0.25wt%～0.45wt%的硅。
4.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括0.55wt%～0.90wt%的锰。
5.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括0.60wt%～0.85wt%的锰。
6.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括≤0.030wt%的磷。
7.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括≤0.030wt%的硫。
8.根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，包括0.02wt%～0.05wt%的铝。
9.焊接型转向架中的钢铸件，包括弹簧盖体、第一导框、第二导框、旁承体和旁承座，其特征在于，所述钢铸件由权利要求1～8任意一项所述的金属合金铸造而成。
10.根据权利要求9所述的钢铸件，其特征在于，所述铸造为：
将包含所述金属合金组分的熔融液对所述钢铸件的模型进行浇注，得到所述钢铸件，所述浇注的温度为1560℃～1580℃。
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