CN109930073B - 含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢及其制造方法，属于钢铁冶金领域。本发明提供了含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.14％～0.18％、Si：0.25％～0.40％、Mn：1.35％～1.55％、Cr：0.20％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.010％～0.025％、Nb≤0.005％、N：0.0090％～0.0110％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。上述钢材经920℃正火+480℃回火后，其屈服强度≥460MPa、Akv(‑40℃)≥27J，疲劳性能检验100万次无裂纹。

Description

含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢及其制造方法，属于钢铁冶金领域。

背景技术

铁路货车组合式制动梁是铁路货车转向架制动系统的关键部件，在车辆的运行过程中起着传递刹车制动力、固定和支撑货车制动系统的重要作用，经常受到冲击、扭转、剪切等复杂交变应力作用，从而发生变形甚至断裂，降低了制动系统的安全性和可靠性，因此，对其力学性能、疲劳性能等均有较高要求，要求经热处理后屈服强度≥460MPa、Akv(-40℃)≥27J，疲劳性能要求100万次无裂纹。

现有技术通常采用低合金高强度钢Q460E制造铁路货车组合式制动梁，但由于其强韧性匹配性能要求较高，往往造成性能不合的情况。具体而言，上述低合金钢通常通过加入一定的V、Ti、Nb等微合金元素以提高其强度，但加入V、Ti、Nb等微合金元素所形成的碳氮化物在加热过程中容易发生固溶，造成奥氏体晶格畸变，轧后冷却时在晶格畸变大的地方发生不规则的针(片)状铁素体转变，而周围被分割的奥氏体在达到Ar3后，转变成包围铁素体的珠光体而形成魏氏组织，极大地降低了低温冲击韧性。例如，文献《L-B型制动梁材质Q460E钢中魏氏组织的研究》表明，在含有0.08％的V、0.034％的Nb、0.010％的Ti，加热温度在940℃以上时，无论采取风冷还是空冷都会产生一定的魏氏组织，随着加热温度的增加，魏氏组织含量增加，且低温冲击功Akv(-40℃)随魏氏组织含量的增加呈台阶式下降。文献《铁路货车制动梁用Q460E钢魏氏组织定量分析讨论》中也得出，随着魏氏组织面积百分含量的增加，试样冲击功呈台阶状降低，当魏氏组织面积含量在15％～38％时，冲击功靠近技术条件规定的下限。文献《铁路火车制动梁Q460E工艺质量控制》也表明，在含有0.15％的V、0.06％的Nb、0.01％的Ti、0.59％的Ni，加热温度为920℃时，魏氏组织面积含量约占3％。虽然，在含有一定量的魏氏组织时，强度和力学性能指标也能满足标准要求，但却有可能造成性能不合的风险。因此，如何在提高强度的同时，通过化学成分设计或工艺和组织控制来保证其具有良好稳定的强韧性匹配是目前该类钢种的控制关键。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢。本发明的另一目的在于提供所述铁路货车组合式制动梁用钢的制造方法。

本发明提供了含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.14％～0.18％、Si：0.25％～0.40％、Mn：1.35％～1.55％、Cr：0.20％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.010％～0.025％、Nb≤0.005％、N：0.0090％～0.0110％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，化学成分按重量百分比计为：C：0.15％～0.17％、Si：0.26％～0.37％、Mn：1.37％～1.51％、Cr：0.22％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.011％～0.022％、Nb：0.001～0.002％、N：0.0094％～0.0108％、P：0.010～0.012％、S：0.006～0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，所述的铁路货车组合式制动梁用钢是由下述方法制备得到的：冶炼得到所述化学成分的钢水，连铸成钢坯，钢坯加热，轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，冷却，即得。

进一步地，所述连铸满足以下至少一项：

控制连铸机中间包的温度为1530～1550℃；

优选地，控制连铸机中间包的温度为1534～1542℃；

连铸成的钢坯自然冷却到室温。

本发明中，钢的液相线温度为1510℃，连铸时控制连铸机中间包的过热度为20～40℃将钢水浇铸成钢坯。该温度是通过LF炉电加热来实现的。

进一步地，所述钢坯加热满足以下至少一项：

加热温度为1000～1100℃；

优选地，最高加热温度为1086～1191℃；

总加热时间不超过公式T＝C*B计算得到的总时间，其中，T代表总加热时间，单位为h；C代表钢坯厚度，单位为cm；B代表系数，取值范围为0.15～0.20；

优选地，总加热时间为105～134min；

均热时间为10～20min；

优选地，均热时间为16～18min。

进一步地，所述冷却满足以下至少一项：

冷却速度不大于2.5℃/s；

优选地，冷却速度为0.5～2.2℃/s；

冷却方式为自然空冷；

冷至400℃以下进行收集。

本发明提供了所述铁路货车组合式制动梁用钢的制造方法，包括如下步骤：冶炼得到所述化学成分的钢水，连铸成钢坯，钢坯加热，轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，冷却，即得。

