一種車軸用鋼及其製造方法

2023-05-26 10:15:41

專利名稱：一種車軸用鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼種及其製造方法，尤其涉及一種微合金鋼及其製造方法。
背景技術：
車軸是鐵路貨車車輛結構中最關 鍵部件之一，其擔負著車輛承載、運行的功能，直接關係到鐵路運行的安全。由於長期承受交變應力的作用，故要求車軸在具有良好強韌性配合的同時，還應有較高的疲勞強度。現有的車軸用鋼一般為碳素鋼或低合金鋼。其中，車軸用低合金鋼多是在碳素鋼中添加適當的合金元素以達到強韌化目的。Cr、Ni、Mo等元素是車軸用鋼主要的合金化元素，其中Mo是使車軸用鋼晶粒細化、提高綜合性能的首選元素；Cr能夠增加鋼的淬透性，促使淬火及回火後工件整個截面上獲得較均勻的組織；Ni是提高鋼材韌性最有效的合金元素。目前，我國鐵路貨車車軸大量使用的是普通LZ50車軸鋼。LZ50車軸鋼在整體熱處理後存在著強韌性配合較低、晶粒度級別較低等缺陷，隨著我國鐵路貨運朝著速度加快、載重增加方向發展，LZ50車軸已不能完全滿足鐵路貨車安全運行的要求，迫切需要開發出具有更高強韌性配合的新材質車軸鋼進行替代。

發明內容
為克服現有LZ50鐵路貨車車軸鋼強度和韌性配合較差，兩次正火+ —次回火處理導致生產成本相對較高的缺陷，本發明提供了一種車軸用鋼及其製造方法，這種車軸用鋼具有較佳強韌性配合，且通過一次正火+—次回火的熱處理工藝即可達到相關標準要求。根據上述發明目的，本發明提供了一種車軸用鋼，其各化學元素質量百分配比為C 0. 38 O. 48 % ；Si :0. 20 O. 4 % ；Mn :0. 45 I. 00 % ；Cr :0. 5 I. 5 % ;V :
O. 05 O. 15% ；N 0. 0075 O. 018% ；Cu ( O. 25% ；A1 :0. 02 O. 04% ;餘量為 Fe 和其他
不可避免的雜質。在一種優選的實施方案中，所述車軸用鋼還包括質量百分配比< O. 40%的Ni。在另一種優選地實施方案中，所述車軸用鋼還包括質量百分配比< O. 25%的Ce。在又一種優選的實施方案中，所述車軸用鋼還包括質量百分配比< O. 40%的Ni和質量百分配比< O. 25%的Ce。在一種優選地實施方案中，所述車軸用鋼的各化學元素的質量百分配比進一步限定為C 0. 40 O. 48% ；Si :0. 20 O. 37 % ；Mn :0. 55 O. 85 % ；Cr :0. 40 O. 65 % ；V 0. 07 O. 15% ；N 0. 0075 O. 018% ；Cu ( O. 25% ；A1 :0. 02 O. 04% ；Ni ( O. 30% ；
餘量為Fe和其他不可避免的雜質。本技術方案中各化學元素配比的設計原理如下
C元素是保證鋼坯室溫強度和空冷淬透性所必需的成分。對於本技術方案所涉及的車軸用鋼來說，如果碳含量低於O. 38%，會導致鋼的淬透性和強度不夠，如果高於
O.48%,則會導致鋼的韌性變壞。Si元素加入鋼中起到了脫氧的作用。當其含量低於O. 20%時，脫氧的效果不明顯。而當其含量超過O. 4%後，則會導致加工性和韌性惡化的趨勢。Mn元素是改善鋼強韌性必須的元素。在本技術方案中，Mn和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度，起到固溶強化的作用。另外，Mn能降低鋼中Y — α相變溫度，該溫度的降低具有細化珠光體的作用，間接起到提高珠光體強度的作用。故本技術方案中，O. 45%是實現上述效果的最低含量，而一旦含量超過I. 00%，鋼坯開裂的傾向則加大。Cr元素的加入能提高鋼的強度和抗CO2腐蝕性能。但是，對於本技術方案來說，如果Cr含量小於O. 5%，鋼坯正火後空冷淬透性不夠，不利於晶粒的細化；如果Cr含量高於 1.5%,則不僅會提高材料的成本還會導致加工性變差。鋼中微合金元素V的加入，在正火或回火狀態下，可形成細小穩定的碳、氮化物，阻止奧氏體晶粒的長大，起到細化晶粒的作用，從而在有效增強鋼強度的同時，改善鋼的塑性和韌性。對於本技術方案來說，加入適當含量的N元素，可充分發揮V元素的晶粒細化作用。這是因為N能與V結合成細小彌散的VN或V(CN)析出物，從而發揮細晶強化和彌散強化作用，起到細化晶粒的作用，從而在提高強度的同時提高韌性水平。根據本技術方案中，N元素和V元素的結合能力以及V的含量，將鋼中N含量控制在O. 0075-0. 018%。加入微量的Cu有利於本技術方案所述鋼種的順利冶煉，且Cu是有利於抗腐蝕性能的兀素之一，但對於本技術方案來說，鋼種中Cu含量高於O. 25%後,熱加工性有變差的趨勢。Al元素在鋼中起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩定性和耐蝕性。但是對於本技術方案來說，如果加入量超過O. 40%，鋼種的力學性能反而變差。本技術方案中的不可避免的雜質主要是指S、P、0，因此應嚴格控制鋼雜質含量，儘可能做到P彡O. 02，S彡O. 015，[O] ( 20ppm,以減少MnS夾雜，減輕P的晶界偏析，改善夾雜物形態，保持鋼的純淨度，提高強韌性配合和抗疲勞性能。在本技術方案的一種實施方式中還添加了適量的Ni元素，其目的是為了提高鋼種的衝擊性能，尤其是橫向衝擊性能。在本技術方案的另一種實施方式中還加入了適量的稀土元素鈰Ce。Ce的加入，可深度降低鋼中氧和硫的含量，並抑制S、p等雜質在晶界上的偏析，達到淨化鋼質的作用。同時，還能改變鋼中夾雜物的性質、形態和分布，使夾雜物變質，增加夾雜物與晶界抵抗裂紋形成與擴展能力，達到提高韌性的目的。此外，Ce的微小化合物質點在結晶界面上偏聚，可以起到阻礙晶胞長大，為鋼晶粒細化提供較好的熱力學條件，從而細化鋼的凝固組織，改善鋼的強韌性配合。相應地，本發明還提供了該車軸用鋼的製造方法，其包括下列步驟冶煉、澆鑄、軋制、鍛造和熱處理，其中熱處理步驟為一次正火+回火。
優選地，所述正火溫度為820 880°C，所述回火溫度為500_590°C。優選地，所述澆鑄步驟採用模鑄。由於本技術方案中車軸用鋼的製造方法採用了與LZ50車軸用鋼基本相同的製造工藝，故此處對各步驟的工藝參數不再進行詳細描述，但是本技術方案中的熱處理步驟不同於現有LZ50車軸用鋼兩次正火+回火的熱處理步驟，其減少了一次正火處理工藝，從而大大節約了生產時間，提高了生產效率。此外，現有車軸鋼坯多採用連鑄的澆鑄方式，但是本技術方案採取模鑄，這是因為與連鑄方式相比，模鑄的壓縮比更大，有利於鋼坯最終晶粒的細化進而提高強韌性配合，同時更有利於消除鋼坯的縮孔、疏鬆等缺陷。通過採用上述技術方案，本發明所述車軸用鋼的性能可以達到Rm > 71OMpa, Rel> 405Mpa，A > 21%, Z > 40%，橫向 Aku2 > 40J，縱向 Aku2 > 50J 的綜合性能，與 LZ50 車軸鋼相比，其強韌性配合有明顯的提高。
具體實施例方式依次進行冶煉、模鑄、軋制、鍛造和熱處理步驟製備車軸用鋼(表I列出了各實施例中的化學元素質量百分配比)其中冶煉時出鋼溫度約為1650°C，模鑄開始溫度約為1550°C，鑄坯進行熱軋時終軋溫度> 950°C，熱軋後空冷到室溫獲得車軸用鋼坯，該車軸用鋼坯鍛造後進行820-880°C正火+500-590°C回火的熱處理(LZ50車軸用鋼的熱處理步驟為870°C —次正火+810°C二次正火+510°C回火)。表I.(餘量為Fe以及除S、P外不可避免的雜質)
IC ISiMn IP IS ICr |Ni |Cu |V |N |M |Ce
實施例 I0.38 0.25 0.9O. 02 O. 015 1.5O. 15 IO. 12 O. 015 O. 027 O. 20
實施例 20.45 0.29 O. 78 O. 009 O. 009 O. 50 O. 28 O. 13 O. 15 O. 018 O. 020 I
實施例 30.43 0.26 O. 82 O. 014 O. 008 O. 87 O. 35 O. 17 O. 05 0.0075 O. 040 I
實施例 40.42 O. 37 O. 67 O. 015 O. 012 O. 92 IO. 12 O. 08 O. 010 O. 022 O. 12
實施例 5O. 48 O. 40 O. 45 O. 01 O. 005 O. 71 O. 40 O. 20 O. 13 O. 016 O. 031 I
實施例 60.40 O. 32 0.88 0.018 O. 008 I. 36 O. 19 IO. 07 O. 009 O. 035 I
LZ50O. 52 O. 72 0.26 O. 015 O. 012 O. 05 IO. 01 IIO. 028 I表2列出了本案實施例1-6以及對比例(LZ50車軸用鋼)的綜合力學性能。表2.
, 、， 、 ，、 ，、 縱向 Aku2 橫向 Aku2
RpO. 2 (Mpa) Rm (Mpa) A(%) Z(%)
_________(J) (20°C) (J) (20°C)
實施例 I41172121.948 70 70 72 65 64 6權利要求
1.一種車軸用鋼，其特徵在於，其各化學元素質量百分配比為C :0. 38 O. 48% ；Si 0. 20 O. 4% ;Mn :0. 45 I. 00% ；Cr 0. 5 I. 5% ;V:0. 05 O. 15% ；N :0. 0075 O. 018% ；Cu ≤ O. 25% ；Al :0. 02 O. 04% ； 餘量為Fe和其他不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的車軸用鋼，其特徵在於，其還包括質量百分配比<O. 40%的Ni。
3.如權利要求I或2所述的車軸用鋼，其特徵在於，其還包括質量百分配比<O. 25%的Ce。
4.如權利要求2所述的車軸用鋼，其特徵在於，其各化學元素質量百分配比為C :0. 40 O. 48% ；Si 0. 20 O. 37% ；Mn :0. 55 O. 85% ；Cr :0. 40 O. 65% ；V:0. 07 O. 15% ；N :0. 0075 O. 018% ；Cu ·.( O. 25% ；Al :0. 02 O. 04% ；Ni ·.( O. 30% ； 餘量為Fe和其他不可避免的雜質。
5.如權利要求1、2、4中任意一項所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於，依次包括冶煉、澆鑄、軋制、鍛造和熱處理步驟，其中所述熱處理步驟為一次正火+回火。
6.如權利要求5所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於，所述正火溫度為820 .880°C，所述回火溫度為500-590°C。
7.如權利要求6所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於澆鑄步驟採用模鑄。
8.如權利要求3所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於，依次包括冶煉、澆鑄、軋制、鍛造和熱處理步驟，其中所述熱處理步驟為一次正火+回火。
9.如權利要求7所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於，所述正火溫度為820 .880°C，所述回火溫度為500-590°C。
10.如權利要求9所述的車軸用鋼的製造方法，其特徵在於澆鑄步驟採用模鑄。
全文摘要
本發明公開了一種車軸用鋼，其各化學元素質量百分配比為C0.38～0.48％；Si0.20～0.4％；Mn0.45～1.00％；Cr0.5～1.5％；V0.05～0.15％；N0.0075～0.018％；Cu≤0.25％；Al0.02～0.04％；餘量為Fe和其他不可避免的雜質。本發明所述的車軸用鋼採取一次正火+回火的熱處理工藝便可以達到較好的綜合力學性能。
文檔編號C22C38/46GK102876982SQ201110197630
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者譚諄禮, 宋洪偉, 餘大江, 萬根節, 蔣錫軍 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司