CN110952026B - 一种车轴用钢、制备方法及其应用 - Google Patents

一种车轴用钢、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种车轴用钢及其制备方法，其中，该车轴钢的化学成分为：按重量百分比计，C 0.26‑0.31％，Si≤0.40％，Mn 0.50‑0.70％，Cr 0.70‑0.90％，Ni 2.90‑3.30％，Mo 0.45‑0.55％，V 0.08‑0.13％，Al 0.015‑0.040％，P≤0.010％，S≤0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过优化车轴钢化学成分配比，在钢中添加适量的合金化元素Cr、Ni、Mo、V等进行合金化，并配合优选的热处理工艺，在钢中形成细小稳定的碳化物，产生晶粒细化和析出强化效果，使其强度和韧性得到显著提高，大幅度提高车轴钢的综合性能。

Description

一种车轴用钢、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，特别是涉及一种车轴用钢、制备方法及其应用。
背景技术
为满足现代列车的高速、大载荷、高疲劳强度等性能，高速列车车轴的选材已由普通列车和货车使用的中碳碳素钢转为强度和韧性更高的低碳合金钢，如法国的TGV、德国的ICE、日本的新干线。这些高速列车的运行速度均在250km/h以上，大大提高了铁路客运的运输能力，并在安全保障、智能控制和节能环保方面都取得了重大进展。我国自2008年京津城际高速列车通车运营，标志着中国高速列车时代的来临，并且需求量越来越大。
面对我国高铁运营的特殊情况，即站线长，速度快(最高时速可达380公里)，南北温差大(北方最低达-40℃，而南方最高可达40℃)，对现有的常规动车组(时速250公里以下)车轴材料已经不适应低温高速服役环境，如EA4T的小尺寸缺口疲劳试样疲劳强度只有215MPa，全尺寸缺口试样疲劳强度更是只有96MPa，在低温高寒条件下容易发生韧脆转变或低温疲劳损伤的危险。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中强度和韧性不够，在低温高寒条件下容易发生韧脆转变或低温疲劳损伤的缺陷，而提供一种车轴用钢。
本发明的另一个目的，是提供一种车轴用钢的制备方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种车轴用钢，由以下重量百分比的化学成分组成：
C 0.26-0.31％，
Si ≤0.40％，
Mn 0.50-0.70％，
Cr 0.70-0.90％，
Ni 2.90-3.30％，
Mo 0.45-0.55％，
V 0.08-0.13％，
Al 0.015-0.050％，
余量为Fe和不可避免的杂质；
并采用如下制备工艺制备，包括以下步骤：
步骤1：电炉冶炼工序：将炉料和部分造渣材料加入电炉冶炼，吹氧助熔，熔池形成后再加入另一部分造渣材料，熔化后期温度为1535℃-1545℃时，流渣得粗炼钢水，所述粗炼钢水中的C≥0.10％，P≤0.003％，S≤0.015％；
步骤2：钢包炉精练工序：将步骤1所得粗炼钢水注入精炼钢包内，并加入铝粉、碳粉、FeSi粉造白渣直至白渣渣层厚度为200～300mm，扩散脱氧，升温至温度≥1580℃，加入铝线调整氧含量，并根据化学元素炉前分析结果，加入相应铁合金或金属微调各元素成分后吹氩气精炼得精炼钢水；
步骤3：VD真空脱气工序：将装有温度为1640-1670℃的精炼钢水的精炼钢包移到VD工位，吹氩气≥30min进行真空脱气处理，真空脱气后加入铝铁调整精炼钢水中的铝元素的含量；
步骤4：铸锭工序：在中间包氩气保护气氛下，将精炼钢包中的精炼钢水完全进入中间包，浇铸温度为1550℃-1590℃，解除真空之后50s内在精炼钢水液面上加入发热剂和碳化稻壳，约6-10小时后，表面降温至890-910℃出钢锭；
步骤5：锻造工序：钢锭脱模后及时热送，采用锻压机锻成车轴钢坯，始锻温度为1150-1200℃，终锻温度大于800℃，锻造比不小于4，采用堆垛空冷方式进行冷却；正火温度为890-910℃；调质处理温度为870-900℃，回火温度为620-640℃。
在上述技术方案中，由以下重量百分比的化学成分经制备工艺制备而成：
C 0.27-0.30％，
