CN106906412A

CN106906412A - 一种高强度高韧性锻造钩舌用钢及其热处理方法

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Publication number: CN106906412A
Application number: CN201710191708.3A
Authority: CN
Inventors: 胡芳忠; 汪开忠; 孙维; 于文坛; 杨丽珠; 许兴
Original assignee: Magang Group Holding Co Ltd; Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Magang Group Holding Co Ltd; Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: CN106906412B

Abstract

本发明提供了一种高强度高韧性锻造钩舌用钢及其热处理方法，与现有技术相比，本发明制备的钢抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥24％，‑40℃冲击功(KV2)≥50J。本发明制备的钢种和普通锻造钩舌用钢相比，在显著提高钩尾框强度的同时，其韧性指标和塑性指标同时得到一定程度的改善，从而显著提高钩尾框的服役性能。

Description

一种高强度高韧性锻造钩舌用钢及其热处理方法

技术领域

本发明属于机车车辆用钢技术领域，尤其涉及一种高强度高韧性锻造钩舌用钢及其热处理方法。

背景技术

钩舌和钩舌销、锁提销、钩舌推铁和钩锁铁等构成了钩头。钩头是车钩的重要部分之一。车钩与钩尾框均是构成车辆缓冲装置的重要构件。车钩的作用是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂和传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定的距离。车钩在车辆牵引、连挂和发生缓冲作用时，直接完成车辆间纵向力的传递。钩舌作为货运列车的关键连接部件之一，长期承受牵引力和冲击力的交变作用，钩舌存在抗疲劳稳定性差和易发生早期疲劳失效等问题，给铁路运输的运行安全带来极大的隐患。

目前铁路行业大都采用传统的铸造车钩，由于气孔、砂眼、裂纹等铸造缺陷的存在导致其裂纹萌生，缩短了使用寿命，已经不能满足高速、重载铁路应用的需要。锻造钩舌因缺陷少、性能优良，使用寿命明显增大，已在铁路行业大规模推广应用。中国铁道行业标准TB/T456-2008《机车车辆用车钩、钩尾框》中列出了一种机车车辆钩舌用钢，其化学成分和力学性能见表1。

表1 TB/T456-2008中钩舌的化学成分和力学性能

随着列车牵引吨位的增加和运行速度的提高，车辆在运行中由纵向冲击及交变载荷引起的振动显著增大，车辆配件磨损严重，特别是钩舌的断裂故障呈上升趋势，给铁路运输安全带来了严重隐患。重载钩舌使用寿命一般要求4-5年，目前国内重载钩舌平均使用寿命在半年-1年之间，失效方式主要为钩舌S面上的摩擦、磨损疲劳失效。随着我国铁路交通运输朝着高速化、重载化的方向发展，以及未来我国大轴重货车的运用，运行速度和载重负荷的提高将导致钩舌的服役条件更加苛刻，因此，需要进一步提高锻造钩舌的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧性锻造钩舌用钢，调整钢的元素含量，在显著提高钩舌强度的同时，其韧性指标和塑性指标同时得到一定程度的改善，从而显著提高钩舌的服役性能。

本发明还提供了一种高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，根据元素含量调整淬火温度和回火温度，采用高的回火温度并在回火后采用水冷方式，以避免钢的高温回火脆性，以保证钢的塑性和韧性。

本发明提供的一种高强度高韧性锻造钩舌用钢，含有以下重量百分比的元素：

C 0.25-0.35％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.50-0.80％、P≤0.010％、S≤0.010％、Cr0.80-1.50％、Ni 0.50-1.50％、Mo 0.40-0.60％、Al 0.010-0.050％、Cu 0.30-0.50％、N60-120ppm、Al/N 2.00-3.75，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，一种高强度高韧性锻造钩舌用钢，含有以下重量百分比的元素：

C 0.27％、Si 0.30％、Mn 0.80％、P 0.009％、S 0.002％、Cr 1.1％、Ni 0.9％、Mo0.45％、Al 0.018％、Cu 0.30％、N 80ppm、Al/N 2.25，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

C 0.30％、Si 0.28％、Mn 0.75％、P 0.009％、S 0.002％、Cr 1.05％、Ni 1.00％、Mo 0.50％、Al 0.027％、Cu 0.40％、N 90ppm、Al/N 3.00，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

C 0.34％、Si 0.27％、Mn 0.70％、P 0.008％、S 0.001％、Cr 1.00％、Ni 1.0％、Mo 0.55％、Al 0.035％、Cu 0.50％、N 100ppm、Al/N 3.5，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提供的一种高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，包括以下步骤：

正火温度920～950℃，淬火温度890-930℃，回火温度600-680℃回火，回火后水冷。

优选的，正火保温时间3～5h，然后空冷；

优选的，淬火保温时间1～3h，然后水冷；

优选的，回火时间2～4h，然后水冷。

通过高温正火，获得成分均匀组织，提高钢最终组织的均匀性，降低高温回火脆性温度区间；在保证淬透性的前提下，通过适当低的淬火温度，保证钢的奥氏体晶粒度8.0～8.5级；通过适当高的回火温度并回火后水冷，一方面，使钢获得95％以上的回火索氏体组织，另一方面极大降低钢在高温回火脆性区停留时间，避免高温回火脆性的出现。

