CN108048757A - 一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢，按重量百分比计，其包含C 0.22‑0.28％，Si 0.15‑0.40％，Mn 0.4‑0.65％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cr 1.4‑2.2％，Cu≤0.20％，Mo 0.10‑0.15％，Nb 0.005‑0.014％，RE 0.005‑0.03％，Ni 1.5‑2.0％，Al 0.010‑0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所述制备用于高寒地区高速动车组的车轴钢的方法，通过合理成分的添加和综合细化技术，改善了所述车轴钢的低温韧性、疲劳性能和淬透性。

Description

一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法
技术领域
本发明属于合金钢冶炼领域，具体涉及一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法。
背景技术
车轴作为高速动车组的重要走行部件，承受动载荷的关键零件，受力状态复杂，并可能受到一定冲击，其安全可靠性受到高度关注和重视，其中，车轴低温环境下的服役可靠性问题更是不容忽视。我国广泛应用的动车组车轴材质主要是来自欧洲的产品EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢，其对应的标准为EN13261和UNI6787均没有对低温性能作出要求。2012年12月1日，在我国在高寒地区开通了首条高速铁路哈-大客运专线，该线路最低温度可达-40℃。在不久的将来我国自主研发的高速动车组列车也将出口到高寒地区国家使用，因此关于解决车轴的低温服役的可靠性问题越发紧迫。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法，本发明所述制备方法通过合理成分的添加和综合细化技术，改善了所述车轴钢的低温韧性、疲劳性能和淬透性。
用于实现上述目的的技术方案如下：
本发明提供一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢，按重量百分比计，其包含C0.22-0.28％，Si 0.15-0.40％，Mn 0.4-0.65％，S≤0.005％，P≤ 0.010％，Cr 1.4-2.2％，Cu≤0.20％，Mo 0.10-0.15％，Nb 0.005-0.014％，RE 0.005-0.03％，Ni 1.5-2.0％，Al0.010-0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，按重量百分比计，其包含：C 0.24-0.28％，Si 0.30-0.40％，Mn 0.4-0.60％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cr 1.4-1.8％，Cu≤0.15％，Mo 0.12-0.15％，Nb 0.010-0.014％，RE 0.01-0.03％，Ni 1.65-1.90％，Al 0.010-0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，在所述不可避免的杂质中，H≤1.5ppm，O≤15ppm。
本发明还提供一种本发明所述车轴钢的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)将铁水及废钢加入炉内熔炼，后进行钢包炉精炼和真空炉脱气；
(2)连续铸钢，得到铸坯；
(3)将步骤(2)得到的铸坯轧制成钢坯；
(4)将步骤(3)得到的钢坯进行锻造；
(5)热处理。
优选地，所述步骤(1)中，将铁水及废钢加入电弧炉内熔炼，后进行钢包炉精炼和真空脱气炉脱气；优选地，所述电炉出钢温度为1630-1650℃；
优选地，所述步骤(2)中，所述连续铸钢过程中，所述出钢温度为 1560-1570℃；优选地，所述浇注温度为1540-1555℃；优选地，所述连续铸钢得到直径为690mm的铸坯；
优选地，所述步骤(3)中，将步骤(2)得到的铸坯加热至1250-1280℃，保温1.5-3h，后轧制；优选地，所述轧制的初始温度为1150℃；优选地，所述轧制的终止温度为900℃，然后冷却；
优选地，所述步骤(4)中，将步骤(3)得到的钢坯加热至1120-1190℃，后进行锻造；优选地，所述锻造的初始温度为1000-1120℃；优选地，所述锻造的终止温度为800℃。
优选地，所述步骤(5)中，所述热处理包括以下步骤：一次正火加热至860-900℃，保温3-5h，后空气冷却；后再加热至860-900℃，保温4.0-5.0h，水淬冷却；后再加热至850-870℃，保温3.0-4.0h，水淬冷却；再回火加热至630-650℃，保温6.0-6.5小时；
优选地，所述步骤(5)中，所述热处理包括以下步骤：一次正火加热至870℃，保温4h，后空气冷却；后再加热至880℃，保温4h，水淬冷却；后再加热至860℃，保温3h，水淬冷却；再回火加热至640℃，保温6.0小时。
