CN112522611A - 一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺 - Google Patents

一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺，所述车轴的化学成分及重量百分比为：C：0.40～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.10～0.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.015～0.050％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Al：0.015～0.035％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；其抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥400MPa、20℃纵向冲击功KU2≥55J，20℃横向冲击功KU2≥45J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥350MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥260MPa，RfL/RfE≤1.35，经济型高强高韧及长疲劳寿命的新材质货用列车用大轴重车轴。

Description

一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺
技术领域
本发明属于轨道交通新零部件材料领域，具体涉及一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺。
背景技术
铁路货车作为轨道交通装备的重要组成部分，与机车、客车(高铁、城际、地铁)三足鼎立，共同组成完整的轨道交通载运准备体系。其中车轴是各种车辆中涉及安全的最重要的运动和承载部件之一。由于车轴承受着动载荷，受力状态比较复杂，如弯曲载荷、扭转载荷、弯扭复合载荷，并受到一定冲击，特别是大轴重矿山运输列车用车轴，其受力状态更为复杂。
纵观世界各发达国家国铁货车运输的技术发展历史，铁路货车始终以“多拉快跑”即重载快捷为基本目标和发展方向，是提高货运能力和综合经济效益的有效途径。其中，以北美、澳大利亚为典型代表的国家高运输效率的37.5t以下大轴重重载货运列车得到普遍应用，但世界范围内40t至45t轴重列车应用较少。随着重载铁路的进一步发展，必须进行与之匹配的轮轴等产品开发，高的强韧匹配性以及安全性是重载轮轴等产品的发展方向。
目前国内货车车轴主要为30t轴重及以下，使用最多的是LZ50车轴钢，北美、澳大利亚37.5t以下大轴重重载货运列车用车轴主要采用AARM-101F级钢。随着货用列车轴重的增加，车轴在整体热处理后存在着强韧性配合较低等缺陷。根据相关标准进行大轴重车轴设计及强度校核，车轴的运行安全性与缺口敏感指数q值(q＝RfL/RfE)及车轴的规格有较大的关系，为了确保安全性，目前均采用增加规格的方法进行轴型设计，导致列车自重增加，车轴成产成本偏高，这些均在实际应用中受到了限制，因此，迫切需要开发适一种经济型高强高韧及长疲劳寿命的新材质货用列车大轴重车轴。
发明内容
为了提高大轴重车轴耐冲击、抗疲劳性能，在轴重提高的前提下保证车轴的安全系数，并做到合理、均衡地利用资源，采用合适的合金元素加入量，降低生产成本，本发明开发了一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺，提供了一种抗拉强度(Rm)≥700MPa、屈服强度≥400MPa、20℃纵向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥55J，20℃横向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥45J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥350MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥260MPa，RfL/RfE≤1.35，经济型高强高韧及长疲劳寿命的新材质货用列车用大轴重车轴。
本发明采取的技术方案为：
一种大轴重货运列车用车轴，所述车轴的化学成分及重量百分比为：C：0.40～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.10～0.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.015～0.050％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Al：0.015～0.035％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
进一步地，所述车轴的化学成分及重量百分比优选为：C：0.40～0.44％，Si：0.28～0.34％，Mn：0.98～1.18％，Cr：0.76～0.85％，Ni：0.14～0.18％，Mo：0.13～0.18％％，Nb：0.026～0.045％，Ca：0.002～0.003％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0010％，Al：0.018～0.030％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
所述车轴的金相组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为70％以上，车轴1/2半径处回火索氏体含量在50～60％。
所述车轴的抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥400MPa、20℃纵向冲击功KU2≥55J，20℃横向冲击功KU2≥45J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥350MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥260MPa，RfL/RfE≤1.35。
本发明还提供了所述大轴重货运列车用车轴的热处理工艺，所述热处理工艺包括以下步骤：
(1)890～920℃正火；
(2)870～900℃淬火；
(3)630～660℃回火。
进一步地，进行热处理的大轴重货运用毛坯车轴的最大直径为255～265mm、长度在2100～2300mm。
正火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至890～920℃保温，保温时间按1.2～1.6min/mm计算，然后按照380～420℃/h的降温速率风冷至200℃以下。经正火后不仅细化了晶粒,而且改善了组织的不均匀性,为随后的最终热处理做好组织准备。
淬火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至870～900℃保温，保温时间按1.4～1.8min/mm计算，然后水冷至室温。
