CN112522612A - 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺 - Google Patents

一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN112522612A
CN112522612A CN202011299583.4A CN202011299583A CN112522612A CN 112522612 A CN112522612 A CN 112522612A CN 202011299583 A CN202011299583 A CN 202011299583A CN 112522612 A CN112522612 A CN 112522612A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axle
less
equal
heat treatment
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011299583.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112522612B (zh
Inventor
张艳
杜松林
陈刚
张磊
戴俊
赵海
于文坛
童乐
汪永阳
阮守丰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Original Assignee
Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd filed Critical Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority to CN202011299583.4A priority Critical patent/CN112522612B/zh
Publication of CN112522612A publication Critical patent/CN112522612A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112522612B publication Critical patent/CN112522612B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B35/00—Axle units; Parts thereof ; Arrangements for lubrication of axles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C21D1/28—Normalising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/008—Heat treatment of ferrous alloys containing Si
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/28—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for plain shafts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/005—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing rare earths, i.e. Sc, Y, Lanthanides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B2310/00—Manufacturing methods
    • B60B2310/50—Thermal treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B2310/00—Manufacturing methods
    • B60B2310/50—Thermal treatment
    • B60B2310/54—Hardening
    • B60B2310/542—Quenching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B2360/00—Materials; Physical forms thereof
    • B60B2360/10—Metallic materials
    • B60B2360/102—Steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/009—Pearlite

Abstract

本发明公开了一种耐寒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：0.35～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.025～0.050％，V：0.050～0.10％，RE：0.002～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.050～0.0070％，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≥80J，‑20℃横向冲击功KU2≥60J，‑50℃纵向冲击功KU2≥40J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥380MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥280MPa，缺口敏感指数RfL/RfE≤1.30，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

