CN114507822B

CN114507822B - 高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺

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Publication number: CN114507822B
Application number: CN202210357040.6A
Authority: CN
Inventors: 郭鸿梅; 麻义忠; 程栋柱; 康锋; 武月英; 李晋峰
Original assignee: Jinxi Alex Co ltd
Current assignee: Jinxi Alex Co ltd
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2042-04-07
Also published as: CN114507822A

Abstract

一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺，属于金属材料及其热处理技术领域，解决AAR M101 F级车轴钢强度高、塑韧性差的技术问题，解决方案为：车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：C:0.47~0.52wt%，Si:0.20~0.35wt%，Mn:0.70~0.80wt%，V:0.45~0.08wt%，Al：0.020~0.040wt%，S:≤0.015 wt%，P:≤0.015 wt%。车轴碳素钢的锻件采用“一次正火+回火”的热处理工艺，热处理后的锻件同时具有高强度、高塑性、高韧性，相对于现有铁路客货车用车轴钢具有更优的强韧性匹配，更有利于提高车轴的抗疲劳等综合服役性能。

Description

高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺

技术领域

本发明属于金属材料及其热处理技术领域，具体涉及一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺。

背景技术

AAR M101 F级车轴钢是一种普通碳素钢，其具有下列质量比的化学成分C:0.45~0.59wt%，Si:≥0.15wt%，Mn:0.70~1.00wt%，V:0.02~0.08wt%，S:≤0.050 wt%，P:≤0.045wt%。其锻件一般采用二次正火+回火的热处理工艺，可以获得性能指标：抗拉强度≥645MPa，屈服强度≥362MPa，延伸率≥20%，断面收缩率≥35%，常温下冲击功仅为8J~10J(U型缺口，缺口深度5mm)。

该AAR M101 F级车轴钢经过热处理工艺后可以获得较高的强度，但是塑韧性一般，冲击韧性会降低。如何让此车轴钢锻件在获得高强度的同时，也可以获得高塑性、高韧性，是机车类车轴亟待解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决AAR M101 F级车轴钢强度高、塑韧性差的技术问题，本发明提供一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺，通过化学成分设计以及调整后续锻件的热处理工艺，实现AAR M101 F级车轴钢高强、高韧、高塑性的要求。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢，其化学成分及其质量比为：C:0.47~0.52wt%，Si: 0.20~0.35wt%，Mn:0.70~0.80wt%，V:0.45~0.08wt%，Al：0.020~0.040wt%，S:≤0.015wt%，P:≤0.015 wt%。

本发明采用C、Mn、Si、V、Al含量优化组合，避免了Mo、Ni等贵重合金的加入，保留其碳素钢本质的前提下，未提高原材料成本。

其中：

C：0.47~0.52wt%，Si: 0.20~0.35wt%，Mn:0.70~0.80wt%，在降低车轴钢组分中的碳含量的同时降低Si、Mn元素含量的上限，可提高钢的韧性；

V:0.45~0.08wt%，Al：0.020~0.040wt%，可以避免因晶粒度粗化，车轴在正火时出现粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够细小、弥散分布的难熔化合物-ALN(氮化铝)，和细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)，二者一起阻止奥氏体晶粒的长大；对Al元素含量进行控制，保证了钢水的脱氧量，同时保证了钢水中适量的氮化铝，细化晶粒的同时又不影响钢的韧性；V元素可以提高钢的强度和韧性；

S:≤0.015 wt%；P:≤0.015 wt%，降低P、S含量，有利于降低钢的脆性倾向。

一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的锻件的热处理工艺，即采用“一次正火+回火”代替传统“二次正火+回火” 的热处理工艺，包括以下步骤：

S1、车轴碳素钢压力加工成锻件后进行正火处理：正火时奥氏体化温度为820℃~830℃，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷；

S2、正火处理后的锻件重新加热至560℃~580℃进行回火处理，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷。

根据本发明车轴碳素钢的化学成分，其锻件经“一次正火+回火”热处理工艺，金相组织为珠光体和铁素体，既能降低制造成本又能获得良好的综合机械性能，使车轴车轴碳素钢碳素钢锻件在具有高强度的同时塑性指标不降低，并且冲击韧性依然很好。

进一步的，步骤S2正火处理后车轴碳素钢锻件的力学性能为：抗拉强度645MPa~710 MPa，屈服强度≥362MPa，延伸率≥22%，冲击功≥30J。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

本发明提供的车轴碳素钢优点在于其同时具有高强度、高塑性、高韧性，相对于现有铁路客货车用车轴LZ50钢、AAR M101 F级车轴钢具有更优的强韧性匹配，更有利于提高车轴的抗疲劳等综合服役性能。不仅满足且更优于AAR M101 F级机车类车轴要求。

采用本发明的车轴碳素钢制备的车轴，可以运用到国内外机车类、轻轨类、地铁类车轴。

附图说明

图1为具体实施方式中车轴结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本实施例中高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：C:0.49wt%，Si: 0.25wt%，Mn:0.77wt%，V:0.06wt%，Al：0.030wt%，S:0.001 wt%，P:0.008wt%。

针对上述化学成分及其质量比的车轴碳素钢，生产A型机车轴(如图1所示)。本实施例中采用正交试验设计出六种试验方案。

（1）试验目的：通过正交试验，确定合理的热处理工艺参数。

（2）确定考察的指标：抗拉强度、延伸率、冲击功(常温，U型缺口中，缺口深度5mm)。（3）挑因素，选位级，制定因素位级表，如表1所示。

（4）设计正交试验方案如表2所示。

注：每一行代表所要试验的一种条件。

（5）实施实验方案

4个车轴碳素钢冶炼炉(8个车轴热处理组)采用一种试验方案，每个热处理组取2支车轴轴颈延长体1/2半径处进行性能检测，六个试验的结果如下表3。

（6）力学性能对比如下表4。

从试验结果及对比分析来看，一次正火温度为关键，回火温度560℃与580℃对性能影响不明显，保温时间则可以根据车轴锻件实际的直径、长度进行调整。

通过上述实验最终确定正确的热处理工艺参数为：①采用锻后正火处理，正火时奥氏体化温度为830℃~820℃，保温时间5h，保温结束后实施强冷；②采用560℃~580℃进行回火处理，保温时间5h，保温结束后实施空冷。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的锻件的热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：

S1、车轴碳素钢压力加工成锻件后进行正火处理：正火时奥氏体化温度为820℃~830℃，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷；车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：C:0.47~0.52wt%，Si: 0.20~0.35wt%，Mn:0.70~0.80wt%，V: 0.06wt%，Al：0.020~0.040wt%，S:≤0.015 wt%，P:≤0.015 wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；

2.根据权利要求1所述的高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的锻件的热处理工艺，其特征在于：步骤S2正火处理后车轴碳素钢锻件的力学性能为：抗拉强度645MPa~710 MPa，屈服强度≥362MPa，延伸率≥22%，冲击功≥30J。