CN114086062A - 一种高铁车轴用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铁车轴用钢及其制备方法,化学成分质量百分比为:C:0.25%‑0.27%、Si:0.30%‑0.37%、Mn:0.66%‑0.74%、Cr:1.05%‑1.15%、Ni:0.35%‑0.45%、Mo:0.20%‑0.24%、V:0.035%‑0.055%、Al:0.020%‑0.035%;Cu:0.31%‑0.35%、P≤0.018%,S≤0.010%,余量为Fe。本发明从材质上提高高铁车轴的强韧性、耐候性,同时通过轧后控冷的免去正火处理的过程,减少能源消耗和环境污染,提高生产效率,降低生产成本。本发明的生产方法,生产出高铁车轴用钢组织更均匀,性能更稳定。
Description
技术领域:
本发明涉及钢铁行业中的特种合金钢,具体涉及一种高铁车轴用钢及其生产方法。
背景技术:
高铁是设计标准高、能让列车高速运行的铁路系统。高铁是现代立体交通体系中不可或缺的一部分,尤其适用于国土面积大,人口分布广的国家和地区。目前我国拥有高铁里程近40000km,超过世界高铁总里程的60%。我国高铁从无到有经历了整车进口、合作生产、零部件国产化、系统集成取得整车知识产权四个阶段的发展。2002年,在现有电力机车的基础上自主研发了最高时速321.5km/h的“中华之星”电力动车组;2004年至2005年,研发了时速200~250km/h的CRH动车组;2008年国铁集团(原铁道部)与科技部签署计划,共同研发时速380km/h的新一代高速列车,2008年8月1日,中国第一条具有完全自主知识产权、世界水平的时速350km高速铁路京津城际铁路通车运营;2012年由中国铁路总公司主导,铁道科学院技术牵头,中车所属企业设计制造,开展了中国标准动车组设计研制工作,2017年6月25日,中国标准动车组被正式命名为“复兴号”。虽然我国高铁技术已经达到世界领先水平,但是限于基础材料的发展,高铁机车轮轴、轴承等重要零部件钢材依然依赖进口,如何攻克相关材料技术,实现高铁轮轴、轴承完全国产化已迫在眉睫。
欧标EN13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》中对高铁车轴材质EA4T规定如下:C:0.22%-0.29%、Si:0.15%-0.40%、Mn:0.50%-0.80%、Cr:0.90%-1.20%、Mo:0.15%-0.30%、P≤0.020%、S≤0.015%、Cu≤0.30%、Ni≤0.30%、V≤0.06%;Rel≥420MPa、Rm:650MPa-800MPa、A5≥18%、KU2(纵向)≥50J、KU2(横向)≥25J。随着高铁不断提速,目前铁路机车对车轴的性能和使用寿命要求越来越高,提升的关键还在高铁车轴用钢材,因此急需一种高强度、高韧性、高寿命的车轴用钢。
发明内容:
本发明要解决的技术问题是提供一种高铁车轴用钢及其生产方法。提高材料的强韧性和疲劳寿命,通过一次正火+淬火+高温回火,最终达到车轴所需的性能。
本发明通过以下技术方案实现:
一种高铁车轴用钢,化学成分质量百分比为:C:0.25%-0.27%、Si:0.30%-0.37%、Mn:0.66%-0.74%、Cr:1.05%-1.15%、Ni:0.35%-0.45%、Mo:0.20%-0.24%、V:0.035%-0.055%、Al:0.020%-0.035%;Cu:0.31%-0.35%、P≤0.018%,S≤0.010%,余量为Fe。
本发明从材质上提高高铁车轴的强韧性、耐候性,同时通过轧后控冷的免去正火处理的过程,减少能源消耗和环境污染,提高生产效率,降低生产成本。本发明的生产方法,生产出高铁车轴用钢组织更均匀,性能更稳定。
下面具体说明本发明高铁车轴用钢化学成分的限定理由:
C:能提高钢的强度和淬透性,考虑材质强韧性及其稳定性的要求,本发明C含量控制在0.25%-0.27%之间;
Si:是一种脱氧剂,能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度;在本发明中,对强度起到提升作用,因此本发明Si含量控制在0.30%-0.37%之间;
Mn能够提高钢的硬度和耐磨性,显著提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能。Mn还有固溶强化的作用,可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度,进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性;本发明将Mn含量控制在0.66%-0.74%之间;
Cr:能显著提高钢的强度、硬度和淬透性,鉴于高铁车轴一般采用淬火+回火工艺制造,为提高淬火后的强韧性,本发明添加1.05%-1.15%的Cr元素;
Ni:能够降低钢材临界转变温度,降低合金元素的扩散速度,显著提高钢的低温冲击韧性,Ni含量越高对冲击韧性越好。Ni还能够提高钢的强度,同时保持良好的塑性和韧性。但是由于Ni是稀缺资源,价格昂贵,考虑到成本问题,所以本发明中Ni含量控制在0.35%-0.45%,尤其是添加0.45%的Ni起到的强韧性效果最佳;