Si 0.20-0.25％，
Mn 0.61-0.62％，
Cr 0.81-0.82％，
Ni 3.12-3.13％，
Mo 0.51-0.52％，
V 0.10-0.12％，
Al 0.015-0.017％，
余量为Fe和不可避免的杂质。
在上述技术方案中，所述不可避免的杂质中，P≤0.010％，S≤0.006％，Cu≤0.03％。
在上述技术方案中，所述不可避免的杂质中，H≤1.5ppm，O≤25ppm，N≤70ppm。
在上述技术方案中，所述车轴钢坯的截面组织为回火马氏体和回火贝氏体，晶粒度为6.5-7级。
在上述技术方案中，20℃时，所述车轴钢坯的纵向冲击韧性为110-135J，横向冲击韧性为69-95J；-25℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为69-85J；-50℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为53-64J，-75℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为31-62J。
在上述技术方案中，在所述制备工艺的步骤1中，所述炉料包括铁水、废钢和镍板，所述造渣材料包括石灰和萤石，其中石灰和萤石的质量比为4:1，所述部分造渣材料和另一部分造渣材料的质量比为3:2。
在上述技术方案中，在所述制备工艺的步骤2中，铝线的加入量为每吨钢水加入2kg；
在上述技术方案中，在所述制备工艺的步骤2中，所述吹氩气精炼时间大于30min，氩气流量大于40L/min；所述相应铁合金或金属为65％铬铁、60％钼铁、75％硅铁、75％钒铁和锰铁、纯镍板。
本发明的另一个目的，一种车轴用钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：电炉冶炼工序：将炉料和部分造渣材料加入电炉冶炼，吹氧助熔，熔池形成后再加入另一部分造渣材料，熔化后期温度为1535℃-1545℃时，流渣得粗炼钢水，所述粗炼钢水中的C≥0.10％，P≤0.003％，S≤0.015％；
步骤2：钢包炉精练工序：将步骤1所得粗炼钢水注入精炼钢包内，并加入铝粉、碳粉、FeSi粉造白渣直至白渣渣层厚度为200～300mm，扩散脱氧，升温至温度≥1580℃，加入铝线调整氧含量，并根据化学元素炉前分析结果，加入相应铁合金或金属微调各元素成分后吹氩气精炼得精炼钢水，使得所述精炼钢水由以下重量百分比的化学成分组成：
C 0.26-0.31％，
Si ≤0.40％，
Mn 0.50-0.70％，
Cr 0.70-0.90％，
Ni 2.90-3.30％，
Mo 0.45-0.55％，
V 0.08-0.13％，
Al 0.015-0.050％，
余量为Fe和不可避免的杂质；
步骤3：VD真空脱气工序：将装有温度为1640-1670℃的精炼钢水的精炼钢包移到VD工位，吹氩气≥30min进行真空脱气处理，真空脱气后加入铝铁调整精炼钢水中的铝元素的含量；
步骤4：铸锭工序：在中间包氩气保护气氛下，将精炼钢包中的精炼钢水完全进入中间包，浇铸温度为1550℃-1590℃，解除真空之后50s内在精炼钢水液面上加入发热剂和碳化稻壳，约6-10小时后，表面降温至890-910℃出钢锭；
步骤5：锻造工序：钢锭脱模后及时热送，采用锻压机锻成车轴钢坯，始锻温度为1150-1200℃，终锻温度大于800℃，锻造比不小于4，采用堆垛空冷方式进行冷却；正火温度为890-910℃；调质处理温度为870-900℃，回火温度为620-640℃。
本发明的另一个目的，上述车轴用钢在加工高速列车空心车轴中的应用。
本发明的合金设计理由如下：
C：能提高钢的强度，但显著降低钢的韧性。
Si：在炼钢中加Si作为还原剂和脱氧剂，此外，Si有提高淬透性及强化铁素体作用。
Mn：是提高钢的淬透性的重要元素。在炼钢过程中，Mn也是良好的脱氧剂和脱硫剂，但Mn扩大奥氏体相区，促进晶粒粗化。
Cr：是提高钢的淬透性，且Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
Ni：可以提高钢的塑性和韧性，以及降低钢的低温脆性转变温度。
Mo：能够增加钢的淬透性，还可以提高钢的回火稳定性和高温回火强度，提高疲劳性能。另外，Cr和Mo的共同作用将使钢的淬透性得到显著提高。
