CN105821308A - 一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，包括如下步骤：(1)第一次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温；(2)第二次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度850～880℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后冷却；(3)回火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度620～680℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。处理后的钢材呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。

Description

一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺
技术领域
本发明涉及合金钢领域，具体涉及适用于抗拉强度800～950MPa、屈服强度≥650MPa、-40℃KV2≥150J，同时要求具有优异的抗疲劳性能的高速动车组车轴用钢热处理工艺。
背景技术
车轴是各种车辆中涉及安全的最重要的运动和承载部件之一。由于车轴承受着动载荷，受力状态比较复杂，如弯曲载荷、扭转载荷、弯扭复合载荷，并受到一定冲击，特别是高速动车组车轴，其受力状态更为复杂。因此，高速动车组车轴在服役过程中可能会因为疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力等而发生断裂，其中疲劳断裂是高速车轴的普遍断裂形式。为确保车辆的安全运行，高速动车组车轴必须具有足够的可靠性和疲劳安全系数。高速动车组车轴材料是决定车轴使用寿命和可靠性的关键因素之一，因此，国内外十分重视对高速动车组车轴用钢的研发和疲劳性能的研究。
随着我国高速铁路的快速发展，对动车组车轴的需要急剧增加，但目前仍主要依赖于进口，因此，迫切需要开发适用于我国铁路发展特点的高强高韧及长疲劳寿命的新材质车轴钢。近年来，国内外开展了抗疲劳破坏车轴钢的研究开发。如中国专利申请201110417295.9中的抗疲劳破坏车轴钢，仍然采用传统中碳车轴钢的高C含量思路，C含量(0.42～0.45％)较高，这使得钢的韧性较差，无法满足动车组车轴对韧性的要求，且抗疲劳性能改善的幅度有限高。中国专利申请201210384581.4中的一种新型空心车轴用合金钢，尽管碳含量较低，具有较好的强韧性配合，但疲劳强度仍较低。从欧洲引进的动车组车轴主要采用调质处理的合金钢EA4T，虽然给出了化学成分及力学性能要求，但没有给出关键热处理工艺参数，更重要的是钢中的影响淬透性的合金元素含量偏低，导致大规格的动车组车轴内部的组织(存在不允许存在的铁素体)和性能(近心部强度、韧性和疲劳性能偏低)往往难以达到标准的要求。这些均在实际应用中受到了限制，更为关键的是车轴钢抗疲劳性能改善的幅度均有限，影响其推广应用。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种抗拉强度800～950MPa、屈服强度≥650MPa、-40℃KV2≥150J，同时要求具有优异的抗疲劳性能的高速动车组车轴用钢热处理工艺。具体技术方案如下：
一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，包括如下步骤：
(1)第一次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温；
(2)第二次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度850～880℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后冷却；
(3)回火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度620～680℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。
进一步地，步骤(1)-(3)中加热速度均为50～100℃/h。
进一步地，步骤(2)中，在淬火槽中，通过喷嘴对车轴进行水下喷水快速水冷至室温。
进一步地，步骤(2)中，冷却速度控制在1.5～2.5℃/s。
进一步地，步骤(1)中以80℃/h加热至温度900℃，加热保温时间270min，水冷。
进一步地，步骤(2)中以80℃/h加热至温度880℃，加热保温时间270min，快速水冷。
进一步地，步骤(3)中以80℃/h加热至温度650℃，加热保温时间420min，空冷。
进一步地，其应用于含钒铌高速动车组车轴用钢生产工艺，具体包括如下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“第一次淬火+第二次淬火+高温回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
进一步地，步骤(1)-(3)中高速动车组车轴最大直径为Φ200mm、长度达2200mm。
采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺工艺参数生产的含钒铌高速动车组车轴用钢，测定钢材的纵向力学性能可达到：Rm：800MPa～950MPa，ReL或Rp0.2≥650MPa，A≥18％，Z≥40％，-40℃纵向冲击吸收功KV2≥150J；断裂韧性KQ值≥120MPa·m1/2；光滑试样的旋转弯曲疲劳极限RfL≥400MPa，缺口试样的旋转弯曲疲劳极限RfE≥330MPa，缺口敏感性RfL/RfE≤1.15；过盈量为0.04mm试样的微动疲劳极限≥225MPa；盐雾腐蚀14循环周次试样的腐蚀疲劳极限为≥285MPa；钢材的奥氏体晶粒度大于等于8.0级；高速动车组车轴“调质(淬火+高温回火)”热处理后钢的组织为回火索氏体+少量下贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为100％，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在85～95％。
具体实施方式