Mo:能够强化铁素体,提高钢的强度和硬度,还能降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性,根据车轴外径,为确保车轴淬火后性能均匀性,本发明添加0.20%-0.24%的Mo;
V:在钢中主要以碳化物、氮化物形态存在,其主要作用是细化钢的组织和晶粒,提高钢的强韧性,本发明将V含量控制在0.035%-0.055%;当V含量为0.054%时,V起到细化晶粒的作用,在钢中形成V的碳化物,提高车轴的强韧性效果最佳;
Al:在钢中主要作为脱氧剂,钢中添加0.015%以上的Al就可以达到脱氧的效果;同时Al作为合金元素可以起到细化晶粒的作用,为确保钢中Al能够用于细化晶粒,所以本发明将Al含量下限控制在0.020%;当钢中Al含量过高时,会给冶炼和浇注带来困难,影响钢的可浇性,一般Al含量上限控制不超过0.035%。研究表明,添加0.035%的Al在车轴钢中还可以提高车轴的抗扭强度,鉴于车轴工作时主要受扭力,提高抗扭强度大幅度可以提高车轴的疲劳寿命,提高其运行的安全性。
Cu:能提高钢的强度,改善钢的抗大气腐蚀能力,当Cu含量大于0.20%时,其耐腐蚀性是不含Cu钢的2-5倍,但是Cu不利于热加工,易于钢或钢件表面富集,在晶界析出,在加热时熔化,形成裂纹源,导致钢出现表面裂纹。本发明添加了0.35%-0.45%的Ni,可以有效抑制含Cu钢的表面裂纹倾向,但是由于Ni含量有限,对Cu含量设定了0.35%的安全上限。Cu含量达到0.25%以上时,还可以起到细化晶粒的作用,提高车轴的强韧性。最终Cu含量限定为0.30%-0.35%,0.35%的Cu含量对车轴的耐候性提升幅度最大。
P:使钢产生冷脆性,降低钢的冲击韧性,同时恶化钢的焊接性能,降低塑性,P元素还是一种极易偏析元素,会增加钢的回火脆性,降低疲劳寿命,一般钢中P含量不大于0.035%。为减轻钢的偏析,防止车轴在低温环境下产生冷脆断裂,提高车轴的疲劳寿命,本发明将P含量控制在0.018%以下;
S:是一种易偏析元素,在钢中一般以FeS形式存在,当钢凝固时,FeS在原生晶界处析出使钢产生热脆性,S还影响钢材性能的均匀性,且S在钢中主要以非金属夹杂物的形态存在,影响钢的纯净度,降低车轴的疲劳寿命。所以本发明对S含量进行了严格限定,必须≤0.010%。
一种高铁车轴用钢的生产方法,包括下列步骤:按上述组分的质量百分比,
(1)KR脱硫:选用S≤0.05%、P≤0.12%的低硫、低磷铁水生产本发明钢种;在脱硫前扒净铁水渣,采用KR脱硫方法,在搅拌铁水过程中添加脱硫剂(CaO+CaF2(9:1))进行脱硫,扒渣去除脱硫产物,降低铁水S含量,确保脱硫后铁水S≤0.003%;
(2)转炉冶炼:在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼,控制脱硫后铁水温度≥1260℃,转炉采用双渣法操作实现预脱P,确保转炉终点P≤0.011%,出钢温度1610℃~1650℃;出钢加入铝饼、低氮增碳剂、石灰、预熔精炼渣、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、金属锰进行预脱氧及成分初调;采用滑板挡渣机构控制下渣,确保出钢下渣回P≤0.002%;
(3)精炼:在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化;精炼前期加入200kg石灰,采用450NL/min大搅拌脱硫,精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌,通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂;在精炼中期分别加入3.5kg/t的钼铁、0.7kg/t的钒铁、1.8kg/t的镍板调整Mo、V、Ni达到目标成分;精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧,脱氧时采用多次分批加入的方式,避开搅拌位置。
(4)真空脱气:控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min,采用VD真空脱气,VD处理前将精炼渣倒出30%~40%,防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物;在真空度≤100pa的真空条件下保持18min,确保钢水破空H≤1.5ppm。
(5)软吹及变性处理:VD破空后、软吹前通过喂丝机喂入30m~80m的硅钙线进行变性处理;软吹要求渣面微动,钢液不裸露,软吹时间为30min~40min,在保证生产节奏的前提下,确保夹杂物充分聚集长大,上浮去除;
(6)连铸:采用Φ600mm弧形大圆坯连铸机3~4流浇注,控制过热度为20℃~30℃,采用0.30m/min的拉速进行恒拉速浇注;一冷水量控制在5300L/min,使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣,实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯;采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置,充分均匀组织,提高内部质量。