V：能产生二次硬化，提高钢的回火强度，同时析出的V(C,N)细小沉淀相可形成氢的深陷阱，从而提高钢的耐延迟断裂性能。
Al：是炼钢强脱氧剂。钢中保持适当含量的酸溶铝，可形成AlN细小析出相，有利于细化晶粒尺寸，提高钢强度和塑性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过优化车轴钢化学成分配比，在钢中添加适量的合金化元素Cr、Ni、Mo、V等进行合金化，并配合优选的热处理工艺，在钢中形成细小稳定的碳化物，产生晶粒细化和析出强化效果，使其强度和韧性得到显著提高，室温纵向冲击韧性还可达到135J，横向可达到92J，大幅度提高了车轴钢的综合性能。
2.本发明提供的车轴用钢在20℃时，所述车轴钢坯的纵向冲击韧性为110-135J，横向冲击韧性为69-95J；-25℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为69-85J；-50℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为53-64J，-75℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为31-62J，均符合Alstom要求和欧洲标准，适应了中国高铁运输中的低温和南北较大温差的环境。
附图说明
图1所示为实施例3中车轴调质态组织。
图2所示为实施例3中车轴透射组织形貌。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种车轴用钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：电炉冶炼工序：将炉料和部分造渣材料(炉料总质量的3％)加入电炉冶炼，所述炉料包括铁水、废钢和镍板(其中，生铁铁水配入量25～30％，余为核电专用废钢，镍板根据合金含量加入)，所述造渣材料包括石灰和萤石，其中石灰和萤石的质量比为4:1，送电后尽快吹氧助熔，氧压大于0.5Mpa，熔池形成后(即炉料完全熔清后)再加入另一部分造渣材料(炉料总质量的2％)，熔化后期温度在1535℃-1545℃时流渣(即将漂浮在钢水表面的渣除去，除渣量≥80％)，得粗炼钢水，所述粗炼钢水中的C≥0.10％，P≤0.003％，S≤0.015％；
步骤2：钢包炉精练工序：将步骤1所得粗炼钢水注入精炼钢包内，并加入铝粉、碳粉、FeSi粉造白渣，其中铝粉、碳粉、FeSi粉的量根据现场测量造成白渣的量的情况，一般白渣渣层厚度为200～300mm。扩散脱氧，升温至温度≥1580℃，加入铝线调整氧含量，铝线的加入量为每吨钢水加入2kg，并根据化学元素炉前分析结果，加入相应铁合金或金属(具体为65％铬铁、60％钼铁、75％硅铁和锰铁、纯镍板)微调各元素成分后吹氩气精炼得精炼钢水，吹氩气精炼时间大于30分钟，氩气流量大于40L/min，保证钢水液面不裸露在大气中；
步骤3：VD真空脱气工序：将装有温度为1640-1670℃的精炼钢水的精炼钢包移到VD工位，吹氩气≥30min进行真空脱气处理，直至精炼钢包内真空度为压强小于2torr并保持20min，真空脱气后按照铝含量为0.04％计算加入30％铝铁，并吹氩气15min以调整精炼钢水中的铝元素的含量；
步骤4：铸锭工序：在中间包氩气保护气氛下，将精炼钢包中的精炼钢水完全进入中间包，浇铸温度为1550℃-1590℃，解除真空之后50s内在精炼钢水液面上加入发热剂和碳化稻壳，约6-10小时后，表面降温至890-910℃左右出钢锭；
步骤5：锻造工序：钢锭脱模后及时热送，采用锻压机锻成车轴钢坯，始锻温度为1150-1200℃，终锻温度大于800℃，锻造比不小于4，采用堆垛空冷方式进行冷却；正火温度为890-910℃；调质处理温度为870-900℃，回火温度为620-640℃。
实施例2
依据实施例1中的制备方法工艺制备的车轴用钢，取样检验性能。
表1给出了该车轴钢的浇铸成分和车轴钢坯成分。
Figure BDA0002278066910000061
注：*S,P,O,N,H均为ppm；＊Al含量：控制范围、目标值和浇铸成分均为全铝，偏析分析值为酸容铝；As＝30ppm,Sn＝20ppm,Sb<7ppm
由此可见，按照上述工艺制备的车轴用钢，C控制在中限，合金成分Cr、Ni、Mo、V均匀在中上限范围内、有害元素P、S以及As、Sn、Sb都控制在较低水平。
