CN113088825B - 一种中碳微合金钢及其混晶组织的消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：碳0.30～0.40％,硅0.10～0.50％,锰0.90～1.20％,铬0.10～0.30％,铝0.010～0.050％,镍0.10～0.30％,铜0.00～0.20％,钼0.00～0.050％,磷0.000～0.020％,硫0.000～0.020％,钒0.020‑0.060％,氮0.0030‑0.0100％,余量为铁。还公开了其混晶组织的消除方法，通过高温固溶+低温时效析出后正火的热处理方式，消除了锻件的混晶组织，得到了细化的晶粒，使处理后的中碳微合金钢强度高，韧性好，满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求。
Description
技术领域
本发明属于铁路车轮用钢技术领域，更具体地，涉及一种中碳微合金钢及其混晶组织的消除方法。
背景技术
我国国土面积大、人口多，轨道交通运输体系对于我国来说十分重要。作为轨道交通运输中的重要承重部件，车轴在车辆运行过程中几乎承受着运输车辆产生的全部载荷，其质量的优劣直接影响到车轴的承载能力和运输安全。由于轨道交通车轴用钢对材料的强度要求较高(Rel≥335Mpa)，而材料的均匀性、对称性和纯净度均会影响其机械性能。为使材料达到规定要求的强度，适量的微合金元素可在材料中析出形成“MX”型(M为C、N元素，X为微合金元素)细小第二相，达到细化组织、提高强度的目的。但受微合金元素的影响，由于材料锻造工艺、锻后热处理不当，材料中无法均匀析出细小的“MX”型第二相，无法限制奥氏体组织的长大，加入的微合金元素也会在金属冷却凝固过程偏聚，导致材料出现混晶组织，降低材料的机械性能，采用常规热处理工艺正火后不仅没起到细化晶粒的作用，反而使粗大的晶粒继续长大，原本细小的晶粒也粗化。
为满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求，需通过化学成分设计和合适的热处理工艺来保证钢材的各项性能指标，达到高强度、细晶粒的目的。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种中碳微合金钢及其混晶组织的消除方法，通过加入部分微合金元素，得到了强度高、晶粒细的材料，成本较低，易于批量生产；针对材料因锻造工艺、锻后热处理不当导致其出现混晶组织、强度不合的问题，本发明通过高温固溶+低温时效析出后正火的热处理方式，消除了锻件的混晶组织，得到了细化的晶粒，使处理后的中碳微合金钢强度高，韧性好，满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：碳0.30～0.40％,硅0.10～0.50％,锰0.90～1.20％,铬0.10～0.30％,铝0.010～0.050％,镍0.10～0.30％,铜0.00～0.20％,钼0.00～0.050％,磷0.000～0.020％,硫0.000～0.020％,钒0.020～0.060％,氮0.0030～0.0100％,余量为铁。
优选地，所述的中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：
碳0.33～0.37％,硅0.15～0.40％,锰0.90～1.10％,铬0.10～0.20％,铝0.020～0.040％,镍0.10～0.20％,铜0.00～0.20％,钼0.00～0.04％,磷0～0.020％,硫0～0.020％,钒0.030～0.050％,氮0.0040～0.0100％,余量为铁。
上述的中碳微合金钢的一种混晶组织的消除方法，是对含有混晶组织的材料先进行高温固溶和低温时效的预处理，然后进行正火处理；所述高温为1000～1250℃，低温为700～850℃。
优选地，所述的高温固溶处理为将含有混晶组织的材料在1000～1250℃的环境中保温1～2h，使不均匀的碳氮化物能充分固溶到奥氏体中。
优选地，所述的低温时效处理为将经过高温固溶处理的材料快冷至700～850℃，然后进行保温处理，优选保温处理时间为1～1.5h，使碳氮化物能充分、均匀地析出；所述的低温时效处理中所述快冷可以为以40～65℃/min的速率进行冷却，也可以为空冷；该步骤可以使原奥氏体晶粒细化，并析出部分细小碳氮化物第二相。
优选的，所述的正火处理为将经过预处理的材料在800～920℃中保温1～1.5h，一方面，使高温固溶时粗化的晶粒进行细化，另一方面在随后的冷却过程中再次析出细小第二相，起到弥散强化的作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过合理的成分设计，通过加入一定量的Mn、Cr元素提高微合金钢的强度，通过微合金元素V、Al等，细化了中碳微合金钢的组织，同时，一定含量的Cr元素可以促进“MX”型细小第二相的析出，一定量的Ni元素可以提高材料的塑韧性，达到细化组织、提高强度的目的，得到了强度高、晶粒细的材料。此外，微量的Mo元素可以起到提材料强度、增加耐磨性的作用；生产过程中应严格控制残余Cu元素含量，避免产生铜脆；成分设计中添加了N元素，可与微合金元素V、Al等析出细小第二相，减少大型碳化物的析出，显著提高材料强度，N元素的添加还可减少Cr、Mo元素的加入量，降低生产成本，易于批量生产。
(2)针对材料因锻造工艺、锻后热处理不当导致其出现混晶组织、强度不合的问题，本发明通过高温固溶+低温时效析出后正火的热处理方式，消除了锻件的混晶组织，得到了细化的晶粒，使处理后的中碳微合金钢强度高，韧性好，满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求。
(3)本发明所述中碳微合金钢经处理后，其屈服强度可达到420MPa，抗拉强度可达到640MPa，断后伸长率基本在35％左右，横向及纵向冲击(KU2(J)，室温下深度5mm的U型缺口)均在50J以上，晶粒度稳定在8.0～8.5级。
附图说明
图1为未处理过的混晶组织的光镜照片。
图2为实施例1所述混晶组织经本发明所述消除方法处理过后的光镜照片。
图3为实施例2所述混晶组织经本发明所述消除方法处理过后的光镜照片。