优选地，所述冶炼包括如下步骤：转炉冶炼，LF炉精炼，真空处理，即可。

进一步地，所述转炉冶炼满足以下至少一项：

向转炉内加入铁水和/或废钢，控制S含量不大于0.060％，Nb含量不大于0.005％；

当钢水成分初炼到C为0.05％～0.10％、P不大于0.010％、S不大于0.010％，且钢水温度不低于1670℃时出钢到钢包中；

出钢过程中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金和含有V元素的合金，控制C在0.10％～0.15％范围内、控制Si在0.25％～0.40％范围内，控制Mn在1.35％～1.55％范围内，控制Cr在0.20％～0.30％范围内，控制V在0.10％～0.14％范围内；

所述含V元素的合金选自FeV和/或VN合金；

优选地，当加入VN合金时，将钢水中的N控制在0.0090％以下；

出钢过程中加入脱氧合金对钢水进行预脱氧；

所述脱氧合金选自铝铁合金、硅铁合金、硅锰合金、硅钙钡合金中一种或两种以上；

在出钢1/3时开始加入合金，出钢至2/3时加完。

其中，当加入VN合金时，将钢水中的N控制在0.0090％以下，以免因后工序自然吸N而造成N含量超出0.0110％的上限，不足的N可在真空处理后进行补加。

进一步地，所述LF炉精炼控制电加热温度高于液相线温度60～90℃。

进一步地，所述真空处理满足以下至少一项：

采用AD、AOD或RH真空处理设备进行真空处理；

真空度≤3mbar的处理时间不小于12min；

在真空处理后期对化学成分进行成分微调，得到所述化学成分的钢水；

在对化学成分进行成分微调时，加入FeTi合金调整Ti的含量；

通过在真空处理后期加入含N的合金或真空处理完后喂含N合金的包芯线调整N的含量。

本发明提供的含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢经920℃正火+480℃回火后，其屈服强度≥460MPa、Akv(-40℃)≥27J，制成铁路货车组合式制动梁后按照GB/T1978标准进行疲劳性能检验100万次无裂纹。

具体实施方式

本发明提供了含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.14％～0.18％、Si：0.25％～0.40％、Mn：1.35％～1.55％、Cr：0.20％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.010％～0.025％、Nb≤0.005％、N：0.0090％～0.0110％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明是基于现有的低合金高强度钢Q460E所进行的化学成分设计和改进。其中加入0.0090％～0.0110％的N，主要作用是与钢中的V、Ti结合，形成细小的V(C，N)和Ti(C，N)质点，更加充分的发挥V、Ti的细晶强化作用，以提高钢材的强韧性。

其次，本发明优化了V和Ti的含量：加入0.10％～0.14％的V和0.010％～0.025％的Ti，一方面通过V、Ti的固溶强化作用提高钢材的强度，另一方面可以固定钢中的N，以保证钢材的时效性能。

本发明还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一些实施例，控制钢坯加热的加热温度为1000～1100℃，总加热时间不超过公式T＝C*B计算得到的总时间，均热时间为10～20min，选择自然空冷的冷却方式，控制冷却速度不大于2.5℃/s，冷至400℃以下进行收集，不在轧制的型钢上进行喷水、吹风、喷雾等加速冷却，能够避免产生魏氏组织对低温冲击性能造成不利影响。当自然环境较低时，在自然冷却条件下冷速大于了2.5℃/s，需采取入缓冷坑缓冷、及时堆垛等方式，确保冷速不大于2.5℃/s。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1本发明铁路货车组合式制动梁用钢的制造

某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产铁路货车组合式制动梁用型钢，生产工艺为：转炉冶炼→LF炉电加热→RH真空处理→6机6流方坯连铸机浇铸成150mm×150mm钢坯→钢坯加热→轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢。具体工艺：

首先在转炉内加入140吨铁水，加入的铁水S含量不大于0.060％，Nb含量不大于0.005％。铁水加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.07％的C、0.0010％的P、0.006％的S，温度为1682℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为134吨。出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeCr、FeV合金和无烟煤进行C、Si、Mn、Cr和V元素合金化，控制钢水中C含量为0.14％、Si含量为0.37％、Mn含量为1.50％、Cr含量为0.29％、V含量为0.14％。并加入一定的脱氧合金(脱氧合金可以是铝铁、硅铁、硅锰合金、硅钙钡等合金)对钢水进行预脱氧。在出钢1/3时开始加入合金，出钢至2/3时必须加完。

钢水到达LF炉后进行电加热和精炼，钢水温度到达1588℃时将钢水转移至RH工序。

钢水到达RH工序后进行真空处理，真空度≤3mbar的处理时间为15min，并对化学成分进行微调(此时加入FeTi合金调整Ti含量)，其中N的调整是采用喂含N的合金包芯线方式加入。