将实施例1制备的车轴钢在车轴轴颈1/2半径处取样，进行金相和力学性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度Re，抗拉强度Rm，伸长率A及断面收缩率Z；冲击功AKU按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法进行检测。检测结果如表2所示。
Figure BDA0002278066910000062
由此可见，该车轴钢具有良好的强度和韧性，特别是在保证高强度的基础上，室温纵向冲击韧性还可达到135J，横向可达到92J。该转轴钢的力学性能完全达到Alstom要求和欧洲标准。此外，该转轴钢在-25℃时的横向冲击韧性为85J，-50℃时的横向冲击韧性为53J，-75℃时的横向冲击韧性为31J，均符合Alstom要求和欧洲标准，适应了中国高铁运输中的低温环境。
该车轴截面组织为回火马氏体和回火贝氏体，晶粒度为6.5-7级，夹杂物合格，如表3所示。
Figure BDA0002278066910000071
实施例3
依据实施例1中的制备方法工艺制备的车轴用钢，取样检验性能。
表4给出了该车轴钢的浇铸成分和车轴钢坯成分。
Figure BDA0002278066910000072
注：*S,P,O,N,H均为ppm；＊Al含量：控制范围、目标值和浇铸成分均为全铝，偏析分析值为酸容铝；As＝30ppm,Sn＝20ppm,Sb<7ppm
由此可见，按照上述工艺制备的车轴用钢，C控制在中上限，合金成分Cr、Ni、Mo、V均匀在中限范围内、有害元素P、S以及As、Sn、Sb都控制在较低水平。
将此车轴钢取样，进行金相和力学性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度Re，抗拉强度Rm，伸长率A及断面收缩率Z；冲击功AKU按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法进行检测。检测结果如表5所示。
Figure BDA0002278066910000073
Figure BDA0002278066910000081
由此可见，该车轴钢具有良好的强度和韧性，特别是在保证高强度的基础上，室温纵向冲击韧性还可达到110J，横向可达到69J。该转轴钢的力学性能完全达到Alstom要求和欧洲标准。此外，该转轴钢在-25℃时的横向冲击韧性为69J，-50℃时的横向冲击韧性为64J，-75℃时的横向冲击韧性为62J，均符合Alstom要求和欧洲标准，适应了中国高铁运输中的低温环境。此外，该车轴钢在室温和-25℃时的横向冲击韧性均为69J，适合于中国高铁南北方温差较大的情况。
该车轴截面组织为回火马氏体和回火贝氏体，晶粒度为6.5-7级，夹杂物合格，如表3所示。
Figure BDA0002278066910000082
通过扫描电镜和透视电镜观察和分析，如图1和图2所示，在此钢中形成细小稳定的碳氮化物，尤其钢中低温析出V(C、N)的数量多、尺寸小，产生晶粒细化和析出强化效果，提高了合金钢的强度和低温韧性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车轴用钢，其特征在于，由以下重量百分比的化学成分组成：
Figure FDA0002972617330000011
余量为Fe和不可避免的杂质；
并采用如下制备工艺制备，包括以下步骤：
步骤1：电炉冶炼工序：将炉料和部分造渣材料加入电炉冶炼，吹氧助熔，熔池形成后再加入另一部分造渣材料，熔化后期温度为1535℃-1545℃时，流渣得粗炼钢水，所述粗炼钢水中的C≥0.10％，P≤0.003％，S≤0.015％；
步骤2：钢包炉精炼工序：将步骤1所得粗炼钢水注入精炼钢包内，并加入铝粉、碳粉、FeSi粉造白渣直至白渣渣层厚度为200～300mm，扩散脱氧，升温至温度≥1580℃，加入铝线调整氧含量，并根据化学元素炉前分析结果，加入相应铁合金或金属微调各元素成分后吹氩气精炼得精炼钢水；
步骤3：VD真空脱气工序：将装有温度为1640-1670℃的精炼钢水的精炼钢包移到VD工位，吹氩气≥30min进行真空脱气处理，真空脱气后加入铝铁调整精炼钢水中的铝元素的含量；
步骤4：铸锭工序：在中间包氩气保护气氛下，将精炼钢包中的精炼钢水完全进入中间包，浇铸温度为1550℃-1590℃，解除真空之后50s内在精炼钢水液面上加入发热剂和碳化稻壳，6-10小时后，表面降温至890-910℃出钢锭；
