CN107058865B - 一种铁路制动梁材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路制动梁新材料的制备方法,申请人暂将此种材料命名为XWQ470E,新材料成分为,C：0.12～0.20，Si：0.25～0.35,Mn：1.20～1.50,P≤0.020,S≤0.010,Cr：0.20～0.30,Ni：0.30～0.55,Mo≤0.20，V：0.08～0.14，Al：0.015～0.035，Nb：0.015～0.030，Ce：0.001～0.03;连铸拉矫工序中,连铸坯矫直温度控制在930℃‑950℃；正火温度920±20℃，保温40分钟，随后空冷冷却；回火温度480±30℃。本发明采用全新的成分设计及生产工艺，经热切分、拉制、整形而成，制造工艺性好、质量稳定。成分设计过程中，添加了镍、铌、钒、稀土等合金元素，提高了材料的整体强韧性能、焊接性能、耐磨性能，达到了良好的应用效果。

Description

一种铁路制动梁材料的制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其适用于交通工具上使用的材料，具体为一种铁路制动梁材料的制备方法。

背景技术

随着铁路货车的提速、重载、及新型货车的开发，新车型对起刹车、平衡作用的制动梁要求越来越严格，原有的滑槽式滚动制动梁轴瓦焊接易变形、尺寸散差大，因而危及列车行车安全。为此，设计研发了提速、重载、及新型货车制动梁材料。

现行货车制动梁用钢材料，在生产、使用过程中会出现如下问题：

(1)疲劳极限较低，无法保证提速、高速条件下的安全行车；

(2)材料轧制后容易出现表面裂纹；

(3)材料热切分成型后性能指标偏低。

发明内容

本发明目的在于克服以上的不足，提供一种强韧性能好、焊接性能好、耐磨性能好、安全性高的铁路制动梁材料及其制备方法。本发明采用全新的成分设计及生产工艺，经热切分、拉制、整形而成，制造工艺性好、质量稳定。成分设计过程中，添加了镍、铌、钒、稀土等合金元素，提高了材料的整体强韧性能、焊接性能、耐磨性，达到了良好的应用效果。

本发明通过以下技术方案实现此种铁路制动梁材料制备方法：

一种铁路制动梁材料，其特征在于其成份(Wt.％)为：C：0.12～0.20，Si：0.25～0.35,Mn：1.20～1.50,P≤0.020,S≤0.010,Cr：0.20～0.30,Ni：0.30～0.55,Mo≤0.20，V：0.08～0.14，Al：0.015～0.035，Nb：0.015～0.030，Ce：0.001～0.03，其余量由铁及不可避免的杂质组成。

铁路制动梁材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)电炉冶炼：

原料由铁水、生铁块、废钢组成，不得使用渣钢，按比例配入含镍生铁；热装铁水冶炼时，铁水比例≥70％。出钢温度≥1640℃，出钢时向钢包内加入少量硅锰、中碳锰铁、高碳铬铁合金；根据转炉钢水残锰、残铬含量以及合金实际加入量，确保到LF精炼炉的钢水化学成分达到上述要求；出钢1/5时加入铝锭进行脱氧，然后依顺序加入硅锰、中锰、高铬合金及造渣材料。

(2)钢包精炼

钢包入LF炉加热过程中，加入适量萤石进行调渣；精炼期以硅铁粉和碳化硅扩散脱氧，加入部分铝粒进行辅助脱氧，碳粉保持气氛，保证白渣时间≥30分钟，精炼渣流动性好，强化扩散脱氧；第二样分析出来后，加入钒铁、铌铁、镍板将成分调整到目标值，当钢液成分、温度达到目标要求后，喂入Ca-Fe线进行终脱氧和夹杂物变性。

(3)真空脱气精炼

入罐开始抽真空，真空度≤40Pa，真空保持时间≥30min，破空前20秒将氩气流量调到最小，及时添加碳化稻壳，保证钢水不裸露，通过测温，确定软吹时间，要求≥30min，软吹结束后测温取样，成分、温度合适后吊包上台连铸。

(4)连铸

采用轴承钢整体专用中间包，保证耐材寿命，使用前中间包彻底清理干净，控制中包过热度：第一包过热度≤40℃，其余中包的过热度控制在20℃～30℃，二冷比水量0.22L/Kg，拉速0.76-0.85m/min，中包钢水开浇液位为600mm，中包钢水液位超过400mm方可加入中包覆盖剂，保持高液位浇铸，以利于夹杂物上浮吸收，及时测温并和连续测温数值相校准，便于及时调整拉速，过热度必须严格执行工艺要求，大包长水口必须吹氩气密封。

