CN109706393B - 低温环境用挂车车轴及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温环境用挂车车轴及其制备方法。该挂车车轴的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.02～0.04、Ni 0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质。通过上述各元素的比例配合，使得所形成的车轴具有高强高韧特性，能够满足低温下(约零下30℃至零下50℃)的要求。

Description

低温环境用挂车车轴及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体而言，涉及一种低温环境用挂车车轴及其制备方法。

背景技术

挂车车轴按成型方法，可分为“一体轴”和“三段轴”。“一体轴”以圆管为原料，经挤压收口和推方等工序成型。“三段轴”以方管为原材料，两端焊接锻造实心轴头。“三段轴”与“一体轴”相比，具有较大的技术优势，安全系数要高于“一体轴”。“三段轴”轴头为实心锻件，承载能力和使用寿命长；“三段轴”结构设计合理，空载时减少轮胎磨损，装载时轴头与轴身均水平，保证货物的平稳运输；“三段轴”主要适用于高端货车或特种货车。制造“三段式”挂车车轴轴身的方管要与车轴配件进行装配，必须要有良好的尺寸精度。挂车在行驶时需要承受较大的高频正玄波周期载荷，JT/T475-2002《挂车车轴》标准规定疲劳寿命不低于800000次，制造车轴的材料需要有良好强韧性。

另外，随着国民经济持续增长和市场需求的不断扩展，我国挂车及相关零部件快速进入俄罗斯等高寒地区，为此需要挂车使用的材料具有良好的低温性能。

目前，制造“三段式”挂车车轴轴身的方管均采用定型冷拔方式生产。定型冷拔工艺生产车轴用方管，毛管外面使用外模控制外径尺寸，里面使用异型芯模控制壁厚以及内径尺寸，成品热处理采用淬火，喷水冷却加回火工艺。冷拔方管是以热轧毛管为原料，经酸洗去除氧化皮后进行定型冷拔，酸洗磷化皂化等工序会严重污染环境。冷变形方管存在残余应力，其截面的自由扭转刚度较低，在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，抗扭性能较差。冷变形方式仅能生产小壁厚的方管，在转角处又没有加厚，承受局部性的集中荷载的能力弱。由于连续冷变形引起的冷作硬化使方管的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲击性能将恶化。

热轧工艺生产无缝方管，主要利用现有的热轧钢管生产线，在圆形断面热轧无缝钢管工序后，增加三辊或四辊定径机架直接成方。热轧工艺省去了酸洗磷化皂化冷拔等诸多加工工序，极大的减少环境污染，同时降低了生产成本，提高了生产效率。四辊方管定径机机架很难与现有通用的三辊圆管定径机机架通用，只能对四辊方管定径机机架进行改造，利用三辊圆管定径机三根传动轴之一进行传动，限制了定径机的功率输出，也只能生产小壁厚热轧方管。三辊方管定径机机架与三辊圆管定径机机架完全兼容，可充分发挥圆管定径机的变形能力，热轧方管规格覆盖范围广。但三辊方管定径机机架轧辊辊边交汇于方管孔型边长中部，轧制方管时变形区金属会从辊缝处流出，在方管边长中部会形成一个突出的棱边，不能满足车轴用方管高尺寸精度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低温环境用挂车车轴及其制备方法，以解决现有技术中的挂车车轴不能满足低温使用的高强高韧要求的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低温环境用挂车车轴，挂车车轴的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.02～0.04、Ni 0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，上述Ni的百分含量为0.3～0.5。

进一步地，上述Ni的百分含量为0.5～0.75。

根据本发明的另一方面，提供了一种低温环境用挂车车轴的制备方法，该制备方法包括：对钢坯进行加热处理，得到热坯，钢坯的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.02～0.04、Ni0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质；对热坯依次进行热穿孔和热轧制，得到荒管；对荒管进行定方，得到方管。