具体实施方式
下面将结合具体实施例更详细地描述本发明的优选实施方式。
实施例1
一种中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：碳0.30～0.40,硅0.10～0.50％,锰0.90～1.20％,铬0.10～0.30％,铝0.010～0.050％,镍0.10～0.30％,铜0.00～0.20％,钼0.00～0.050％,磷0.000～0.020％,硫0.000～0.020％,钒0.020～0.060％,氮0.0030～0.0100％,余量为铁。
上述中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织后，将材料放入1150℃的加热炉中保温1.5h，使不均匀的碳氮化物能充分固溶到奥氏体中；出炉后空冷至800℃，然后进行保温处理；将经过预处理的材料在850℃中保温1.5h，进行正火处理，处理后的锻件截面光镜图如图2所示。
实施例2
一种中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：碳0.33～0.37％,硅0.15～0.40％,锰0.90～1.10％,铬0.10～0.20％,铝0.020～0.040％,镍0.10～0.20％,铜0.00～0.20％,钼0.00～0.04％,磷0～0.020％,硫0～0.020％,钒0.030～0.050％,氮0.0040～0.0100％,余量为铁。
上述中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织后，将材料放入1200℃的加热炉中保温1h，使不均匀的碳氮化物能充分固溶到奥氏体中；出炉后空冷至750℃，然后进行保温处理；将经过预处理的材料在900℃中保温1h，进行正火处理，处理后的锻件截面光镜图如图3所示。
对比例1
一种现有的中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：
碳0.30～0.38％、硅0.17～0.37％、锰1.40～1.70％、钒0.08～0.15％、磷≤0.02％、硫≤0.01％、铝≤0.02％、铜≤0.2％、镍≤0.2％、铬≤0.15％，其余为铁。
将该中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织时，按照实施例1所述方法进行热处理。
对比例2
一种现有的中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：
碳0.25～0.5％、硅0.15～0.45％、锰1.15～1.8％、钒0.08～0.12％、铝0.02～0.04％、铌≤0.05％、硫≤0.02％、磷≤0.02％，其余为铁。
将该中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织时，按照实施例1所述方法进行热处理。
对比例3
一种现有的中碳微合金钢，包括以下重量百分比的化学成分：
碳0.34～0.36％、硅0.20～0.30％、锰0.60～0.70％、铬1.10～1.20％、磷≤0.015％、硫≤0.010％、钼0.22～0.26％、钒0.12～0.15％、铝0.025～0.050％、氧≤0.0012％，其余为铁。
将该中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织时，按照实施例1所述方法进行热处理。
对比例4
将实施例1所述的中碳微合金钢因锻造工艺不当产生混晶组织时，进行常规热处理，即850±10℃保温2h后空冷。
将上述实施例和对比例处理完成后的材料进行机械性能测试，其结果见表1。
表1实施例和对比例处理完成后的材料机械性能测试结果
从上表可看成，本发明所述的中碳微合金钢，经处理后，其综合机械性能较好，强度高，韧性好，满足轨道交通车轴用中碳微合金钢的各项要求。对比例虽然有部分机械强度较高，但是普遍韧性不足，综合性能不佳。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和技术原理的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，这些修改和变更也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种中碳微合金钢，其特征在于包括以下重量百分比的化学成分：
碳 0.33~0.37%,硅0.15~0.40% ,锰 0.90~1.10% ,铬 0.10~0.20% ,铝 0.020~0.040%,镍0.10~0.20%,铜0.00~0.20%,钼0.00~0.04%,磷0~0.020%,硫0~0.020%,钒 0.030~0.050%,氮 0.0040~0.0100%,余量为铁；
所述中碳微合金钢通过以下方法进行了混晶组织的消除：
对含有混晶组织的材料先进行高温固溶和低温时效的预处理，然后进行正火处理；所述高温为1000~1250℃，低温为700~850℃；所述的正火处理为将经过预处理的材料在800~920℃中保温1~1.5h。
2.一种权利要求1所述的中碳微合金钢的混晶组织的消除方法，其特征在于对含有混晶组织的材料先进行高温固溶和低温时效的预处理，然后进行正火处理；所述高温为1000~1250℃，低温为700~850℃；所述的正火处理为将经过预处理的材料在800~920℃中保温1~1.5h。
3.根据权利要求2所述的中碳微合金钢的混晶组织的消除方法，其特征在于所述的高温固溶处理为将含有混晶组织的材料在1000~1250℃的环境中保温1~2h。
4.根据权利要求2所述的中碳微合金钢的混晶组织的消除方法，其特征在于所述的低温时效处理为将经过高温固溶处理的材料快冷至700~850℃，然后进行保温处理。
5.根据权利要求4所述的中碳微合金钢的混晶组织的消除方法，其特征在于所述的低温时效的保温处理时间为1~2h。
6.根据权利要求4所述的中碳微合金钢的混晶组织的消除方法，其特征在于所述的低温时效处理中所述快冷为以40~65℃/min的速率冷却或者空冷。
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