(7)连铸坯采用冷装,在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h,控制空燃比0.90~1.00,控制加热温度,尤其是高温段温度1260℃~1280℃,确保开轧温度1150℃~1180℃;经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯,每道次压下量≥50mm,在确保轧制压下量的前提下,加2架连轧机成形,提高尺寸精度。
(8)精整:采用逐支人工检查修磨进行精整,确保钢材的尺寸、外形和表面质量;采用抛丸+超声波探伤(探伤当量≤φ2.0mm),确保车轴方钢内部质量。
本发明针对高铁车轴国产化的要求,使用创新的化学成分设计和特有的生产工艺,方钢经用户锻造加工、热处理后可满足高铁的使用,实现替代进口的目标。
按照本发明生产的高铁车轴用钢,具有高强韧性、耐候性、长寿命等特点,材料性能达到如下水平:抗拉强度Rm:750~820Mpa,屈服强度Rel≥650Mpa,断后伸长率≥24%、冲击吸收能量KU2≥190J。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明相较EA4T车轴钢,Cu的加入量为0.30%~0.35%,Ni加入量为0.35%-0.45%,V的加入量为0.035%~0.050%,Al元素的加入量为0.020%~0.035%,可以提高车轴的抗扭强度,在细化钢组织的同时,提高钢的强度、塑性和冲击韧性,还提高其耐大气腐蚀性2倍以上。
(2)针对高铁车轴用钢的性能和使用要求,本发明将C、Si、Mn、Cr、Mo元素进行精确控制(在较小范围内调整),充分发挥合金元素的作用,提升钢的强韧性,确保运行稳定、安全。
(3)本发明采用以下工艺措施,确保了钢的纯净度和均匀性:采用KR脱硫方法,在搅拌铁水过程中添加脱硫剂(CaO+CaF2(9:1))进行脱硫,扒渣去除脱硫产物,降低铁水S含量,确保脱硫后铁水S≤0.003%;精炼前期加入200kg石灰,采用450NL/min大搅拌脱硫,精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌,通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂;精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧,脱氧时采用多次分批加入的方式,避开搅拌位置;控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min,采用VD真空脱气,VD处理前将精炼渣倒出30%~40%,防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物;连铸坯采用冷装,在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h,控制空燃比0.90~1.00,控制加热温度,尤其是高温段温度1260℃~1280℃,确保开轧温度1150℃~1180℃;经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯,每道次压下量≥50mm,在确保轧制压下量的前提下,加2架连轧机成形,提高尺寸精度。
具体实施方式:
目前使用的EA4T车轴用钢与本发明的化学成分对比情况如表1所示。
表1 化学成分对比 wt%
采用以下生产工艺制备:
(1)KR脱硫:选用S≤0.05%、P≤0.12%的低硫、低磷铁水生产本发明钢种;在脱硫前扒净铁水渣,采用KR脱硫方法,在搅拌铁水过程中添加脱硫剂(CaO+CaF2(9:1))进行脱硫,扒渣去除脱硫产物,降低铁水S含量,确保脱硫后铁水S≤0.003%;
(2)转炉冶炼:在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼,控制脱硫后铁水温度≥1260℃,转炉采用双渣法操作实现预脱P,确保转炉终点P≤0.011%,出钢温度1610℃~1650℃;出钢加入铝饼、低氮增碳剂、石灰、预熔精炼渣、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、金属锰进行预脱氧及成分初调;采用滑板挡渣机构控制下渣,确保出钢下渣回P≤0.002%;
(3)精炼:在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化;精炼前期加入200kg石灰,采用450NL/min大搅拌脱硫,精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌,通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂;在精炼中期分别加入3.5kg/t的钼铁、0.7kg/t的钒铁、1.8kg/t的镍板调整Mo、V、Ni达到目标成分;精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧,脱氧时采用多次分批加入的方式,避开搅拌位置。