优选地，所述车轴钢的组织特征为片状马氏体，所述晶粒度大于9.0级；
优选地，所述车轴钢的抗拉强度≥950MPa，屈服强度≥850MPa，断后伸长率≥15％，断面收缩率≥50％；
优选地，所述车轴钢-40℃时，其横向冲击KV2≥70J，其纵向冲击KV2 ≥90J；优选地，所述车轴钢-60℃时，其纵向冲击KV2≥50J，其光滑RfL ≥490MPa，其缺口RfE≥380MPa，RfL/RfE≤1.50。
中国专利CN 106244933A公开了一种高速车轴钢材料及其热处理方法。该专利中，所得到的车轴钢与EA4T车轴钢中的Cr含量相当，有淬透性不足和腐蚀疲劳差的问题。该车轴钢的设计未考虑低温性能，其工艺为一次淬火，成分和工艺均与本发明所述车轴钢存在较大差异，此外，该车轴钢的晶粒度、夹杂物评级和室温力学性能均不及本发明所述车轴钢。
中国专利CN 104294173A公开了一种含铌元素的高速列车车轴用钢。该专利得到的车轴钢与EA4T车轴钢中的Cr含量相当，同样也有淬透性不足和腐蚀疲劳差的问题，其成分和制备工艺与本发明所述车轴钢有较大不同，未考虑高寒地区(-60℃)的冲击性能，晶粒度、室温拉伸性能和疲劳性能均不及本发明所述车轴钢。
中国专利CN 105838989A公开了一种含铌元素的动车组车轴钢的热处理工艺，其车轴钢包含的各组分及其含量均与本发明钢存在较大差异，其工艺采取两次淬火+回火，在第一次淬火前未进行正火处理，未考虑虑高寒地区(-60℃)冲击性能，其拉伸性能、疲劳性能均不及本发明所述车轴钢。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过RE和Nb元素复合添加，发挥了工艺中的凝固细化、形变再结晶细化和热处理的综合细化技术，调整了组织晶粒度和夹杂物形态尺寸，本发明所述车轴钢的组织晶粒度大于9.0级，其夹杂物A粗系≤0.5,A细系≤0.5；B粗系≤0.5,B细系≤0.5；C粗系≤0.5,C细系≤0.5；D粗系≤0.5,D细系≤1.0； (B+C+D)粗系≤1.0，(B+C+D)细系≤1.5；此外，通过本发明通过对Ni和 Cr元素的合理调节，获得一种低温性能优良、疲劳性能良好和淬透性优异的用于高寒地区高速动车组的车轴钢。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
在实施例1-3中，本发明所述车轴钢的成分组成见表1；
表1：本发明所述高寒地区高速动车组的车轴钢的成分组成(wt％)
实施例 C Si Mn P S Cr Cu Mo Ni Nb RE* Al
实施例1 0.24 0.34 0.45 0.005 0.002 1.52 0.10 0.13 1.82 0.005 0.012 0.029
实施例2 0.24 0.35 0.42 0.005 0.002 1.52 0.12 0.12 1.83 0.013 0.011 0.030
实施例3 0.25 0.34 0.43 0.005 0.002 1.51 0.11 0.13 1.78 0.012 0.021 0.028
本发明所述车轴钢的制备方法：
(1)将废钢原料和预处理铁水加入电弧炉内熔炼，电炉出钢温度为 1630～1650℃，后进行钢包炉精炼和真空脱气炉脱气，进行二次精炼；
(2)连续铸钢，出钢温度为1560-1570℃，浇注温度为1540-1555℃，在连铸机上浇成直径为690mm的铸坯；
(3)将步骤(2)得到的铸坯加热到1250-1280℃，保温1.5-2h后进行轧制，轧制的初始温度1150℃，轧制的终止温度为900℃。空气冷却至室温，得到钢坯；
(4)将步骤(3)得到的钢坯加热至1150℃，所述锻造的初始温度为 1120℃，所述锻造的终止温度为800℃。。
(5)一次正火加热至870℃，保温4h，后空气冷却；后再加热至880℃，保温4h，水淬冷却；后再加热至860℃，保温3h，水淬冷却；再回火加热至 640℃，保温6.0小时。
本发明采用上述制备方法得到的车轴钢，其夹杂物和组织晶粒度均优于铁路总公司标准性技术文件《TJ/CL 276A-2016动车组车轴暂行技术条件》中关于EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢的要求，其测试数值见表2和表3：
表2：本发明实施例1-3制备的车轴钢的钢夹杂物评级结果比较
表3：本发明实施例1-3制备的车轴钢的晶粒度评级结果比较
综上所述，按照《GB/T 229—2007金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》测定冲击性能、按照《GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》测定拉伸性能、按照GB/T 4337《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》测定疲劳性能。铁路总公司标准性技术文件《TJ/CL 276A-2016动车组车轴暂行技术条件》、欧洲标准EN 13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》和UNI6787《用于铁路轮对的、具有高疲劳强度和韧性特性的、调质的特殊合金钢锻造轴》均未对30NiCrMoV12车轴钢低温性能作要求，见表4 和表5。此外可以看出，本发明所述车轴钢的力学性能、冲击性能与疲劳性能均满足标准并优于EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢。本发明所述车轴钢的制备方法在成本降低的前提下，获得了优良的低温冲击性能，可满足于高寒地区高速动车组车轴的使用要求。