在6机6流方坯连铸机上浇铸成150mm×150mm铸坯，连铸时中间包温度为1542℃,钢的液相线温度为1510℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.17％的C、0.37％的Si、1.51％的Mn、0.29％的Cr、0.14％的V、0.022％的Ti、0.002％的Nb(残余)、0.012％的P、0.006％的S、0.0108％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。

铸坯冷却后送至型材生产线进行加热、轧制。铸坯最高加热温度为1091℃，总加热时间为105min，均热时间为16min，随后出炉轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，上冷床后进行自然空冷，冷却速度为0.5～2.2℃/s，冷至400℃以下时进行收集。

经920℃正火+480℃回火后，钢的力学性能检验结果为：ReL为491MPa、Rm为653MPa、A为38.5％、Akv(-40℃)为91J；组织为铁素体+珠光体，魏氏组织为0级。制成铁路货车组合式制动梁后按照GB/T1978标准进行疲劳性能检验100万次无裂纹。

实施例2本发明铁路货车组合式制动梁用钢的制造

某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产铁路货车组合式制动梁用型钢，生产工艺为：转炉冶炼→LF炉电加热→RH真空处理→6机6流方坯连铸机浇铸成200mm×200mm钢坯→钢坯加热→轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢。具体工艺：

首先在转炉内加入136吨铁水，加入的铁水S含量不大于0.060％，Nb含量不大于0.005％。铁水加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.05％的C、0.007％的P、0.008％的S，温度为1689℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为131吨。出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeCr、FeV合金和无烟煤进行C、Si、Mn、Cr和V元素合金化，控制钢水中C含量为0.14％、Si含量为0.25％、Mn含量为1.36％、Cr含量为0.23％、V含量为0.13％。并加入一定的脱氧合金(脱氧合金可以是铝铁、硅铁、硅锰合金、硅钙钡等合金)对钢水进行预脱氧。在出钢1/3时开始加入合金，出钢至2/3时必须加完。

钢水到达LF炉后进行电加热和精炼，钢水温度到达1588℃时将钢水转移至RH工序。

钢水到达RH工序后进行真空处理，真空度≤3mbar的处理时间为13min，并对化学成分进行微调(此时加入FeTi合金调整Ti含量)，其中N的调整是采用喂含N的合金包芯线方式加入。

在6机6流方坯连铸机上浇铸成200mm×200mm铸坯，连铸时中间包温度为1534℃,钢的液相线温度为1510℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.15％的C、0.26％的Si、1.37％的Mn、0.22％的Cr、0.13％的V、0.018％的Ti、0.002％的Nb(残余)、0.010％的P、0.009％的S、0.0098％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。

铸坯冷却后送至型材生产线进行加热、轧制。铸坯最高加热温度为1090℃，总加热时间为134min，均热时间为18min，随后出炉轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，上冷床后进行自然空冷，冷却速度为0.5～2.2℃/s，冷至400℃以下时进行收集。

经920℃正火+480℃回火后，钢的力学性能检验结果为：ReL为479MPa、Rm为651MPa、A为34.0％、Akv(-40℃)为67J；组织为铁素体+珠光体，魏氏组织为0级。制成铁路货车组合式制动梁后按照GB/T1978标准进行疲劳性能检验100万次无裂纹。

实施例3本发明铁路货车组合式制动梁用钢的制造

某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产铁路货车组合式制动梁用型钢，生产工艺为：转炉冶炼→LF炉电加热→RH真空处理→6机6流方坯连铸机浇铸成160mm×160mm钢坯→钢坯加热→轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢。具体工艺：

首先在转炉内加入131吨铁水，加入的铁水S含量不大于0.060％，Nb含量不大于0.005％。铁水加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.06％的C、0.007％的P、0.007％的S，温度为1688℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为124吨。出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeCr、FeV合金和无烟煤进行C、Si、Mn、Cr和V元素合金化，控制钢水中C含量为0.15％、Si含量为0.33％、Mn含量为1.42％、Cr含量为0.30％、V含量为0.10％。并加入一定的脱氧合金(脱氧合金可以是铝铁、硅铁、硅锰合金、硅钙钡等合金)对钢水进行预脱氧。在出钢1/3时开始加入合金，出钢至2/3时必须加完。

钢水到达LF炉后进行电加热和精炼，钢水温度到达1589℃时将钢水转移至RH工序。

钢水到达RH工序后进行真空处理，真空度≤3mbar的处理时间为14min，并对化学成分进行微调(此时加入FeTi合金调整Ti含量)，其中N的调整是采用喂含N的合金包芯线方式加入。