(4)真空脱气:控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min,采用VD真空脱气,VD处理前将精炼渣倒出30%~40%,防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物;在真空度≤100pa的真空条件下保持18min,确保钢水破空H≤1.5ppm。
(5)软吹及变性处理:VD破空后、软吹前通过喂丝机喂入30m~80m的硅钙线进行变性处理;软吹要求渣面微动,钢液不裸露,软吹时间为30min~40min,在保证生产节奏的前提下,确保夹杂物充分聚集长大,上浮去除;
(6)连铸:采用Φ600mm弧形大圆坯连铸机3~4流浇注,控制过热度为20℃~30℃,采用0.30m/min的拉速进行恒拉速浇注;一冷水量控制在5300L/min,使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣,实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯;采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置,充分均匀组织,提高内部质量。
(7)连铸坯采用冷装,在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h,控制空燃比0.90~1.00,控制加热温度,尤其是高温段温度1260℃~1280℃,确保开轧温度1150℃~1180℃;经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯,每道次压下量≥50mm,在确保轧制压下量的前提下,加2架连轧机成形,提高尺寸精度。
(8)精整:采用逐支人工检查修磨进行精整,确保钢材的尺寸、外形和表面质量;采用抛丸+超声波探伤(探伤当量≤φ2.0mm),确保车轴方钢内部质量。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
所得高铁车轴用钢的化学成分如表2所示,力学性能、非金属夹杂物、晶粒度与现有技术对比情况如表3、4、5所示。
表2 车轴钢成分 wt%
化学成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Al | V |
实施例1 | 0.25 | 0.30 | 0.66 | 0.014 | 0.008 | 1.05 | 0.20 | 0.35 | 0.26 | 0.020 | 0.036 |
实施例2 | 0.26 | 0.34 | 0.70 | 0.011 | 0.004 | 1.09 | 0.22 | 0.41 | 0.28 | 0.027 | 0.042 |
实施例3 | 0.27 | 0.37 | 0.74 | 0.009 | 0.003 | 1.15 | 0.24 | 0.45 | 0.35 | 0.035 | 0.054 |
现有EA4T | 0.25 | 0.28 | 0.65 | 0.015 | 0.010 | 1.10 | 0.23 | 0.01 | 0.04 | 0.010 | 0.004 |
表3 本发明力学性能与现有技术对比
表4 本发明非金属夹杂物与现有技术对比
钢种 | A粗 | A细 | B粗 | B细 | C粗 | C细 | D粗 | D细 | Ds |
实施例1 | 1.0 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0.5 | 0 |
实施例2 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0 |
实施例3 | 0.5 | 1.0 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
现有EA4T | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 |
表5 本发明晶粒度与现有技术对比
钢种 | 晶粒度 |
实施例1 | 7.5 |
实施例2 | 7.5 |
实施例3 | 8.0 |
现有EA4T | 6.0 |
Claims (10)
1.一种高铁车轴用钢,其特征在于:化学成分质量百分比为:C:0.25%-0.27%、Si:0.30%-0.37%、Mn:0.66%-0.74%、Cr:1.05%-1.15%、Ni:0.35%-0.45%、Mo:0.20%-0.24%、V:0.035%-0.055%、Al:0.020%-0.035%;Cu:0.31%-0.35%、P≤0.018%,S≤0.010%,余量为Fe。
2.如权利要求1所述一种高铁车轴用钢,其特征在于:C:0.27%、Si:0.37%、Mn:0.74%、P:0.009%、S:0.003%、Cr:1.15%、Ni:0.45%、Mo:0.24%、V:0.054%、Cu:0.35%、Al:0.035%;整体热处理后力学性能抗拉强度Rm:820Mpa,屈服强度:Rel:696Mpa,断后伸长率24%,冲击吸收能量KU2:199J。