(5)铸坯缓冷

生产连铸坯不允许在冷床停留，第一时间入缓冷坑缓冷。缓冷后温度≤100℃方可吊出，起吊出坑时严格检查钢坯表面，表面有缺陷应进行钢坯全面修磨后再进行轧制。

(6)轧制、缓冷、精整

保证铸坯加热均匀，设计总加热时间≥8小时，避免因加热不当、不透、不均匀产生表面裂纹。高压水除鳞压力设定为19MPa，保证除鳞率≥99％，冷床全速运转，保证方钢入坑温度≥500℃，方钢≤150℃时出坑精整，方钢两端飞边、毛刺等必须修磨干净，逐根检查方钢表面质量情况，保证方钢表面质量。

连铸拉矫工序中：连铸坯矫直温度控制在930℃-950℃。

正火：正火温度920±20℃，保温40分钟，随后空冷冷却。

高温回火：回火温度480±30℃。

根据各种合金元素的特性，设计了新型组合式制动梁材料的成分，添加了镍、铌、钒、稀土等合金元素来提高车轴整体的耐腐蚀性、耐磨性。

本发明技术效果如下：

(1)现行货车制动梁材料与新设计材料性能对比

(2)低倍组织

(3)高倍检验

(4)机械性能

(5)与现有材料性能相比

本材料与现行使用的制动梁材料相比，屈服强度提高≥20N/mm2、抗拉强度提高≥35N/mm²、伸长率提高≥5％、-40℃KV2提高≥20J。试验数据如下：

新化学成分设计满足了制动梁材料性能，解决了材料轧制后的表面裂纹，降低了魏氏组织含量并提高了冲击韧性，提高了材料热切分成型后性能指标。

附图说明

图1是加热温度960℃时魏氏组织形貌；

图2是加热温度1000℃时魏氏组织形貌；

图3是加热温度1040℃时魏氏组织的金相特征；

图4是加热温度1120℃时魏氏组织的金相特征；

图5是各加热温度及冷却方式下魏氏组织含量变化；

图6是880℃-900℃表面纵裂、矫直裂及裂纹处脱碳图片；

图7是900℃-930℃表面矫直裂及裂纹处脱碳图片；

图8是大于930℃表面图片；

图9是Al含量0.013％时，魏氏组织级4级、晶粒度6.5级图片；

图10是Al含量0.018％时，魏氏组织3级、晶粒度7级图片；

图11是Al含量0.030％时，魏氏组织级1级、晶粒度8级图片。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实例和附图对本发明作进一步详术，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

一种铁路制动梁材料，其成份(Wt.％)为：

C：0.12～0.20，Si：0.25～0.35,Mn：1.20～1.50,P≤0.020,S≤0.010,Cr：0.20～0.30,Ni：0.30～0.55,Mo≤0.20，V：0.08～0.14，Al：0.015～0.035，Nb：0.015～0.030，Ce：0.001～0.03，其余量由铁及不可避免的杂质组成。

铁路制动梁材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)电炉冶炼：

原料由铁水、生铁块、废钢组成，不得使用渣钢，按比例配入含镍生铁；热装铁水冶炼时，铁水比例≥70％。出钢温度≥1640℃，出钢时向钢包内加入少量硅锰、中碳锰铁、高碳铬铁合金；根据转炉钢水残锰、残铬含量以及合金实际加入量，确保到LF精炼炉的钢水化学成分达到上述要求；出钢1/5时加入铝锭进行脱氧，然后依顺序加入硅锰、中锰、高铬合金及造渣材料。

(2)钢包精炼

钢包入LF炉加热过程中，加入适量萤石进行调渣；精炼期以硅铁粉和碳化硅扩散脱氧，加入部分铝粒进行辅助脱氧，碳粉保持气氛，保证白渣时间≥30分钟，精炼渣流动性好，强化扩散脱氧；第二样分析出来后，加入钒铁、铌铁、镍板将成分调整到目标值，当钢液成分、温度达到目标要求后，喂入Ca-Fe线进行终脱氧和夹杂物变性。

(3)真空脱气精炼

入罐开始抽真空，真空度≤40Pa，真空保持时间≥30min，破空前20秒将氩气流量调到最小，及时添加碳化稻壳，保证钢水不裸露，通过测温，确定软吹时间，要求≥30min，软吹结束后测温取样，成分、温度合适后吊包上台连铸。

(4)连铸

采用轴承钢整体专用中间包，保证耐材寿命，使用前中间包彻底清理干净，控制中包过热度：第一包过热度≤40℃，其余中包的过热度控制在20℃～30℃，二冷比水量0.22L/Kg，拉速0.76-0.85m/min，中包钢水开浇液位为600mm，中包钢水液位超过400mm方可加入中包覆盖剂，保持高液位浇铸，以利于夹杂物上浮吸收，及时测温并和连续测温数值相校准，便于及时调整拉速，过热度必须严格执行工艺要求，大包长水口必须吹氩气密封。