步骤5：锻造工序：钢锭脱模后及时热送，采用锻压机锻成车轴钢坯，始锻温度为1150-1200℃，终锻温度大于800℃，锻造比不小于4，采用堆垛空冷方式进行冷却；正火温度为890-910℃；调质处理温度为870-900℃，回火温度为620-640℃。
2.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，由以下重量百分比的化学成分经制备工艺制备而成：
Figure FDA0002972617330000021
余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，所述不可避免的杂质中，P≤0.010％，S≤0.006％，Cu≤0.03％。
4.如权利要求3所述的车轴用钢，其特征在于，所述不可避免的杂质中，H≤1.5ppm，O≤25ppm，N≤70ppm。
5.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，所述车轴钢坯的截面组织为回火马氏体和回火贝氏体，晶粒度为6.5-7级。
6.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，20℃时，所述车轴钢坯的纵向冲击韧性为110-135J，横向冲击韧性为69-95J；-25℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为69-85J；-50℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为53-64J，-75℃时，所述车轴钢坯的横向冲击韧性为31-62J。
7.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，在所述制备工艺的步骤1中，所述炉料包括铁水、废钢和镍板，所述造渣材料包括石灰和萤石，其中石灰和萤石的质量比为4:1，所述部分造渣材料和另一部分造渣材料的质量比为3:2。
8.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，在所述制备工艺的步骤2中，铝线的加入量为每吨钢水加入2kg；所述吹氩气精炼时间大于30min，氩气流量大于40L/min；所述相应铁合金为65wt％铬铁、60％钼铁、75％硅铁、75％钒铁或锰铁中的一种或多种，所述金属为纯镍板。
9.一种车轴用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电炉冶炼工序：将炉料和部分造渣材料加入电炉冶炼，吹氧助熔，熔池形成后再加入另一部分造渣材料，熔化后期温度为1535℃-1545℃时，流渣得粗炼钢水，所述粗炼钢水中的C≥0.10％，P≤0.003％，S≤0.015％；
步骤2：钢包炉精炼工序：将步骤1所得粗炼钢水注入精炼钢包内，并加入铝粉、碳粉、FeSi粉造白渣直至白渣渣层厚度为200～300mm，扩散脱氧，升温至温度≥1580℃，加入铝线调整氧含量，并根据化学元素炉前分析结果，加入相应铁合金或金属微调各元素成分后吹氩气精炼得精炼钢水，使得所述精炼钢水由以下重量百分比的化学成分组成：
Figure FDA0002972617330000031
余量为Fe和不可避免的杂质；
步骤3：VD真空脱气工序：将装有温度为1640-1670℃的精炼钢水的精炼钢包移到VD工位，吹氩气≥30min进行真空脱气处理，真空脱气后加入铝铁调整精炼钢水中的铝元素的含量；
步骤4：铸锭工序：在中间包氩气保护气氛下，将精炼钢包中的精炼钢水完全进入中间包，浇铸温度为1550℃-1590℃，解除真空之后50s内在精炼钢水液面上加入发热剂和碳化稻壳，6-10小时后，表面降温至890-910℃出钢锭；
步骤5：锻造工序：钢锭脱模后及时热送，采用锻压机锻成车轴钢坯，始锻温度为1150-1200℃，终锻温度大于800℃，锻造比不小于4，采用堆垛空冷方式进行冷却；正火温度为890-910℃；调质处理温度为870-900℃，回火温度为620-640℃。
10.权利要求1-8中任一项所述的车轴用钢在加工高速列车空心车轴中的应用。
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