3.一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:按照权利要求1所述化学成分配置冶炼原料,冶炼原料依次经过:KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软吹、VD真空脱气、连铸、开坯+精轧,得到230mm×230mm、250mm×250mm的高铁车轴钢。
4.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述KR脱硫:选用S≤0.05%、P≤0.12%的低硫、低磷铁水;在脱硫前扒净铁水渣,采用KR脱硫方法,在搅拌铁水过程中添加脱硫剂CaO:CaF2为9:1进行脱硫,扒渣去除脱硫产物,降低铁水S含量,确保脱硫后铁水S≤0.003%。
5.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述转炉冶炼:在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼,控制脱硫后铁水温度≥1260℃,转炉采用双渣法操作实现预脱P,确保转炉终点P≤0.011%,出钢温度1610℃~1650℃;出钢加入铝饼、低氮增碳剂、石灰、预熔精炼渣、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、金属锰进行预脱氧及成分初调;采用滑板挡渣机构控制下渣,确保出钢下渣回P≤0.002%。
6.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述精炼:在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化;精炼前期加入200kg石灰,采用450NL/min大搅拌脱硫,精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌,通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂;在精炼中期分别加入3.5kg/t的钼铁、0.7kg/t的钒铁、1.8kg/t的镍板调整Mo、V、Ni达到目标成分;精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧,脱氧时采用多次分批加入的方式,避开搅拌位置。
7.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述真空脱气:控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min,采用VD真空脱气,VD处理前将精炼渣倒出30%~40%,防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物;在真空度≤100pa的真空条件下保持18min,确保钢水破空H≤1.5ppm。
8.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述软吹及变性处理:VD破空后、软吹前通过喂丝机喂入30m~80m的硅钙线进行变性处理;软吹要求渣面微动,钢液不裸露,软吹时间为30min~40min,在保证生产节奏的前提下,确保夹杂物充分聚集长大,上浮去除。
9.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述连铸:采用Φ600mm弧形大圆坯连铸机3~4流浇注,控制过热度为20℃~30℃,采用0.30m/min的拉速进行恒拉速浇注;一冷水量控制在5300L/min,使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣,实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯;采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置,充分均匀组织,提高内部质量。
10.如权利要求3所述一种高铁车轴用钢的生产方法,其特征在于:所述轧制:连铸坯采用冷装,在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h,控制空燃比0.90~1.00,控制加热温度,尤其是高温段温度1260℃~1280℃,确保开轧温度1150℃~1180℃;经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯,每道次压下量≥50mm,在确保轧制压下量的前提下,加2架连轧机成形,提高尺寸精度;所述精整:采用逐支人工检查修磨进行精整,确保钢材的尺寸、外形和表面质量;采用抛丸+超声波探伤(探伤当量≤φ2.0mm),确保车轴方钢内部质量。
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