一种耐寒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，具体涉及一种耐寒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。
从运用环境温度来看，北美以及欧洲俄罗斯地区，环境最低温度达到-50℃以下，这对材料是极其严格的考验，目前国内外均无相关研究。也没有-50℃大轴重车轴材料的技术指标，尤其是低温韧性指标。如果能够设计出一种全新的材料，使在低温下的韧性水平能够达到珠光体-铁素体钢车轴材料在常温下的韧性水平，即能确保其低温服役安全性。因此，迫切需要开发适一种经济型耐寒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
为解决上述技术问题，本发明开发了一种耐寒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)≥80J，-20℃横向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥60J，-50℃纵向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥40J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥380MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥280MPa，缺口敏感指数RfL/RfE≤1.30，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：
一种耐寒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：0.35～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.025～0.050％，V：0.050～0.10％，RE：0.002～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.050～0.0070％，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：0.36～0.39％，Si：0.27～0.35％，Mn：1.00～1.18％，Cr：0.75～0.84％，Ni：0.98～1.14％，Mo：0.15～0.20％％，Nb：0.026～0.045％，V：0.065～0.095％，RE：0.0024～0.0045％，Ca：0.002～0.003％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.056～0.0064％，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80％以上，车轴1/2半径处回火索氏体含量在60～70％。
所述车轴的抗拉强度≥700MPa、屈服强度≥400MPa、-20℃纵向冲击功KU2≥80J，-20℃横向冲击功KU2≥60J，-50℃纵向冲击功KU2≥40J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥380MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥280MPa，RfL/RfE≤1.30。
本发明还提供了所述耐寒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)900～930℃正火；
(2)880～910℃淬火；
(3)630～660℃回火。
进一步地，进行热处理的大轴重耐寒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900～930℃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880～910℃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耐寒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。
本发明提供的耐寒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0.35～0.40％，优选为0.36～0.39％。
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0.27～0.35％。
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1.00～1.18％。
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0.75～0.84％。
Ni：钢中主要合金化元素，Ni能提高钢的强度及韧性，在低温化境下强化晶界，是获得高韧性和低温韧性必不可少的合金元素，并降低冲击韧性转变温度，Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性，本发明为高寒地区使用，因为应控制Ni含量为0.90～1.20％，优选为0.98～1.14％。
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0.15～0.20％。
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0.025％～0.050％，优选为0.026～0.045％。
V含量：V对车轴钢的强韧化效果主要表现为析出强化，首先可以在车轴锻轧时析出V(C,N)细化奥氏体晶粒，其次在热处理再加热时析出大量V(CN)纳米第二相细化再加热奥氏体的晶粒尺寸，过高的V含量会导致V(CN)析出温度过高、析出量过多、粒子尺寸容易粗大，不利于细化奥氏体晶粒，对车轴钢的强度、韧性等不利。过低的V以上综合作用不明显。因此V含量控制在0.050～0.10％，优选为0.065～0.095％。
RE含量：钢中加入RE元素，可细化奥氏体晶粒，且有净化和变质作用，能减少有害杂质元素在晶界的偏聚，改善和强化晶界，从而提高钢的强度和韧性。同时，RE可以促进夹杂物的球化，进一步提高钢的韧性，减少材料的缺口敏感指数。当RE含量过高时，其有利作用会减弱，同时会增加钢的成本。RE含量低于0.002％时，无法完全去除有害元素生成韧性稀土夹杂物，RE含量高于0.005％时，会造成RE元素富余，无法有效发挥其作用，综合考虑，RE含量控制在0.002～0.005％，优选为0.0024～0.0045％。
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。
[N]：N在钢中与Nb、V、Al会形成碳氮化物，可以有效的抑制奥氏体晶粒长大，但过多的N含量会导致钢的韧性和抗疲劳性能恶化，因此N含量的控制范围为0.0050～0.0070％，优选为0.056～0.0064％。
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％。
本发明提供的耐寒大轴重货运列车用车轴与LZ50及AARM-101F相比：(1)适当降低C元素含量，提高先共析铁素体的数量，改善钢的塑韧性，(2)适当提高钢中的Mn元素改善钢的淬透性，加入微量的Nb、V、N等元素，发挥(Nb,V)(CN)析出强化作用，细化晶粒，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)钢中添加适当Ni元素，Ni能提高钢的强度及韧性，在低温条件强化晶界，是获得高韧性和低温韧性必不可少的合金元素，并降低冲击韧性转变温度，进一步提高车轴的安全性。(5)钢中加入RE元素，减少有害杂质元素在晶界的偏聚，改善和强化晶界，促进夹杂物的球化，进一步提高钢的韧性，减少材料的缺口敏感指数。(6)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，在获得低温条件下高强度的同时，获得优异的抗疲劳破坏性能。
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耐寒货运大轴重车轴，与现有技术相比，具有耐寒、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：抗拉强度(Rm)≥700MPa、屈服强度≥400MPa、-20℃纵向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥80J，-20℃横向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥60J，-50℃纵向冲击功KU2(缺口深度为5mm)≥40J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥380MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥280MPa，缺口敏感指数RfL/RfE≤1.30，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，同时具有-60℃的韧脆转变温度。
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。
各实施例中的耐寒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实施例中的耐寒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
序号 C Si Mn P S Cr Mo Ni Ca V RE T[O] [N] Nb Al
实施例1 0.37 0.30 1.00 0.007 0.004 0.75 0.15 1.10 0.002 0.065 0.0024 0.0009 0.0056 0.026 0.022
实施例2 0.38 0.35 1.18 0.006 0.005 0.84 0.17 0.98 0.003 0.079 0.0032 0.0009 0.0063 0.036 0.027
实施例3 0.36 0.30 1.08 0.005 0.003 0.81 0.20 0.99 0.002 0.075 0.0037 0.0010 0.0060 0.045 0.030
实施例4 0.39 0.27 1.10 0.008 0.004 0.83 0.17 1.14 0.002 0.095 0.0045 0.0007 0.0064 0.029 0.018
对比例1 0.51 0.25 0.77 0.011 0.006 / / / / / 0.0016 / / 0.022
对比例2 0.50 0.26 0.78 0.012 0.007 / / / / / 0.0020 / / 0.026
对比例3 0.38 0.31 1.02 0.008 0.004 0.77 0.16 1.11 0.003 0.067 0.0023 0.0009 0.0057 0.028 0.023
对比例4 0.38 0.34 1.14 0.007 0.004 0.82 0.17 0.99 0.002 0.069 0.0030 0.0008 0.0065 0.032 0.025
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 BDA0002786419510000091
Figure BDA0002786419510000101
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生产的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3：
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930℃，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910℃，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生产的耐寒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和对比例4生产的货运大轴重车轴的热处理工艺均包括正火、淬火和回火；
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850℃，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。
各实施例生产的耐寒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 BDA0002786419510000121
表4
Figure BDA0002786419510000122
Figure BDA0002786419510000131
上述参照实施例对一种耐寒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)