表4：本发明实施例1-3制备的车轴钢与EA4T车轴钢的拉伸性能与冲击性能对比
表5：本发明实施例1-3制备的车轴钢与EA4T车轴钢的疲劳性能对比
实施例 光滑RfL/MPa 缺口RfE/MPa RfL/RfE
实施例1 500 416 1.20
实施例2 515 409 1.26
实施例3 535 412 1.30
EA4T ≥350 ≥215 ≤1.63
30NiCrMoV12 ≥495 ≥330 ≤1.5
总之，以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢，按重量百分比计，其包含C 0.22-0.28％，Si 0.15-0.40％，Mn 0.4-0.65％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cr 1.4-2.2％，Cu≤0.20％，Mo0.10-0.15％，Nb 0.005-0.014％，RE 0.005-0.03％，Ni 1.5-2.0％，Al 0.010-0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的车轴钢，其特征在于，按重量百分比计，其包含：C 0.24-0.28％，Si 0.30-0.40％，Mn 0.4-0.60％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cr 1.4-1.8％，Cu≤0.15％，Mo 0.12-0.15％，Nb 0.010-0.014％，RE 0.01-0.03％，Ni 1.65-1.90％，Al0.010-0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的车轴钢，其特征在于，在所述不可避免的杂质中，H≤1.5ppm，O≤15ppm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的车轴钢的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)将铁水及废钢加入炉内熔炼，后进行钢包炉精炼和真空炉脱气；
(2)连续铸钢，得到铸坯；
(3)将步骤(2)得到的铸坯轧制成钢坯；
(4)将步骤(3)得到的钢坯进行锻造；
(5)热处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将铁水及废钢加入电弧炉内熔炼，后进行钢包炉精炼和真空炉脱气；优选地，所述电炉出炉温度为1630-1650℃；
优选地，所述步骤(2)中，所述连续铸钢过程中，所述出钢温度为1560-1570℃；优选地，所述浇注温度为1540-1555℃；优选地，所述连续铸钢得到直径为690mm的铸坯；
优选地，所述步骤(3)中，将步骤(2)得到的铸坯加热至1250-1280℃，保温1.5-3h，后轧制；优选地，所述轧制的初始温度为1150℃；优选地，所述轧制的终止温度为900℃，然后冷却；
优选地，所述步骤(4)中，将步骤(3)得到的钢坯加热至1120-1190℃，后进行锻造；优选地，所述锻造的初始温度为1000-1120℃；优选地，所述锻造的终止温度为800℃。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述热处理包括以下步骤：一次正火加热至860-900℃，保温3-5h，后空气冷却；后再加热至860-900℃，保温4.0-5.0h，水淬冷却；后再加热至850-870℃，保温3.0-4.0h，水淬冷却；再回火加热至630-650℃，保温6.0-6.5小时；
优选地，所述步骤(5)中，所述热处理包括以下步骤：一次正火加热至870℃，保温4h，后空气冷却；后再加热至880℃，保温4h，水淬冷却；后再加热至860℃，保温3h，水淬冷却；再回火加热至640℃，保温6.0小时。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述车轴钢的组织特征为片状马氏体，所述晶粒度大于9.0级；
优选地，所述车轴钢的抗拉强度≥950MPa，屈服强度≥850MPa，断后伸长率≥15％，断面收缩率≥50％；
优选地，所述车轴钢-40℃时，其横向冲击KV2≥70J，其纵向冲击KV2≥90J；优选地，所述车轴钢-60℃时，其纵向冲击KV2≥50J，其光滑RfL≥490MPa，其缺口RfE≥380MPa，RfL/RfE≤1.50。
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