(5)铸坯缓冷

生产连铸坯不允许在冷床停留，第一时间入缓冷坑缓冷，缓冷后温度≤100℃方可吊出，起吊出坑时严格检查钢坯表面，表面有缺陷应进行钢坯全面修磨后再进行轧制。

(6)轧制、缓冷、精整

保证铸坯加热均匀，设计总加热时间≥8小时，避免因加热不当、不透、不均匀产生表面裂纹。高压水除鳞压力设定为19MPa，保证除鳞率≥99％，冷床全速运转，保证方钢入坑温度≥500℃，方钢≤150℃时出坑精整，方钢两端飞边、毛刺等必须修磨干净，逐根检查方钢表面质量情况，保证方钢表面质量。

连铸拉矫工序中，连铸坯矫直温度控制在930℃-950℃；正火工序中，正火温度920±20℃，保温40分钟，随后空冷冷却；高温回火工序中，回火温度480±30℃。

以下对于本发明所规定的铁路制动梁材料组成限定的理由进行说明。

C：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，因此，含碳量一般不超过0.20％。因此，将碳控制在0.12％-0.20％，在屈服和抗拉强度达到设计要求的同时，显著改善钢材的塑性和低温冲击韧性。此外，碳含量低还会提高钢材的焊接性能。

Si：硅作为还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅和钢中铬结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。因此，设计硅成分0.25％-0.35％。

Mn：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，钢中加入超过1.0％的锰能够显著提高钢的韧性，使钢有较高的强度和硬度。钢中Mn含量高还能显著提高钢的淬透性能，改善钢的热加工性能，结合本钢种性能要求，锰含量按1.20％-1.50％进行设计。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此设计钢中含磷量小于0.020％，甚至更低。

S：硫在钢中也是有害元素，会使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以设计硫含量小于0.010％。

Cr：铬能显著提高钢的强度、硬度、耐磨性以及淬透性，但同时也会降低钢的塑性和韧性，因此综合考虑铬按0.20％-0.30％设计。

Al:铝是钢中常用的脱氧剂，加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅结合，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。经过实践验证，合理的控制范围是：0.015-0.035％。

Ni:镍的加入能够提高钢的强度，而又保持钢良好的塑性和韧性。镍可以降低钢低温的脆性转变温度，提高钢的低温韧性。镍对酸、碱性环境有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。因此，设计钢中加入0.30％-0.55％镍。

Nb:铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。并且还具有极好的抗氢性能，提高钢的热强性和焊接性能，但铌含量≥0.03％会恶化产品的表面质量，所以产品设计Nb：0.015％-0.030％。

V：钒含量在钢中≤0.014％时，生成的化合物主要以氮化钒的形式存在，能细化晶粒，提高强度和韧性。但钢中钒含量大于0.014％后，随着碳化钒化合物的增多，材料的冲击韧性有降低的趋势，所以产品设计钒含量：0.08-0.14％。

稀土Ce：稀土具有净化钢液，变性夹杂和微合金化作用，可延缓钢的接触疲劳裂纹的萌生和扩展，推迟钢表面剥离的发生。稀土可改善钢的加工硬化效果，既能减小应力集中区，又能细化组织、提高强度，增加钢的抗变形能力。

成分设计，添加了镍、铌、钒、稀土等合金元素，提高了材料的整体强韧性能、焊接性能、耐磨性，达到了良好的应用效果。

材料热处理制度工艺设计，实验方案：

根据制动梁材料的热加工工艺特点，同时参考碳钢魏氏组织对加热温度和冷却速度比较敏感的特性，设计了6种不同组合的试验方案，加热温度从940℃依次上升到1200℃，冷却方式有风冷、空冷、分段冷、慢冷，如表1所示，不同温度下的金相组织如图1、图2、图3、图4所示。

表1魏氏组织生成的模拟试验方案

注：①每种加热温度的保温时间为40min；②各方案的高温回火均在480℃时保温90min；③*为加热炉出炉，转入200℃断电小炉，试样400℃出炉。

通过以上6组魏氏组织对比试验后，通过图1、图2、图3、图4、图5可以看出加热温度在940℃时材料出现魏氏组织，因此选取正火温度920±20℃，回火温度480±30℃为制动梁材料的热处理温度。

连铸拉矫温度930℃-950℃，实验设计：

根据制动梁材料的特点，该钢种易产生矫直裂纹，因此对连铸工艺参数进行了系统的优化，先后进行了3种不同组合的试验方案，矫直温度从880℃依次上升到950℃，如表2所示，不同方案下的轧材表面质量见下图6、图7、图8。