进一步地，采用定方装置对上述荒管进行定方，定方装置包括：沿管材输送方向依次设置的一个或多个圆管轧辊机和一个或多个方管轧辊机，各方管轧辊机包括：机架；三组轧辊部，每组轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，各轧辊均设置在机架上，三组轧辊部中的三个轧辊包括第一轧辊、第二轧辊和第三轧辊，各轧辊的轴线在同一平面内相交，各轧辊的轧辊槽组合后形成方形孔，方形孔的各侧壁为弧形侧壁，第一轧辊的轴线沿水平方向设置，第二轧辊和第三轧辊的轧辊槽沿第一轧辊的轧辊槽的垂直平分线对称设置且各轧辊的轴线相交形成等边三角形，且第一轧辊的轧辊槽构成方形孔的相邻的两个侧壁，第二轧辊的轧辊槽与第三轧辊的轧辊槽构成方形孔的另外两个侧壁中的各一个。

进一步地，上述圆管轧辊机为一个，方管轧辊机为多个，沿管材输送方向，方管轧辊机孔径依次减小、曲率半径依次增加。

进一步地，上述方管轧辊机的总压下率为12～15％，沿管材输送方向，方管轧辊机的压下率依次为1.2～1.5％、6.0～8.0％、5.0～6.0％。

进一步地，上述对钢坯进行加热处理的过程包括对钢坯依次进行随炉预热、分段加热和均热得到热坯，优选分段加热包括五段加热，其中加热一段的温度为850～940℃，加热二段的温度为980～1080℃，加热三段的温度为1130～1170℃，加热四段的温度为1230～1280℃，加热五段的温度为1230～1280℃，优选均热的温度为1220～1270℃，进一步优选加热处理的时间为1.5～4h。

进一步地，上述热穿孔为锥形穿孔，优选热轧制采用连轧机轧制；优选地，锥形穿孔得到的毛管外径分别为

和

与毛管外径依次对应的连轧机的孔径为

根据本发明的另一方面，提供了一种挂车车轴，该挂车车轴采用上述任一种制备方法制备而成。

应用本发明的技术方案，碳的主要作用是作为间隙固溶元素，以提高铸钢的强度。但是，过高的碳会降低塑性、韧性，尤其是塑性；而过低的碳则需要增加强度元素如锰、钼。从性能和成本的匹配角度，本申请控制含碳量为0.19％～0.23％。硅的作用主要是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂进行使用。但过高的硅会对奥氏体和铁素体固溶强化，导致韧性降低，因此控制硅的含量为0.20％～0.37％。锰是提高合金铸钢强度的有效元素，其能有效改善铸钢的低温冲击韧性而且也能改善焊缝低温韧性。过低的锰则会导致强度不足，因此控制锰的含量为1.55％～1.68％。钒、铌和铝复合可以细化晶粒，因此控制V含量为0.04～0.07％、Nb含量为0.03～0.05％、Al含量为0.02～0.04％，以充分发挥相互的配合作用。镍用于提高淬透性和强度，控制在0.3～0.75％以更稳定地满足低温下的要求。通过上述各元素的比例配合，使得所形成的车轴具有高强高韧特性，能够满足低温下(约零下30℃至零下50℃)的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种实施例的方管轧辊机的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、机架；21、第一轧辊；22、第二轧辊；23、第三轧辊。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术的挂车车轴不能满足低温下的高强高韧要求，为了解决该问题，本申请提供了一种低温环境用挂车车轴及其制备方法。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种低温环境用挂车车轴，该挂车车轴的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.02～0.04、Ni 0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质。

碳的主要作用是作为间隙固溶元素，以提高铸钢的强度。但是，过高的碳会降低塑性、韧性，尤其是塑性；而过低的碳则需要增加强度元素如锰、钼。从性能和成本的匹配角度，本申请控制含碳量为0.19％～0.23％。硅的作用主要是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂进行使用。但过高的硅会对奥氏体和铁素体固溶强化，导致韧性降低，因此控制硅的含量为0.20％～0.37％。锰是提高合金铸钢强度的有效元素，其能有效改善铸钢的低温冲击韧性而且也能改善焊缝低温韧性。过低的锰则会导致强度不足，因此控制锰的含量为1.55％～1.68％。钒、铌和铝复合可以细化晶粒，因此控制V含量为0.04～0.07％、Nb含量为0.03～0.05％、Al含量为0.02～0.04％，以充分发挥相互的配合作用。镍用于提高淬透性和强度，控制在0.3～0.75％以更稳定地满足低温下的要求。通过上述各元素的比例配合，使得所形成的车轴具有高强高韧特性，能够满足低温下(约零下30℃至零下50℃)的要求。