在6机6流方坯连铸机上浇铸成200mm×200mm铸坯，连铸时中间包温度为1536℃,钢的液相线温度为1510℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.15％的C、0.33％的Si、1.42％的Mn、0.30％的Cr、0.10％的V、0.011％的Ti、0.001％的Nb(残余)、0.011％的P、0.006％的S、0.0094％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。

铸坯冷却后送至型材生产线进行加热、轧制。铸坯最高加热温度为1086℃，总加热时间为111min，均热时间为17min，随后出炉轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，上冷床后进行自然空冷，冷却速度为0.5～2.2℃/s，冷至400℃以下时进行收集。

经920℃正火+480℃回火后，钢的力学性能检验结果为：ReL为483MPa、Rm为626MPa、A为37.5％、Akv(-40℃)为101J；组织为铁素体+珠光体，魏氏组织为0级。制成铁路货车组合式制动梁后按照GB/T1978标准进行疲劳性能检验100万次无裂纹。

需要说明的是，本说明书中描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合和组合。

Claims (12)

1.含V、Ti的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：化学成分按重量百分比计为：C：0.14％～0.18％、Si：0.25％～0.40％、Mn：1.35％～1.55％、Cr：0.20％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.010％～0.025％、Nb≤0.005％、N：0.0090％～0.0110％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述的铁路货车组合式制动梁用钢是由下述方法制备得到的：冶炼得到所述化学成分的钢水，连铸成钢坯，钢坯加热，轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，冷却，即得；其中，所述钢坯加热的加热温度为1000～1100℃；总加热时间不超过公式T＝C*B计算得到的总时间，其中，T代表总加热时间，单位为h；C代表钢坯厚度，单位为cm；B代表系数，取值范围为0.15～0.20；均热时间为10～20min；所述冷却的冷却速度不大于2.5℃/s；冷却方式为自然空冷；冷至400℃以下进行收集。

2.如权利要求1所述的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：化学成分按重量百分比计为：C：0.15％～0.17％、Si：0.26％～0.37％、Mn：1.37％～1.51％、Cr：0.22％～0.30％、V：0.10％～0.14％、Ti：0.011％～0.022％、Nb：0.001～0.002％、N：0.0094％～0.0108％、P：0.010～0.012％、S：0.006～0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1或2所述的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：所述连铸满足以下至少一项：

控制连铸机中间包的温度为1530～1550℃；

连铸成的钢坯自然冷却到室温。

4.如权利要求1或2所述的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：所述连铸控制连铸机中间包的温度为1534～1542℃。

5.如权利要求1或2所述的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：所述钢坯加热满足以下至少一项：

最高加热温度为1086～1191℃；

总加热时间为105～134min；

均热时间为16～18min。

6.如权利要求1或2所述的铁路货车组合式制动梁用钢，其特征是：所述冷却的冷却速度为0.5～2.2℃/s。

7.权利要求1～6任意一项所述铁路货车组合式制动梁用钢的制造方法，其特征是：包括如下步骤：冶炼得到所述化学成分的钢水，连铸成钢坯，钢坯加热，轧制成铁路货车组合式制动梁用型钢，冷却，即得。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征是：所述冶炼包括如下步骤：转炉冶炼，LF炉精炼，真空处理，即可。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征是：所述转炉冶炼满足以下至少一项：

向转炉内加入铁水和/或废钢，控制S含量不大于0.060％，Nb含量不大于0.005％；

当钢水成分初炼到C为0.05％～0.10％、P不大于0.010％、S不大于0.010％，且钢水温度不低于1670℃时出钢到钢包中；

出钢过程中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金和含有V元素的合金，控制C在0.10％～0.15％范围内、控制Si在0.25％～0.40％范围内，控制Mn在1.35％～1.55％范围内，控制Cr在0.20％～0.30％范围内，控制V在0.10％～0.14％范围内；

所述含V元素的合金选自FeV和/或VN合金；

出钢过程中加入脱氧合金对钢水进行预脱氧；

所述脱氧合金选自铝铁合金、硅铁合金、硅锰合金、硅钙钡合金中一种或两种以上；

在出钢1/3时开始加入合金，出钢至2/3时加完。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征是：当加入VN合金时，将钢水中的N控制在0.0090％以下。

11.如权利要求8所述的制造方法，其特征是：所述LF炉精炼控制电加热温度高于液相线温度60～90℃。

12.如权利要求8所述的制造方法，其特征是：所述真空处理满足以下至少一项：

采用AD、AOD或RH真空处理设备进行真空处理；

真空度≤3mbar的处理时间不小于12min；

在真空处理后期对化学成分进行成分微调，得到所述化学成分的钢水；

在对化学成分进行成分微调时，加入FeTi合金调整Ti的含量；

通过在真空处理后期加入含N的合金或真空处理完后喂含N合金的包芯线调整N的含量。