下面对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
在一个优选实施例中，一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，包括如下步骤：(1)第一次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温；(2)第二次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度850～880℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后冷却；(3)回火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度620～680℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。
在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：(1)适当降低传统碳素车轴钢中的C元素含量，改善钢的韧性和塑性；(2)向钢中添加Ni、Cu元素改善钢的淬透性和耐蚀性，并加入微量的Zr、Nb、V、[N]元素以细化晶粒，从而提高钢的韧性特别是低温韧性，并改善钢的强度和韧性配合，提高钢的抗疲劳性能；(3)加入适量的Ca元素，对钢中的夹杂物进行变性处理，同时严格控制钢中杂质元素T[O]、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的抗疲劳破坏性能和较低的成本。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.03～0.06，Nb：0.015～0.040，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，[N]：0.0040～0.0060，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余为Fe和其它不可避免的杂质。
上述各元素的作用及配比依据如下：
C：C元素是车轴钢获得高的强度、硬度所必需的。传统车轴钢中的C含量较高，如目前铁路货车车轴用钢LZ50中的碳含量为0.50％左右。高的C含量虽然对钢的强度、硬度等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.30％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度和所必须的疲劳性能，C含量须在0.24％以上，因而C含量宜控制为0.24～0.30％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.20～0.40％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，含量小于0.70％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在1.00％以下。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.90～1.20％。
Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。考虑到经济性，控制Ni含量为0.80～1.30％。
Mo：Mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高。Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.20～0.30％。
Cu：Cu在固溶强化、提高淬透性方面与Ni相似。同时，在钢中加入铜还可提高钢的抗腐蚀疲劳性能，因为细小的Cu沉淀阻滞了疲劳的初期阶段脉状结构的形成，并且铜析出物具有良好的塑性，可阻碍疲劳裂纹的扩展；另外，Cu还有一定的提高钢耐蚀性作用；从而提高钢的腐蚀疲劳强度。但Cu含量过高，钢在加热轧制或锻造过程中容易引起热脆。综合考虑，范围可控制在0.10～0.60％。
Zr：加入少量锆有脱气、净化和细化晶粒作用，有利于提高钢的低温冲击性能和强度、疲劳性能指标。综合考虑，范围可控制在0.010～0.040％。
V：V是强碳化物形成元素，与C结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。V含量低于0.03％，上述作用不明显；V含量高于0.10％，上述作用饱和，且提高钢的成本。因而控制V含量为0.03～0.06％。
Nb：Nb对车轴钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.015％～0.040％。
Ca：Ca具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。Ca含量小于0.001％起不到上述作用，但含量超过0.005％，则加入相当困难，且夹杂物量增多。因而控制Ca含量为0.001～0.005％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.012％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在0.008％以下。
[N]：当钢中有V、Al、Nb、Ti等存在时，氮会与它们形成碳氮化物，能阻止奥氏体再结晶，细化晶粒，提高钢的韧性，并能提高钢的强度。如氮含量偏高，会以固溶状态存在，从而恶化钢的韧塑性指标。综合考虑，范围可控制在0.0040～0.0060％。
T[O]：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0015％以下。
本发明含钒铌高速动车组车轴用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“第一次淬火+第二次淬火+高温回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
本发明关键的热处理工艺步骤如下：
(1)第一次淬火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒铌高速动车组车轴用钢加热(加热速度为50～100℃/h)至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温。经第一次淬火后不仅细化了晶粒,而且改善了组织的不均匀性,为随后的最终热处理做好组织准备。