在本申请一种实施例中，上述Ni的百分含量为0.3～0.5。通过上述镍元素的含量，使得车轴在零下30摄氏度仍然具有高强高韧特性。

在本申请一种实施例中，上述Ni的百分含量为0.5～0.75。通过上述镍元素的含量，使得车轴在零下50摄氏度仍然具有高强高韧特性。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种低温环境用挂车车轴的制备方法，该制备方法包括：对钢坯进行加热处理，得到热坯，钢坯的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al0.02～0.04、Ni 0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质；对热坯依次进行热穿孔和热轧制，得到荒管；对荒管进行定方，得到方管。

热轧方管与冷变形方管相比，相同品种和规格具有更大的截面积、较小的内外圆角和几何尺寸分布合理的优点，具有更好的承载性能；且热变形方管残余应力小、低温冲击性能更好，韧脆转变温度较低。冷变形生产的方管由于工艺限制，存在较大的脆性开裂的可能性，焊接时需避开可能脆性开裂区域，而热轧方管不存在上述问题。因此本申请的钢坯元素组成使得钢坯具有低温下的高强高韧特性，同时采用热穿孔和热轧制方式使得钢坯的高强高韧性能得以充分发挥，从而使所形成的挂车车轴具有低温下的高强高韧性能。

为了提高方管的尺寸精度，优选采用定方装置对荒管进行定方，如图1所示，该定方装置包括：沿管材输送方向依次设置的一个或多个圆管轧辊机和一个或多个方管轧辊机，各方管轧辊机包括机架1和三组轧辊部，每组轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，各轧辊均设置在机架1上，三组轧辊部中的三个轧辊包括第一轧辊21、第二轧辊22和第三轧辊23，各轧辊的轴线在同一平面内相交，各轧辊的轧辊槽组合后形成方形孔，方形孔的各侧壁为弧形侧壁，第一轧辊21的轴线沿水平方向设置，第二轧辊22和第三轧辊23的轧辊槽沿第一轧辊21的轧辊槽的垂直平分线对称设置且各轧辊的轴线相交形成等边三角形，且第一轧辊21的轧辊槽构成方形孔的相邻的两个侧壁，第二轧辊22的轧辊槽与第三轧辊23的轧辊槽构成方形孔的另外两个侧壁中的各一个。各轧辊辊槽交汇于方管孔型R角处，轧制方管时变形区金属不会从辊缝处流出，在方管边长中部不会形成一个突出的棱边，完全能满足车轴用方管高尺寸精度要求；各轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，能够为方管定径提供足够的轧制扭矩，满足厚壁方管的定径需要。本申请的上述方管轧辊机可以利用现有的三辊圆管轧辊机的机架，改变各轧辊的轧辊槽形状即可，因此易于实现。

在一种优选的实施例中，上述圆管轧辊机为一个，方管轧辊机为多个，沿管材输送方向，方管轧辊机孔径依次减小、曲率半径依次增加。利用圆管轧辊机进行初步定径，然后利用多个方管轧辊机依次进行定径，提高了各轧辊机工作的稳定性和定径的精确性。

为了进一步提高所得方管的尺寸精度，优选方管轧辊机的总压下率为12～15％以得到表面平整的方管。沿管材输送方向，方管轧辊机的压下率依次为1.2～1.5％、6.0～8.0％、5.0～6.0％。上述各方管轧辊机的各压下率在8.0％以内，便于各轧辊机对于毛管的咬入以及尺寸的控制，且避免了定径过程中变形过大造成成品的尺寸精度以及抗扭性变差的问题的出现。