本发明中各元素及其质量百分比的作用为：

C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的。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0.35％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度，C含量须在0.25％以上，因而C含量宜控制为0.25～0.35％。

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0.50％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0.50％～0.80％。

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，改善钢的耐摩擦磨损性能；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0.80～1.50％。

Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性，控制Ni含量为0.50～1.50％。

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，本发明中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0.40～0.60％。

P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体后温度加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而使钢的高温回火脆性倾向增加。因此，P含量应控制在0.010％以下。

S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而降低钢的韧塑性。因此，S含量应控制在0.010％以下。

Cu：通过析出ε-Cu实现析出强化，提高钢的强度，此外，加入适量的Cu元素，还能够增加钢的耐大气腐蚀性能，因此，Cu含量应控制在0.10-0.50％。

Al/N：Al是钢中主要的脱氧元素，与钢中N元素形成AlN析出相具有抑制晶粒长大的效果，并且需要保证足够量的AlN析出才能获得抑制晶粒长大的效果，过高的N含量易导致钢的塑性降低，因此，Al含量应控制在0.10-0.50％，N含量应控制在60-120ppm，Al/N应控制在2.00-3.75。

与现有技术相比，本发明在传统钩舌用钢成分的基础上适当提高C、Cr、Ni、Mo含量，来提高锻造钩舌用钢的淬透性和高温回火抗力，从而保证高温回火条件下钢的强度，适当降低Mn含量来改善钢的塑韧性，并通过适当添加Mo含量来降低钢的高温回火脆性倾向，以保证钢的塑韧性，通过提高Ni含量来改善钢的低温冲击韧性；适当添加Al和N元素，来保证钢的奥氏体晶粒度，改善钢的塑性和韧性；加入适量的Cu元素，增加钢的耐大气腐蚀性能，并通过析出ε-Cu实现析出强化，提高钢的强度；热处理过程中，采用高的回火温度并在回火后采用水冷方式，以避免钢的高温回火脆性，以保证钢的塑性和韧性。制备的钢抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥900MPa，断后伸长率≥24％，-40℃冲击功(KV2)≥50J。本发明制备的钢种和普通锻造钩舌用钢相比，在显著提高钩尾框强度的同时，其韧性指标和塑性指标同时得到一定程度的改善，从而显著提高钩尾框的服役性能。

附图说明

图1为实施例1制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击试样回火脆性区检验(白亮区为回火脆性区)；

图2为实施例2制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击试样回火脆性区检验(白亮区为回火脆性区)；

图3为实施例3制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击试样回火脆性区检验(白亮区为回火脆性区)；

图4为传统钢钢冲击试样回火脆性区检验(白亮区为回火脆性区)；

图5为实施例1制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击断口形貌；

图6为实施例2制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击断口形貌；

图7为实施例3制备的高强度高韧性锻造钩舌用钢冲击断口形貌；

图8为实施例1传统钢冲击断口形貌。

具体实施方式

结合附图及实施例1-3对本发明做详细的说明。

实施例1-3中的高强韧性钩舌用钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1-3均采用电炉冶炼，经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成的圆坯，经加热轧制成圆钢，在圆钢1/2半径位置取Φ40圆棒，经表2热处理、精加工成标准拉伸和冲击试样后进行力学性能分析。

表1实施例1-3及传统锻造钩尾框用钢的化学成分质量百分含量

一种高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，具体热处理如下表2所示：

表2实施例1-3及传统锻造钩尾框用钢热处理工艺和机械性能

如图1-8所示，本实施例冲击断裂均为韧性断裂，无沿晶断裂形貌，整个截面不存在回火脆性区。本实施例机械性能如表2中实施例1-3和传统钢所示，可见，本发明钢强韧性能指标较传统钩尾框性能明显提高。

Claims

1.一种高强度高韧性锻造钩舌用钢，其特征在于，所述高强度高韧性锻造钩舌用钢含有以下重量百分比的元素：

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢，其特征在于，所述高强度高韧性锻造钩舌用钢含有以下重量百分比的元素：

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢，其特征在于，所述高强度高韧性锻造钩舌用钢含有以下重量百分比的元素：

C 0.30％、Si 0.28％、Mn 0.75％、P 0.009％、S 0.002％、Cr 1.05％、Ni 1.00％、Mo0.50％、Al 0.027％、Cu 0.40％、N 90ppm、Al/N 3.00，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢，其特征在于，所述高强度高韧性锻造钩舌用钢含有以下重量百分比的元素：C 0.34％、Si 0.27％、Mn 0.70％、P 0.008％、S0.001％、Cr 1.00％、Ni 1.0％、Mo 0.55％、Al 0.035％、Cu 0.50％、N 100ppm、Al/N 3.5，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

5.一种权利要求1-4任一项所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，其特征在于，正火保温时间3～5h，然后空冷。

7.根据权利要求5所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，其特征在于，淬火保温时间1～3h，然后水冷。

8.根据权利要求5或6所述的高强度高韧性锻造钩舌用钢的热处理方法，其特征在于，回火保温时间2～4h，然后水冷。