(2)第二次淬火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒铌高速动车组车轴用钢加热(加热速度为50～100℃/h)至温度850～880℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后在淬火槽中，通过喷嘴对车轴进行水下喷水快速水冷(冷却速度控制在1.5～2.5℃/s)至室温。
(3)回火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒铌高速动车组车轴用钢加热(加热速度为50～100℃/h)至温度620～680℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。经过回火，可获得均匀细密回火索氏体+少量下贝氏体的金相组织，从而可获得良好的韧塑性及合适的强度指标。
在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：含钒铌高速动车组车轴用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“第一次淬火+第二次淬火+高温回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
本发明含钒铌高速动车组车轴用钢的熔炼化学成分、主要热处理工艺参数与性能的实施例如下：
热处理工艺步骤及参数为：
(1)第一次淬火：以80℃/h加热至温度900℃，加热保温时间270min，水冷。
(2)第一次淬火：以80℃/h加热至温度880℃，加热保温时间270min，快速水冷(冷却速度控制在1.5～2.5℃/s)。
(3)回火：以80℃/h加热至温度650℃，加热保温时间420min，空冷。
最大直径为Φ200mm、长度达2200mm高速动车组车轴的熔炼化学成分质量百分比(wt％)见表1，高速动车组车轴经过以上热处理后的性能指标见表2。
表1高速动车组车轴钢的熔炼化学成分质量百分比(wt％)
表2高速动车组车轴热处理后性能指标
续表2高速动车组车轴热处理后性能指标
本发明与现有技术相比具有强度高、抗疲劳性能优良的优点。可获得800MPa以上的高强度，其塑性和韧性明显优于商业钢，其疲劳极限要显著高于商业钢，呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。其中：Rm：800MPa～950MPa，ReL或Rp0.2≥650MPa，A≥18％，Z≥40％，-40℃纵向冲击吸收功KV2≥150J；断裂韧性KQ值≥120MPa·m1/2；光滑试样的旋转弯曲疲劳极限RfL≥400MPa，缺口试样的旋转弯曲疲劳极限RfE≥330MPa，缺口敏感性RfL/RfE≤1.15；过盈量为0.04mm试样的微动疲劳极限≥225MPa；盐雾腐蚀14循环周次试样的腐蚀疲劳极限为≥285MPa；钢材的奥氏体晶粒度大于等于8.0级；高速动车组车轴“调质(淬火+高温回火)”热处理后钢的组织为回火索氏体+少量下贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为100％，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在85～95％。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)第一次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后进行水冷至室温；
(2)第二次淬火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度850～880℃，在该温度段加热保温时间按1.5～2.0min/mm计算，随后冷却；
(3)回火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度620～680℃，在该温度段加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。
2.如权利要求1所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(1)-(3)中加热速度均为50～100℃/h。
3.如权利要求1或2所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，在淬火槽中，通过喷嘴对车轴进行水下喷水快速水冷至室温。
4.如权利要求1-3所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，冷却速度控制在1.5～2.5℃/s。
5.如权利要求1-4所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(1)中以80℃/h加热至温度900℃，加热保温时间270min，水冷。
6.如权利要求1-5所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中以80℃/h加热至温度880℃，加热保温时间270min，快速水冷。
7.如权利要求1-6所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(3)中以80℃/h加热至温度650℃，加热保温时间420min，空冷。
8.如权利要求1-7所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，其应用于含钒铌高速动车组车轴用钢生产工艺，具体包括如下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“第一次淬火+第二次淬火+高温回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
9.如权利要求1-8所述的含钒铌动车组车轴用钢热处理工艺，其特征在于，步骤(1)-(3)中高速动车组车轴最大直径为Φ200mm、长度达2200mm。
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