在一种实施例中，对钢坯进行加热处理的过程包括对钢坯依次进行随炉预热、分段加热和均热得到热坯，优选分段加热包括五段加热，其中加热一段的温度为850～940℃，加热二段的温度为980～1080℃，加热三段的温度为1130～1170℃，加热四段的温度为1230～1280℃，加热五段的温度为1230～1280℃，优选均热的温度为1220～1270℃，进一步优选加热处理的时间为1.5～4h。通过上述的分段加热，使钢坯逐步升高到均热温度，避免了升温速度过快造成热坯中产生裂纹的缺陷。

另外，优选上述热穿孔为锥形穿孔，锥形穿孔的变形能力大，荒管几何尺寸灵活，精度高而且生产效率高。优选轧制采用连轧机轧制，避免了冷轧方管的强度、硬度较高、韧塑性较低的问题，具有较好的冲击性能；而且，采用上述生产工艺可实现连续性生产，生产效率较高。锥形穿孔机和连轧机配合作业，不仅能够得到机械性能更均匀性、抗扭性更强的方管，而且能够提高方管的生产效率，实现方管的大规模高效生产。

优选地，当锥形穿孔得到的毛管外径分别为

和

时，与毛管外径依次对应的连轧机的孔径为

上述制备方法在形成方管之后，按照挂车车轴常规的工艺进行成型即可，在此不再赘述。

在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种挂车车轴，该挂车车轴采用上述的制备方法制备而成。采用本申请的制备方法制备而成的挂车车轴在低温下具有高强高韧性能。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

完整的方管制作流程如下：

锯切下料→环形炉加热→热穿孔→连轧→步进炉再加热→高压水除鳞→定方→冷床冷却→切头尾→理化检验合格→压力矫直→无损探伤→切定尺→人工检验→喷字→包装入库。

在衡阳华菱钢管有限公司Φ340MPM连轧机组进行轧制。以下各实施例对热穿孔、连轧、定方做具体说明。

实施例1

在低温环境使用的挂车车轴用方管材料中各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.030～0.050、Al 0.020～0.040、Ni 0.3～0.5，余量为Fe及不可避免的杂质。

以制作150×150×11mm规格的方管为例，其具体步骤如下：

A、采用Ф250mm坯料生产。钢坯加热分预热、加热、均热过程。预热温度随炉温；加热分为五段：加热一段温度900℃±10℃，加热二段温度1030℃±10℃，加热三段温度1150℃±10℃，加热四、五段温度1260℃±10℃；均热段温度1250℃±10℃、总加热时间2～2.5小时。

B、轧管采用锥形穿孔机穿孔、连轧管机组轧制。生产方管所需的穿孔毛管规格为

设计了连轧管机组

孔型，连轧后荒管尺寸为

C、定径机采用圆管机架+3个方管机架组织生产，方管定径机轧辊孔型曲线如图1所示。圆形毛管经圆孔型机架定径，热轧毛管规格为

沿管材运行方向，方管定径机轧辊孔型直径依次为172.5mm、159mm和150.7mm；方管定径机轧辊单机架压下率分别为1.43％、7.83％和5.22％；方管机架总压下率为13.88％；方管机架轧辊曲线曲率半径范围为210mm、700mm和2300mm。经方管孔型机架定径，生产出无缝热轧方管规格为150×150×11mm。

实施例2

与实施例1不同之处在于，挂车车轴用方管材料中各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.030～0.050、Al0.020～0.040、Ni 0.5～0.75，余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例1

与实施例1不同之处在于，挂车车轴用方管材料中各化学元素成分重量百分比为：C 0.25～0.30、Si 0.20～0.37、Mn 1.0～1.2、V 0.04～0.07、Nb 0.030～0.050、Al 0.020～0.040余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例2

与实施例1不同之处在于，挂车车轴用方管材料中各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.020～0.040，余量为Fe及不可避免的杂质。

按圆管通过的先后顺序排列的方管轧辊机的规格和转速见表1。

表1

选取各实施例和对比例的任意两根方管，并测试它们的几何尺寸以及室温下的力学性能，几何尺寸测试结果见表2，按照《钢产品力学性能试验的标准方法和定义》中规定的方法对实施例以及对比例的方管进行拉伸试验和冲击试验，力学性能测试结果见表3。