回火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至630～660℃保温，保温时间按2～2.4min/mm计算，然后按照380～420℃/h的降温速率风冷至150℃以下再空冷至室温。经过回火，可获得均匀细密回火索氏体+下贝氏体的金相组织，从而可获得良好的韧塑性及合适的强度指标。
本发明还提供了所述大轴重货运列车用车轴的生产工艺，所述生产工艺包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→外圆磨削→探伤。
进一步地，为提升钢的纯净度，连铸过程全程采用保护浇铸，采用大包长水口吹氩保护和中包吹氩保护浇铸，为提升钢的致密性，严格控制钢水的过热度在15-30℃，连铸采用三段电磁搅拌(M-EMS+S-EMS+F-EMS)，M-EMS电磁搅拌电流200A～220A，频率1.2Hz-1.4Hz；S-EMS电磁搅拌电流300A～320A，频率12Hz～15Hz；F-EMS电磁搅拌电流400A～420A，频率10Hz～12Hz。从而有效的控制了大截面车轴钢坯合金元素偏析以及T.O含量，提高了车轴的使用寿命和综合性能。
本发明提供的大轴重货运列车用车轴的成分组成中，各元素的作用及配比依据如下：
C：C元素是车轴钢获得高的强度、硬度所必需的。传统车轴钢中的C含量较高。高的C含量虽然对钢的强度、硬度等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，以期提高先共析铁素体的数量，改善钢的塑韧性，但过低的C含量会影响钢的强度，因此将其控制在0.40～0.45％，优选为0.40～0.44％。
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0.20～0.40％，优选为0.28～0.34％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，主要提高钢的淬透性和强度。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，因而控制Mn含量在0.90～1.20％，优选为0.98～1.18％。
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；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，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.70～0.90％，优选为0.76～0.85％。
Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。考虑到经济性，控制Ni含量为0.10～0.20％，优选为0.14～0.18％。
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。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0.10～0.20％，优选为0.13～0.18％。
Nb：Nb对车轴钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.015％～0.050％，优选为0.026～0.045％。
Ca：Ca具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。Ca含量小于0.001％起不到上述作用，但含量超过0.005％，则加入相当困难，且夹杂物量增多。因而控制Ca含量为0.0010～0.0050％，优选为0.002～0.003％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.010％以下，优选为0.008％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在0.005％以下，优选为0.005％以下。
T[O]：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0012％以下。
Al：除了降低钢液中的溶解氧之外，铝还可以起到细化晶粒的作用。但过多的Al含量一方面还原钢中Ti等有害元素，连铸时还容易二次氧化造成钢水污染，因此Al含量应控制0.015～0.035％，优选为0.018～0.030％。
本发明提供的大轴重货运列车用车轴与LZ50及AARM-101F相比：(1)适当降低了C元素含量，提高先共析铁素体的数量，改善钢的塑韧性，(2)适当提高了钢中的Mn元素并加入微量的Nb、Ni等元素，以改善钢的淬透性，提高钢的韧性，从而提高钢的抗疲劳性能；(3)钢中添加Cr元素，以提高车轴的抗氧化性及耐蚀性，同时改善钢的淬透性；(4)严格控制钢中杂质元素T[O]、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的抗疲劳破坏性能和较低的成本。
采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺参数生产的货运大轴重车轴，与现有技术相比，具有强度高、抗疲劳性能优良的优点。可获得700MPa以上的高强度，其塑性和韧性明显优于商业钢，其疲劳极限要显著高于商业钢，呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。其中：Rm≥700MPa、屈服强度≥400MPa、20℃纵向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥55J，20℃横向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥45J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥350MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥260MPa，RfL/RfE≤1.35，钢材的奥氏体晶粒度大于等于8.0级。车轴“正火+调质(淬火+高温回火)”热处理后钢的组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为70％以上，车轴1/2半径处回火索氏体含量在50～60％，应用在40t～45t轴重车轴上，与37.5t轴重车轴相比，可以在不增加规格的前提下满足安全性能要求。
附图说明
图1为实施例1中的大轴重货运列车用车轴1/2半径处的金相组织图；
图2为对比例1中的车轴1/2半径处的金相组织图；
图3为对比例3中的车轴1/2半径处的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
各实施例中的大轴重货运列车用车轴钢和对比例中的车轴钢的化学成分及重量百分比如表1所示。
表1实施例中的大轴重货运列车用车轴钢和对比例中的车轴钢的化学成分及重量百分比，其余为Fe和其它不可避免的杂质
Figure BDA0002786393930000071
Figure BDA0002786393930000081
实施例和对比例中的车轴生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→外圆磨削→探伤。
其中，实施例中的连铸工艺中，连铸过程全程采用保护浇铸，采用大包长水口吹氩保护和中包吹氩保护浇铸，连铸采用三段电磁搅拌(M-EMS+S-EMS+F-EMS)，具体工艺参数如表2所示。