表2表面质量攻关的模拟试验方案

通过以上3种试制方案，可以看出连铸过程中采用矫直温度＞930℃，轧材表面质量无裂纹缺陷，达到设计要求，因此矫直温度＞930℃为制动梁材料的关键连铸参数。

连铸拉矫温度930℃-950℃，工艺参数验证：

经过实验验证，Ф310mm连铸坯矫直温度控制在930℃-950℃，可以避免连铸坯拉矫裂纹的出现，实验结果见下表3：

表3

铝含量与魏氏组织的关系，实验设计：

该钢种具有较强的魏氏组织敏感性的特点，铝作为钢中重要的细化晶粒元素，针对不同铝含量对该钢种魏氏组织级别的影响，先后进行了3种不同的试验方案，如表4所示，钢中铝含量由0.010％提升至0.035％，在相同的加热制度和冷却条件的前提下，对钢中魏氏组织级别分别进行了测定，具体见图9、图10、图11。

表4铝含量与魏氏组织试验

通过以上3种试验方案，可以看出Al含量≥0.015％时，可满足是魏氏组织不超过级3级的要求，但若提高钢中铝含量至0.025％以上，可以使魏氏组织级别达到1级。因此，Al含量为0.015％-0.035％为制动梁材料的关键成分设计参数。

综上所述，本发明采用全新的成分设计及生产工艺，经热切分、拉制、整形而成，制造工艺性好、质量稳定。成分设计过程中，添加了镍、铌、钒、稀土等合金元素，提高了材料的整体强韧性能、焊接性能、耐磨性，达到了良好的应用效果。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前术实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前术各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种铁路制动梁材料制备方法，其特征在于其成份（w t.%）为：

C：0.12～0.20，Si：0.25～0.35,Mn：1.20～1.50,P≤0.020,S≤0.010,Cr：0.20～0.30,Ni：0.30～0.55,Mo≤0.20，V：0.08～0.14，Al：0.015～0.035，Nb：0.015～0.030，Ce：0.001～0.03，其余量由铁及不可避免的杂质组成;

所述铁路制动梁材料的制备方法,包括以下工艺步骤：

（1）电炉冶炼

（2）钢包精炼

钢包在LF炉加热过程中，进行调渣和脱氧处理

（3）真空脱气精炼

（4）连铸

（5）铸坯缓冷

（6）轧制、缓冷、精整;

所述铸坯缓冷步骤中，生产连铸坯不允许在冷床停留，第一时间入缓冷坑缓冷，缓冷后温度≤100℃方可吊出，起吊出坑时严格检查钢坯表面，表面如有缺陷应进行钢坯全面修磨后再进行轧制;

所述轧制、缓冷、精整步骤中，保证铸坯加热均匀，设计总加热时间≥8小时，避免因加热不当、不透、不均匀产生表面裂纹；高压水除鳞压力设定为19MPa，保证除鳞率≥99%，冷床全速运转，保证方钢入坑温度≥500℃，方钢≤150℃时出坑精整，方钢两端飞边、毛刺必须修磨干净，逐根检查方钢表面质量情况，保证方钢表面质量;

连铸拉矫工序中：连铸坯矫直温度控制在930℃-950℃；

正火：正火温度920±20℃，保温40分钟，随后空冷冷却；

高温回火：回火温度480±30℃;

所述电炉冶炼步骤中，热装铁水冶炼时，铁水比例≥70%，出钢温度≥1640℃，出钢时向钢包内加入少量硅锰、中碳锰铁、高碳铬铁合金；根据转炉钢水残锰、残铬含量以及合金实际加入量，确保到LF精炼炉的钢水化学成分达到上述要求；出钢1/5时加入铝锭进行脱氧，然后依顺序加入硅锰、中锰、高铬合金及造渣材料；

在所述真空脱气精炼步骤中，所述钢包精炼过程包括，钢包在LF炉加热过程中，加入适量萤石进行调渣；精炼期以硅铁粉和碳化硅扩散脱氧，加入铝颗粒进行辅助脱氧，碳粉保持气氛，保证白渣时间≥30分钟，精炼渣流动性好，强化扩散脱氧;

所述真空脱气精炼步骤中，入罐开始抽真空，真空度≤40Pa，真空保持时间≥30min，破空前20秒将氩气流量调到最小，及时添加碳化稻壳，保证钢水不裸露，通过测温，确定软吹时间，要求≥30min，软吹结束后测温取样，成分、温度合适后吊包上台连铸;

所述连铸步骤中，采用轴承钢整体专用中间包，保证耐材寿命，使用前中间包彻底清理干净，控制中包过热度，第一包过热度≤40℃，其余中包的过热度控制在20℃～30℃，二冷比水量0.22L/Kg，拉速0.76-0.85m/min，中包钢水开浇液位为600mm，中包钢水液位超过400mm方可加入中包覆盖剂，保持高液位浇铸，以利于夹杂物上浮吸收，及时测温并和连续测温数值相校准，便于及时调整拉速，过热度必须严格执行工艺要求，大包长水口必须吹氩气密封。