1.一种耐寒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：0.35～0.40％，Si：0.20～0.40％，Mn：0.90～1.20％，Cr：0.70～0.90％，Ni：0.90～1.20％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.025～0.050％，V：0.050～0.10％，RE：0.002～0.005％，Ca：0.001～0.005％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.050～0.0070％，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所述的耐寒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：0.36～0.39％，Si：0.27～0.35％，Mn：1.00～1.18％，Cr：0.75～0.84％，Ni：0.98～1.14％，Mo：0.15～0.20％，Nb：0.026～0.045％，V：0.065～0.095％，RE：0.0024～0.0045％，Ca：0.002～0.003％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.056～0.0064％，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所述的耐寒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80％以上，车轴1/2半径处回火索氏体含量在60～70％。
4.根据权利要求1或2所述的耐寒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≥80J，-20℃横向冲击功KU2≥60J，-50℃纵向冲击功KU2≥40J，表面光滑试样的疲劳极限RfL≥380MPa，表面带有缺口试样的疲劳极限RfE≥280MPa，RfL/RfE≤1.30。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的耐寒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)900～930℃正火；
(2)880～910℃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900～930℃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880～910℃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任意一项所述的耐寒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。
CN202011299583.4A 2020-11-19 2020-11-19 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺 Active CN112522612B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011299583.4A CN112522612B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011299583.4A CN112522612B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112522612A true CN112522612A (zh) 2021-03-19
CN112522612B CN112522612B (zh) 2022-03-01

Family

ID=74981457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011299583.4A Active CN112522612B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112522612B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113699451A (zh) * 2021-08-30 2021-11-26 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105951000A (zh) * 2016-07-13 2016-09-21 马鞍山钢铁股份有限公司 一种含钒铌动车组车轴用钢及其热处理工艺
CN111270168A (zh) * 2020-03-24 2020-06-12 马鞍山钢铁股份有限公司 一种含铌城轨地铁用车轴及其热处理工艺

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105951000A (zh) * 2016-07-13 2016-09-21 马鞍山钢铁股份有限公司 一种含钒铌动车组车轴用钢及其热处理工艺
CN111270168A (zh) * 2020-03-24 2020-06-12 马鞍山钢铁股份有限公司 一种含铌城轨地铁用车轴及其热处理工艺

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113699451A (zh) * 2021-08-30 2021-11-26 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112522612B (zh) 2022-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101701316B (zh) 抗拉强度590MPa级汽车大梁用钢及其制造方法
CN108220807B (zh) 一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法
CN103849812B (zh) 低脆性700MPa级汽车大梁用钢及其制造方法
CN111979492B (zh) 一种高强韧抗疲劳含钒铌高铁车轴钢及其热处理方法
CN112301205B (zh) 一种高屈强比珠光体钢轨及其制备方法
CN108034886B (zh) 一种低密度轻质自卸车车厢用耐磨钢板及其制备方法
CN109735765B (zh) 一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法
CN101880822B (zh) 用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢
CN113073251A (zh) 590MPa级厚规格高疲劳性能汽车轮辐用热轧复相钢的制造方法
CN111172474A (zh) 一种低脆性590MPa级高强汽车轮辋用钢的生产工艺
CN112063926B (zh) 一种高耐蚀抗疲劳含铌时速400公里高铁车轴用钢及其热处理方法
CN109518090B (zh) 一种辙叉心轨用贝氏体钢及其制造方法
CN111321343A (zh) 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
CN112522612B (zh) 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺
CN112080708B (zh) 一种高抗疲劳含钒时速400公里高铁车轴用钢及其热处理方法
CN103866190B (zh) 低脆性650MPa级汽车大梁用钢及其制造方法
CN111270168A (zh) 一种含铌城轨地铁用车轴及其热处理工艺
CN114592109A (zh) 一种高强钢及其热处理工艺和应用
CN110257727A (zh) 一种中碳高硬度重载车轮钢及其热处理方法及重载车轮的制备方法
CN112522611B (zh) 一种大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺
CN109112405B (zh) 一种铁路列车用扁钢及其制备方法
CN111376652A (zh) 一种含钒城轨地铁用车轴及其热处理工艺
CN113604739A (zh) 一种精密成形用轿车驱动轴球笼用钢及其制造方法
CN113699452A (zh) 一种有轨电车弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法
CN115369315A (zh) 一种高温渗碳高淬透性齿轮用钢及其制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant