CN115896626A - 一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机车用中等强度耐‑60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质，其化学成分质量百分比为：C：0.15～0.19，Si：0.20～0.40，Mn：0.75～0.9，P：≤0.025，S：≤0.025，Cu：≤0.10，Ni：0.25～0.35，Cr：0.10～0.20，Mo：≤0.10，V：≤0.05，CEV：0.34～0.43，Pcm：0.21～0.28。本发明通过设计一种全新化学成分的铸钢材质，通过特定的热处理工艺，使该材质具有中等强度、耐超低温冲击、优秀的可焊性等特性，进而实现在极寒超低温环境仍能使机车正常运行且具有足够可靠性的目标。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体而言，尤其涉及一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质。
背景技术
近年来，随着国家大力发展高原铁路事业、与俄罗斯等国家开展机车项目合作，机车将越来越多地在极寒(温度低于-40℃)地区运行。极寒环境对机车零部件，特别是机车车体底架和转向架构架装配中起承载、吊拉作用的铸钢件提出了更高的要求。目前，国内机车构架装配中的铸钢件材质以ZG230-450和ZG25MnCrNi为主，其中ZG230-450材质焊接性能良好，但强度低、耐低温冲击性能差；ZG25MnCrNi材质强度达中等以上，但焊接性能和耐低温冲击性能相对较差。所以，急需一种具备中等以上强度、焊接性能良好、耐-60℃超低温冲击(考虑极端条件和可靠性，将耐低温冲击要求提高)的铸钢材质，来满足极寒环境下机车运用需求。
发明内容
根据上述提出的ZG230-450材质强度低、耐低温冲击性能差；ZG25MnCrNi材质焊接性能和耐低温冲击性能相对较差的技术问题，而提供一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质。本发明主要通过设计一种全新化学成分的铸钢材质，通过特定的热处理工艺，使该材质具有中等强度、耐超低温冲击、优秀的可焊性等特性，进而实现在极寒超低温环境仍能使机车正常运行且具有足够可靠性的目标。
本发明采用的技术手段如下：
一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢，其化学成分质量百分比为：
C：0.15～0.19，Si：0.20～0.40，Mn：0.75～0.9，P：≤0.025，S：≤0.025，Cu：≤0.10，Ni：0.25～0.35，Cr：0.10～0.20，Mo：≤0.10，V：≤0.05，CEV：0.34～0.43，Pcm：0.21～0.28。
本发明还提供了一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
S2、基于获得的化学成分对可焊铸钢进行热处理工艺；
S3、获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，以及铸钢的力学性能指标；
S4、使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
进一步地，所述步骤S1中，碳当量范围值在0.34％-0.43％之间，焊接裂纹敏感指数在0.21％-0.28％之间，可焊铸钢具有极优的焊接性能。
进一步地，所述步骤S1中，可焊铸钢材料的钢液熔炼过程采用碱性电弧炉和炉外精炼冶炼的方式，或采用碱性电弧炉和中频炉熔炼的方式，用于更准确的控制化学成分和非金属夹杂物含量及形态，其中，炉外精炼冶炼过程在LF炉中进行，非金属夹杂物相关要求按TB/T 2942.1-2020中相关内容执行。
进一步地，所述步骤S2中，基于获得的化学成分，采用预备热处理、淬火和高温回火的热处理工艺，实现低碳、低合金条件下获得中等强度的目标；
具体步骤如下：
S21、预备热处理：热处理曲线见附图2。铸件装载热处理炉，装炉后设定保温温度900±15℃并开始升温，升温速度(时间)不小于4.5h，升至保温温度后保温时间不小于4.5h，升温+保温时间不小于9.5h，保温结束后空冷至室温；
S22、淬火：热处理曲线见附图3。将步骤S21中预备热处理后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于350℃，装炉后设定保温温度900±10℃并开始升温，升温速度(时间)无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后立即入水冷却至常温；
S23、高温回火：热处理曲线见附图4。将步骤S22中淬火后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于300℃，装炉后设定保温温度570±20℃并开始升温，升温速度(时间)无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后空冷至室温。
进一步地，所述步骤S3中，通过特定化学成分和热处理工艺，获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，可焊铸钢的力学性能指标为：抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥350MPa，断后伸长率≥17％，试验温度为-60℃，AKV≥20J。
进一步地，所述步骤S4中，焊条使用GB/T5117中规定的E5015牌号或E5016牌号；焊丝使用GB/T 8110中规定的ER50-6牌号。
本发明还提供了一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢制备装置，用于上述机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法中，包括：
化学成分单元，用于依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
热处理工艺单元，基于获得的化学成分，用于对可焊铸钢进行热处理工艺；
铸钢材质单元，用于获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢，以及铸钢的力学性能指标；
焊接单元，用于使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质，使机车用铸钢件具备了同时满足中等强度、耐超低温冲击、可焊性优良等高要求指标的能力，为机车在极寒地区运行可供了可靠保障。另外，船舶、机械制造等有相关要求的行业，同样可以使用本发明解决中等强度、耐超低温冲击、可焊性等需求。
2、本发明提供的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢及其制备方法、制备装置和存储介质，实际生产的可焊铸钢材质碳当量范围值为0.37％-0.38％之间，焊接裂纹敏感指数为在0.24％-0.25％之间，说明本材质具有极其优良的焊接性能；其力学性能强度达到构架焊接板材Q355NE的强度，即达到中等强度钢水平；-60℃冲击吸收能量可达30J-54J。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的ZG230-450材质强度低、耐低温冲击性能差；ZG25MnCrNi材质焊接性能和耐低温冲击性能相对较差的问题。
基于上述理由本发明可在机车、船舶、机械制造等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备方法工艺流程图。
图2为本发明预备热处理工艺参数示意图。
图3为本发明淬火工艺参数示意图。
图4为本发明高温回火工艺参数示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明涉及碳当量和焊接裂纹敏感指数两个名词，其中：
碳当量计算公式见式(1)，碳当量数值越大，焊接性能越差。
CEV(％)＝C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(1)
焊接裂纹敏感指数计算公式见式(2)，敏感指数越大，产生焊接裂纹几率越大：
Pcm(％)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B(2)
现有机车车辆构架用铸钢件材质ZG230-450，符合TB/T 2942.1-2020《机车车辆用铸钢件第1部分：技术要求及检验》要求，其实际生产控制化学成分见表1，力学性能见表2，实际生产中碳当量范围值在0.34％-0.51％之间，焊接裂纹敏感指数在0.25％-0.38％之间，具有较好的焊接性能。
表1铸钢件材质ZG230-450的实际生产控制化学成分
表2铸钢件材质ZG230-450的力学性能
ZG230-450材质与构架焊接用板材Q355NE的主要性能差异见表3。
表3ZG230-450材质与构架焊接用板材Q355NE的主要性能差异
由于ZG230-450材质为普通碳素钢，其化学成分中碳含量中等、无合金成分、采用正火热处理工艺，导致其存在如下缺点：
①.强度低。屈服强度下限为230MPa，远低于Q355NE的屈服强度下限355MPa。
②.耐低温冲击性能差。ZG230-450材质在-40℃时的冲击吸收能量≤10J，远低于Q355NE在-40℃时的冲击吸收能量≥31J(纵向)和≥20J(横向)。
上述两方面缺点导致ZG230-450材质铸钢件成为机车构架装配中最为薄弱的部分，且无法满足在极寒超低温环境下使用的要求。
另一种常见机车车辆构架用铸钢件材质ZG25MnCrNi，符合TB/T2942.1-2020《机车车辆用铸钢件第1部分：技术要求及检验》要求，化学成分见表4，力学性能见表5，按标准要求生产中采用标准规定的正火+回火工艺，具有较好的中等强度。
表4铸钢件材质ZG25MnCrNi的化学成分
表5铸钢件材质ZG25MnCrNi的力学性能
ZG25MnCrNi材质与构架焊接用板材Q355NE的主要性能差异见表6。
表6ZG25MnCrNi材质与构架焊接用板材Q355NE的主要性能差异
由于ZG25MnCrNi材质为低合金钢，其化学成分中碳含量中等、合金成分含量低、正火热处理工艺，导致其存在如下缺点：
①.焊接性能相对较差。其碳当量范围值在0.46％-0.60％之间，焊接裂纹敏感指数在0.31％-0.40％之间，焊接性能比ZG230-450和Q355NE差。
②.耐低温冲击性能差。ZG25MnCrNi材质在-40℃时的冲击吸收能量≤15J，低于Q355NE在-40℃时的冲击吸收能量≥31J(纵向)和≥20J(横向)。
上述两方面缺点导致ZG25MnCrNi材质铸钢件在焊接过程中存在一定焊接难度，同时存在较高的焊接裂纹倾向；另外，无法满足在极寒超低温环境下使用的要求。
本发明的目的是通过设计一种全新化学成分的铸钢材质，通过特定的热处理工艺，使该材质具有中等强度、耐超低温冲击、优秀的可焊性等特性，进而实现在极寒超低温环境仍能使机车正常运行且具有足够可靠性的目标。从而解决现有技术存在的问题。
如图1所示，本发明提供了一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
S2、基于获得的化学成分对可焊铸钢进行热处理工艺；
S3、获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，以及铸钢的力学性能指标；
S4、使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
本发明方法具体为：
①.化学成分。依据钢中各元素比例及作用，设计材质化学成分，见表7，其碳当量范围值在0.34％-0.43％之间，焊接裂纹敏感指数在0.21％-0.28％之间，具有极优的焊接性能。本发明材质的钢液熔炼推荐采用碱性电弧炉+炉外精炼(LF炉)冶炼或中频炉熔炼，以更准确的控制化学成分和非金属夹杂物含量及形态。非金属夹杂物相关要求按TB/T2942.1-2020中相关内容执行。
表7化学成分
②.热处理工艺。在上述化学成分基础上采用预备热处理+淬火+高温回火的热处理工艺，实现低碳、低合金条件下获得中等强度的目标。具体预备热处理参数见图2，淬火参数见图3，高温回火参数见图4。具体地，预备热处理工艺为：铸件装载热处理炉，装炉后设定保温温度900±15℃并开始升温，升温速度(时间)不小于4.5h，升至保温温度后保温时间不小于4.5h，升温+保温时间不小于9.5h，保温结束后空冷至室温；淬火工艺为：将预备热处理后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于350℃，装炉后设定保温温度900±10℃并开始升温，升温速度(时间)无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后立即入水冷却至常温；高温回火工艺为：将淬火后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于300℃，装炉后设定保温温度570±20℃并开始升温，升温速度(时间)无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后空冷至室温。
③.力学性能指标。通过上述特定化学成分和热处理工艺，可获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，具体性能指标见表8。
表8铸钢材质的具体性能指标
④.焊条/焊丝选择。焊条使用GB/T5117中规定的E5015、E5016牌号；焊丝使用GB/T8110中规定的ER50-6牌号。
按本发明方案进行本发明五种材质的生产制造，化学成分见表9，检测其相关指标见表10，由表9和表10可见实际生产的材质碳当量范围值为0.37％-0.38％之间，焊接裂纹敏感指数为在0.24％-0.25％之间，说明本材质具有极其优良的焊接性能；其力学性能强度达到构架焊接板材Q355NE的强度，即达到中等强度钢水平；-60℃冲击吸收能量可达30J-54J。
表9五种材质的化学成分
表10检测的相关指标
本发明技术方案使机车用铸钢件具备了同时满足中等强度、耐超低温冲击、可焊性优良等高要求指标的能力，为机车在极寒地区运行可供了可靠保障。另外，船舶、机械制造等有相关要求的行业，同样可以使用本发明解决中等强度、耐超低温冲击、可焊性等需求。
本发明还提供了一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢制备装置，用于上述机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法中，包括：
化学成分单元，用于依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
热处理工艺单元，基于获得的化学成分，用于对可焊铸钢进行热处理工艺；
铸钢材质单元，用于获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢，以及铸钢的力学性能指标；
焊接单元，用于使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现上述机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法。
本发明的技术关键点和欲保护点：(1)中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢材质化学成分，即上述本发明第①条及在其基础上对合金元素种类和含量微调的与本发明近似的材质。(2)中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢材质热处理工艺，即上述本发明第②条及在其基础上对热处理温度微调的与本发明近似的热处理工艺。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为：
C：0.15～0.19，Si：0.20～0.40，Mn：0.75～0.9，P：≤0.025，S：≤0.025，Cu：≤0.10，Ni：0.25～0.35，Cr：0.10～0.20，Mo：≤0.10，V：≤0.05，CEV：0.34～0.43，Pcm：0.21～0.28。
2.一种如权利要求1所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
S2、基于获得的化学成分对可焊铸钢进行热处理工艺；
S3、获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，以及铸钢的力学性能指标；
S4、使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
3.根据权利要求2所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳当量范围值在0.34％-0.43％之间，焊接裂纹敏感指数在0.21％-0.28％之间，可焊铸钢具有极优的焊接性能。
4.根据权利要求2或3所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，可焊铸钢材料的钢液熔炼过程采用碱性电弧炉和炉外精炼冶炼的方式，或采用碱性电弧炉和中频炉熔炼的方式，用于更准确的控制化学成分和非金属夹杂物含量及形态，其中，炉外精炼冶炼过程在LF炉中进行，非金属夹杂物相关要求按TB/T2942.1-2020中相关内容执行。
5.根据权利要求2所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于获得的化学成分，采用预备热处理、淬火和高温回火的热处理工艺，实现低碳、低合金条件下获得中等强度的目标；
具体步骤如下：
S21、预备热处理：铸件装载热处理炉，装炉后设定保温温度900±15℃并开始升温，升温时间不小于4.5h，升至保温温度后保温时间不小于4.5h，升温+保温时间不小于9.5h，保温结束后空冷至室温；
S22、淬火：将步骤S21中预备热处理后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于350℃，装炉后设定保温温度900±10℃并开始升温，升温时间无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后立即入水冷却至常温；
S23、高温回火：将步骤S22中淬火后的铸件装载热处理炉，入炉温度不大于300℃，装炉后设定保温温度570±20℃并开始升温，升温时间无要求，升至保温温度后保温3-3.5h，保温结束后空冷至室温。
6.根据权利要求2所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过特定化学成分和热处理工艺，获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢材质，可焊铸钢的力学性能指标为：抗拉强度≥520MPa，屈服强度≥350MPa，断后伸长率≥17％，试验温度为-60℃，AKV≥20J。
7.根据权利要求2所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，焊条使用GB/T5117中规定的E5015牌号或E5016牌号；焊丝使用GB/T8110中规定的ER50-6牌号。
8.一种机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢制备装置，用于如权利要求2～7任一项所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法中，其特征在于，包括：
化学成分单元，用于依据钢中各元素比例及作用，设计可焊铸钢的化学成分；
热处理工艺单元，基于获得的化学成分，用于对可焊铸钢进行热处理工艺；
铸钢材质单元，用于获得具有中等强度、-60℃冲击吸收能量≥20J的铸钢，以及铸钢的力学性能指标；
焊接单元，用于使用焊条或焊丝与获得的铸钢焊接。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如权利要求2～7任一项所述的机车用中等强度耐-60℃低温冲击可焊铸钢的制备方法。
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| CN103194687A (zh) * | 2013-04-18 | 2013-07-10 | 中南大学 | 一种低温用低合金高强铸钢及其制备方法 |
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