表2

表3

由表2和表3中的数据可以看出，本申请的在低温环境使用的挂车车轴用热轧无缝方管材料的各种几何尺寸和力学性能均能满足挂车车轴的制造和低温环境使用要求。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

碳的主要作用是作为间隙固溶元素，以提高铸钢的强度。但是，过高的碳会降低塑性、韧性，尤其是塑性；而过低的碳则需要增加强度元素如锰、钼。从性能和成本的匹配角度，本申请控制含碳量为0.19％～0.23％。硅的作用主要是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂进行使用。但过高的硅会对奥氏体和铁素体固溶强化，导致韧性降低，因此控制硅的含量为0.20％～0.37％。锰是提高合金铸钢强度的有效元素，其能有效改善铸钢的低温冲击韧性而且也能改善焊缝低温韧性。过低的锰则会导致强度不足，因此控制锰的含量为1.55％～1.68％。钒、铌和铝复合可以细化晶粒，因此控制V含量为0.04～0.07％、Nb含量为0.03～0.05％、Al含量为0.02～0.04％，以充分发挥相互的配合作用。镍用于提高淬透性和强度，控制在0.3～0.75％以更稳定地满足低温下的要求。通过上述各元素的比例配合，使得所形成的车轴具有高强高韧特性，能够满足低温下(约零下30℃至零下50℃)的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种低温环境用挂车车轴的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

对钢坯进行加热处理，得到热坯，所述钢坯的各化学元素成分重量百分比为：C 0.19～0.23、Si 0.20～0.37、Mn 1.55～1.68、V 0.04～0.07、Nb 0.03～0.05、Al 0.02～0.04、Ni0.3～0.75、余量为Fe及不可避免的杂质；

对所述热坯依次进行热穿孔和热轧制，得到荒管；

对所述荒管进行定方，得到方管，

采用定方装置对所述荒管进行定方，所述定方装置包括：沿管材输送方向依次设置的一个或多个圆管轧辊机和一个或多个方管轧辊机，各所述方管轧辊机包括：

机架(1)；

三组轧辊部，每组轧辊部均具有一个主动运动的轧辊，各所述轧辊均设置在所述机架(1)上，三组轧辊部中的三个轧辊包括第一轧辊(21)、第二轧辊(22)和第三轧辊(23)，各所述轧辊的轴线在同一平面内相交，各所述轧辊的轧辊槽组合后形成方形孔，所述方形孔的各侧壁为弧形侧壁，所述第一轧辊(21)的轴线沿水平方向设置，所述第二轧辊(22)和所述第三轧辊(23)的轧辊槽沿所述第一轧辊(21)的轧辊槽的垂直平分线对称设置且各所述轧辊的轴线相交形成等边三角形，且所述第一轧辊(21)的轧辊槽构成所述方形孔的相邻的两个侧壁，所述第二轧辊(22)的轧辊槽与所述第三轧辊(23)的轧辊槽构成所述方形孔的另外两个侧壁中的各一个。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述圆管轧辊机为一个，所述方管轧辊机为多个，沿所述管材输送方向，所述方管轧辊机孔径依次减小、曲率半径依次增加。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述方管轧辊机的总压下率为12～15％，沿所述管材输送方向，所述方管轧辊机的压下率依次为1.2～1.5％、6.0～8.0％、5.0～6.0％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对钢坯进行加热处理的过程包括对所述钢坯依次进行随炉预热、分段加热和均热得到所述热坯。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分段加热包括五段加热，其中加热一段的温度为850～940℃，加热二段的温度为980～1080℃，加热三段的温度为1130～1170℃，加热四段的温度为1230～1280℃，加热五段的温度为1230～1280℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述均热的温度为1220～1270℃。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热处理的时间为1.5～4h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热穿孔为锥形穿孔。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热轧制采用连轧机轧制。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述锥形穿孔得到的毛管外径分别为φ246mm、φ288mm、φ336mm和φ410mm，与所述毛管外径依次对应的所述连轧机的孔径为φ210mm、φ248mm、φ293mm、φ364mm。

11.一种挂车车轴，其特征在于，所述挂车车轴采用权利要求1至10中任一项所述的制备方法制备而成。

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