CN111321343A

CN111321343A - 一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法

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Publication number: CN111321343A
Application number: CN202010143256.3A
Authority: CN
Inventors: 胡芳忠; 汪开忠; 高振波; 陈世杰; 郝震宇; 许兴; 姜婷
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: CN111321343B

Abstract

本发明公开了一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法，所述锻造钩舌用钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.25‑0.35％、Si 0.10‑0.30％、Mn 0.30‑0.70％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 0.50‑1.50％、Ni 2.50‑3.50％、Mo 0.40‑0.60％、Al 0.010‑0.050％、V 0.08‑0.15％、N≤60ppm、T.O≤10ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且，0.075％≤0.0602Cr+0.0625Mo+0.235V≤0.17％。此钢种和普通锻造钩舌用钢相比，在显著提高钩舌强度、韧性的同时，其耐磨性同时提高100％以上，从而显著提高钩舌的服役性能。

Description

一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法

技术领域

本发明属于机车车辆用钢技术领域，具体涉及一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法。

背景技术

在众多运输方式之中，铁路运输是我国目前最主要的运输方式之一，在国民经济发展中扮演重要角色。随着经济的发展，我国铁路运力的任务就越来越重。因此，国家原铁道部提出了“重载”和“提速”两大技术标准。

车钩在车辆牵引、连挂和发生缓冲作用时，直接完成车辆间纵向力的传递。随着轨道交通列车牵引吨位的增加和运行速度的提高，车辆在运行中由纵向冲击及交变载荷引起的振动显著增大，车辆配件磨损严重，特别是钩舌的断裂故障呈上升趋势，给铁路运输安全带来了严重隐患。目前铁路行业大都采用传统的铸造车钩，由于气孔、砂眼、裂纹等铸造缺陷的存在导致其裂纹萌生，缩短了使用寿命，已经不能满足高速、重载铁路应用的需要。

锻造钩舌因缺陷少、性能优良，使用寿命明显增大，已在铁路行业大规模推广应用。目前锻造钩舌用量较大是中国铁道行业标准TB/T456-2008《机车车辆用车钩、钩尾框》及美标AAR M201-2005《AAR标准与推荐规范手册联轴节与货车缓冲件-钢铸件》标准里E级钢，E级钢的化学成分和力学性能见表1和表2。

表1 E级钢的化学成分(单位：％)

级别	w(C)	w(Si)	w(Mn)	w(P)	w(S)
						E级钢	≤0.32	≤1.50	≤1.85	≤0.040	≤0.040

表2 E级钢力学性能要求

材料

R<sub>m</sub>/MPa

R<sub>p0.2</sub>/MPa

A/％

Z/％

冲击/J

硬度/HBW

E级钢

≥830

≥690

≥14

≥30

-40℃，≥27

241-311

钩舌作为货运列车的关键连接部件之一，其接触面之间没有润滑剂，因此两钩舌之间的摩擦属于干摩擦，而磨损是摩擦的必然结果。重载钩舌失效方式主要为钩舌S面上的摩擦、磨损疲劳失效。随着我国铁路交通运输朝着高速化、重载化的方向发展，以我国大轴重货车的运用，运行速度和载重负荷的提高将导致钩舌的服役条件更加苛刻，目前广泛应用的E级钢强韧性及耐磨性已无法满足重载列车需要，因此，需要进一步提高锻造钩舌的强韧性和耐磨性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法，此钢种和普通锻造钩舌用钢相比，在显著提高钩舌强度、韧性的同时，其耐磨性同时提高100％以上，从而显著提高钩舌的服役性能。

本发明采取的技术方案为：

一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.25-0.35％、Si 0.10-0.30％、Mn 0.30-0.70％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 0.50-1.50％、Ni2.50-3.50％、Mo 0.40-0.60％、Al 0.010-0.050％、V 0.08-0.15％、N≤60ppm、T.O≤10ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且，0.075％≤0.0602Cr+0.0625Mo+0.235V≤0.17％。

所述高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢抗拉强度≥1150MPa，屈服强度≥1000MPa，断后伸长率≥18％，-40℃冲击功(KV₂)≥100J。

本发明还提供了所述的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：

(1)正火，正火后空冷；

(2)回火，回火后空冷；

(3)淬火；

(4)回火，回火后水冷。

进一步地，步骤(1)中，所述正火温度为900-930℃，并可进一步分别优选为900～910℃、911～920℃、921～930℃；正火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按1.5～2.0min/mm计算；经过正火确保成分及组织的均匀性，为后续油淬火组织及成分均匀性奠定基础。

步骤(2)中，所述回火温度为670-700℃，并可进一步分别优选为670～680℃、681～690℃、691～700℃；回火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按2.0～2.5min/mm计算，确保锻造钩舌加工性能。

步骤(3)中，所述淬火温度为860-890℃，并可进一步分别优选为860～870℃、871～880℃、881～890℃；淬火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按1.0～1.5min/mm计算，淬火介质为油，从而确保淬火后组织均为马氏体。

步骤(4)中，所述回火温度为600-640℃，并可进一步分别优选为600～610℃、611～620℃、621～630℃、630～640℃；回火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按2.0～2.5min/mm计算，在确保强度的情况下，避免因冷速过慢导致回火脆性倾向增加。

本发明还提供了所述的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢的生产方法，采用电炉冶炼经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成的圆坯，经加热轧制成圆钢，再经加热锻造成板坯，经上述热处理方法进行热处理，然后进行精加工。

进一步地，所述圆坯的直径为

圆钢的直径为

板坯的厚度为75mm。

本发明提供的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢的成分中，各成分作用及控制原因如下：

C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的。高的C含量虽然对钢的强度、硬度及耐磨性等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.35％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度及高淬透性，C含量须在0.25％以上，因而C含量宜控制为0.25～0.35％。

Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.10～0.30％。

Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，可以提高钢的淬透性和强度，并且还可以提高奥氏体的稳定性，但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，并且本发明钢中Ni含量较高，淬透性较好，因而控制Mn含量在0.30％～0.70％。

Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度和高硬度，改善钢的耐摩性能和耐蚀性，尤其是高温回火过程中析出的大尺寸的M₂₃C₆析出相对提高钢的耐磨性极为有利；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的疲劳性能。但Cr在钢凝固时偏析程度较高，并且含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.50～1.50％。

Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性，并且Ni元素作为间隙固溶元素，可显著提高层错能，促进拉伸过程中位错滑移，从而提高钢的塑韧性。因此，控制Ni含量为2.50～3.50％。

Mo：Mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高，并且在高温回火过程中析出大尺寸的M2C相可显著提高钢的耐磨性。Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.40～0.60％。

V：V在钢中的作用主要为细化晶粒、并提高回火抗力，为保证本发明钢强度，通过添加适当V含量来提高回火抗力。因此，控制V含量为0.080～0.15％。

P：在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化加热时偏聚到晶界，使钢的脆性显著增大，从而使钢的高温回火脆性倾向增加。因此，P含量应控制在0.010％以下。

S：不可避免的不纯物，形成MnS夹杂物和在晶界偏析会恶化钢的韧性，从而降低钢的韧塑性，本发明钢中Mn含量相对较低。因此，S含量应严格控制在0.005％以下。

Al：Al是钢中主要的脱氧元素，与钢中N元素形成AlN析出相具有抑制晶粒长大的效果，Al含量应控制在0.010-0.050％。

N：N虽然能与钢中的Al元素形成AlN析出相具有抑制晶粒长大的效果，但过高的N含量会降低钢的塑韧性，因此，，N含量应控制在≤60pm。

本发明在传统钩舌用钢成分的基础上适当添加Cr、Mo、V含量，并大幅度提高Ni含量、并适当降低Mn含量，来提高锻造钩舌用钢的淬透性和高温回火抗力，降低钢的高温回火脆性倾向，从而保证高温回火条件下钢的强度，并通过Ni作为间隙固溶原子来提高层错能来改善钢的塑韧性；结合成分特点，通过正火+高温回火作为预备热处理工艺，获得加工所需硬度的同时，改善组织均匀性，采用油淬火+高温回火的热处理工艺，在确保全淬透的同时，高温回火过程中析出的碳化物来改善钩舌表面的耐磨性。此钢种和普通锻造钩舌用钢相比，在显著提高钩舌强度、韧性的同时，其耐磨性同时提高100％，从而显著提高钩舌的服役性能。

附图说明

图1为实施例1中的锻造钩舌用钢原奥氏体晶粒形貌；

图2为实施例2中的锻造钩舌用钢原奥氏体晶粒形貌；

图3为实施例3中的锻造钩舌用钢原奥氏体晶粒形貌；

图4为实施例4中的锻造钩舌用钢原奥氏体晶粒形貌。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明做详细的说明。

实施例1-4及对比钢化学成分重量百分比如表3所示，实施例1-4及对比钢均采用电炉冶炼经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成

的圆坯，经加热轧制成

圆钢，再经加热锻造成板坯，厚度为75mm，经表2热处理后、精加工成标准拉伸和冲击试样及摩擦磨损试样后进行力学性能和摩擦磨损性能测试。可见，各实施例中晶粒度均为8.5级，抗拉强度≥1150MPa，屈服强度≥1000MPa，断后伸长率≥18％，-40℃冲击功(KV₂)≥100J，较对比钢强韧性提高明显。此外，摩擦磨损试验结果表明，本发明钢磨损量较对比钢减少50％以上，即耐磨性提高100％以上。

表3实施例1-4化学成分(wt％)

表4实施例1-4热处理工艺及力学性能

表5实施例1-4摩擦磨损性能及摩擦磨损试验前后残余奥氏体变化

上述参照实施例对一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢及其热处理方法和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.25-0.35％、Si 0.10-0.30％、Mn 0.30-0.70％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr 0.50-1.50％、Ni 2.50-3.50％、Mo 0.40-0.60％、Al 0.010-0.050％、V 0.08-0.15％、N≤60ppm、T.O≤10ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且，0.075％≤0.0602Cr+0.0625Mo+0.235V≤0.17％。

2.根据权利要求1所述的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢，其特征在于，所述高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢抗拉强度≥1150MPa，屈服强度≥1000MPa，断后伸长率≥18％，-40℃冲击功(KV₂)≥100J。

3.如权利要求1或2所述的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：

(1)正火，正火后空冷；

(2)回火，回火后空冷；

(3)淬火；

(4)回火，回火后水冷。

4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述正火温度为900-930℃，正火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按1.5～2.0min/mm计算。

5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述回火温度为670-700℃，回火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按2.0～2.5min/mm计算。

6.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述淬火温度为860-890℃，淬火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按1.0～1.5min/mm计算，淬火介质为油。

7.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)中，所述回火温度为600-640℃，回火保温时间根据截面最大直径或最大厚度按2.0～2.5min/mm计算。

8.如权利要求1或2所述的高强韧、高耐磨性锻造钩舌用钢的生产方法，其特征在于，采用电炉冶炼经LF精炼+RH真空脱气后直接连铸成的圆坯，经加热轧制成圆钢，再经加热锻造成板坯，经权利要求3-7任意一项所述的热处理方法进行热处理，然后进行精加工。

9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，所述圆坯的直径为

圆钢的直径为

板坯的厚度为75mm。