表2
Figure BDA0002786393930000082
实施例和对比例中，热处理之前的车轴坯的最大直径为Φ260mm、长度为2200mm，实施例中的热处理工艺包括正火、淬火和回火，实施例1-实施例4生产货运大轴重车轴的热处理工艺参数如下：
实施例1：
正火：以70℃/h加热至温度890℃，加热保温时间380min，按照400℃/h风冷至200℃以下；
淬火：以70℃/h加热至温度870℃，加热保温时间400min，水冷至室温；
回火：以70℃/h加热至温度630℃，加热保温时间560min，按照400℃/h风冷至150℃以下然后空冷至室温。
实施例2：
正火：以70℃/h加热至温度900℃，加热保温时间380min，按照400℃/h风冷至200℃以下；
淬火：以70℃/h加热至温度880℃，加热保温时间400min，水冷至室温；
回火：以70℃/h加热至温度640℃，加热保温时间560min，按照400℃/h风冷至150℃以下然后空冷至室温。
实施例3：
正火：以70℃/h加热至温度910℃，加热保温时间380min，按照400℃/h风冷至200℃以下；
淬火：以70℃/h加热至温度890℃，加热保温时间400min，水冷至室温；
回火：以70℃/h加热至温度650℃，加热保温时间560min，按照400℃/h风冷至150℃以下然后空冷至室温。
实施例4：
正火：以70℃/h加热至温度920℃，加热保温时间380min，按照400℃/h风冷至200℃以下；
淬火：以70℃/h加热至温度900℃，加热保温时间400min，水冷至室温；
回火：以70℃/h加热至温度660℃，加热保温时间560min，按照400℃/h风冷至150℃以下然后空冷至室温。
对比例1和对比例2生产的货运大轴重车轴的热处理工艺均包括两次正火+回火，具体热处理工艺参数均如下所示：
正火：以120℃/h加热至温度870℃，加热保温时间380min，风冷至200℃以下；
正火：以120℃/h加热至温度830℃，加热保温时间380min，风冷至200℃以下；
回火：以100℃/h加热至温度560℃，加热保温时间550min，风冷至室温。
对比例3和4热处理工艺包括正火、淬火和回火，热处理工艺参数均如下所示：
正火：以70℃/h加热至温度870℃，加热保温时间380min，按照400℃/h风冷至200℃以下；
淬火：以70℃/h加热至温度840℃，加热保温时间400min，水冷至室温；
回火：以70℃/h加热至温度680℃，加热保温时间560min，按照400℃/h风冷至150℃以下然后空冷至室温。
各实施例生产的大轴重货运列车用车轴钢和对比例生产的车轴钢的性能如表3和表4所示。
表3
Figure BDA0002786393930000111
表4
Figure BDA0002786393930000112
上述参照实施例对一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺进行的详细描述，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 (10)

1.一种大轴重货运列车用车轴，其特征在于，所述车轴的化学成分及重量百分比为：C：0.40～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.10～0.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.015～0.050％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Al：0.015～0.035％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的大轴重货运列车用车轴，其特征在于，所述车轴的化学成分及重量百分比为：C：0.40～0.44％，Si：0.28～0.34％，Mn：0.98～1.18％，Cr：0.76～0.85％，Ni：0.14～0.18％，Mo：0.13～0.18％％，Nb：0.026～0.045％，Ca：0.002～0.003％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0010％，Al：0.018～0.030％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的大轴重货运列车用车轴，其特征在于，所述车轴的金相组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为70％以上，车轴1/2半径处回火索氏体含量在50～60％。
4.根据权利要求1或2所述的大轴重货运列车用车轴，其特征在于，所述车轴的抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥400MPa、20℃纵向冲击功KU2≥55J，20℃横向冲击功KU2≥45J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥350MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥260MPa，RfL/RfE≤1.35。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的大轴重货运列车用车轴的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
(1)890～920℃正火；
(2)870～900℃淬火；
(3)630～660℃回火。
6.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，正火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至890～920℃保温，保温时间按1.2～1.6min/mm计算，然后按照380～420℃/h的降温速率风冷至200℃以下。
7.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，淬火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至870～900℃保温，保温时间按1.4～1.8min/mm计算，然后水冷至室温。
8.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，回火步骤中，以60～90℃/h的升温速率升温至630～660℃保温，保温时间按2～2.4min/mm计算，然后按照380～420℃/h的降温速率风冷至150℃以下再空冷至室温。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的大轴重货运列车用车轴的生产工艺，其特征在于，所述生产工艺包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理→车轴外圆精车加工→外圆磨削→探伤。
10.根据权利要求9所述的生产工艺，其特征在于，连铸过程全程采用保护浇铸，连铸采用三段电磁搅拌；热处理采用权利要求5-8任意一项所述的热处理工艺进行。
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