鐵路車軸用鋼及其生產工藝的製作方法

2023-06-06 13:38:31

專利名稱：鐵路車軸用鋼及其生產工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種合金鋼及其生產エ藝，特別是涉及一種鐵路車軸用合金鋼及其生產エ藝。
背景技術：
在鐵路車輛結構中，車軸主要擔負承載和運行的功能，直接關係到鐵路運行的安全。由於長期承受交變應力作用，故要求其具有良好強韌性和較高的疲勞強度。隨著鐵路運輸的不斷發展，車軸用鋼逐步從碳素鋼向合金鋼轉變，車軸用低合金鋼多以碳素鋼為基礎，添加適量Cr、Ni、Mo等合金元素從而達到強韌化的效果。Cr元素在增加強度的同時亦能増加鋼的淬透性，促使淬火及回火後エ件整個截面上獲得較為均勻的 組織。Mo元素能増加材料的淬透性，促使晶粒細化，高溫回火時，有二次硬化作用，有利於提聞鋼材的綜合性能。Ni兀素是提聞鋼材強朝性最有效的合金兀素。目前，我國鐵路貨車車軸大量使用的是LZ50車軸鋼。LZ50車軸鋼屬於大型鍛件用鋼，鍛造後易出現混晶或晶粒粗大，所以一般需要經過兩次正火加一次回火處理，其缺點在於生產能耗大、成產成本高，且車軸用鋼還存在著強韌性配合低等缺點。隨著我國鐵路貨運朝著快速、重載方向發展，使得現有的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車軸鋼以滿足鉄路貨運發展的需求。公開號為CN101497968A的中國專利申請公開了ー種微合金化鐵路貨車車軸用鋼及其生產エ藝，其鋼的化學成分(WT% )為，C :0. 50 O. 57%, Si :0. 17 O. 40%, Mn O. 60 I. 00%, Cr :0. 20 O. 35%, Ni :0. 18 O. 40%, Mo :0. 08 O. 18%, Al :0. 02 O. 06%,Ti 0. 020 O. 060%, V 0. 030 O. 10%, S ^ O. 010%,P ^ O. 020%,B ^ O. 005%,CU 彡 O. 20%,Sb^0. 010%,Sn^0. 03%,As ^ O. 04%, [O]彡 O. 0015%, [N]彡 O. 0060%,其採用連鑄連軋エ藝。該專利申請採用Ni、Mo、V、Ti、B等微合金複合化的方式提高強度以及連鑄連軋エ藝提高成材率。申請公布號為CN101928878A的中國專利提供了 ー種車軸鋼及其生產方法，其鋼的化學成分(重量百分含量)為C :0· 38 O. 42%，Si :0.26 O. 32%，Mn :0· 70
O.80%, V :0. 08 O. 12%, N :0. 015 O. 02%，餘量為鐵和不可避免的雜質。其通過V元素的微合金化，並有意識地提高N含量，採用連鑄方式，在835 855°C下保溫3至4小時並在530 570°C下保溫4至6小吋，以獲得屈服強度和抗拉強度較好的車軸鋼。申請公布號為CN101724787A的中國專利申請為ー種車軸鋼及其製備方法，其車軸鋼的化學成分百分含量為c 0. 47 O. 54%，Si :0. 2 O. 4 %，Mn :0. 7 O. 9 %，P 彡 O. 02 %，S 彡 O. 02 %，Al :0· 02 O. 04 %，V 0. 02 O. 06 %，Cr 0. 15 O. 3 %，Ni ^ O. 2%, Cu ^ O. 2%, H ^ O. 00025%, O 彡 O. 002%, N 彡 O. 007%，餘量為鐵和其他雜質。該鋼種以50鋼為基礎，添加O. 02 O. 06%的微量V元素獲得車軸鋼坯。該鋼坯所鍛造的車軸的熱處理工藝為850 880°C—次正火+800 820°C二次正火+500 540°C回火熱處理。
公開號為CN101497968A的中國專利申請和申請公布號為CN101928878A的中國專利均採用連鑄的生產エ藝，該エ藝對於承擔鉄路運輸安全的車軸鋼而言，壓縮比偏低。申請公布號為CN101724787A的中國專利申請由於合金化不足而採取多一次正火エ藝，增加了生產流程和生產時間。

發明內容
本發明的目的在於提供一種鐵路車軸用鋼及其製造方法，其可以用來替代現有LZ50車軸及其製造エ藝，該車軸用鋼具備比LZ50車軸更好的綜合性能，該製造方法改善了現有車軸用鋼的強度和韌性配合度，可以滿足鐵路車軸所需良好強韌性和較高疲勞強度的需求。為了實現上述目的本發明所涉及的鐵路車軸用鋼的化學成分重量百分配比為c
O.40 O. 50 % ；Si 0. 20 O. 40 % ；Mn :0. 50 I. 10 % ；Cr :0. 50 I. 20 % ；V :0. 07
O.17%；Mo :彡 O. 20 ；Ni O. 30%；Cu O. 20%；N :0. 005 O. 012%；Ce :0. 050 O. 20%；S 0.015% ；P 0.02%。其餘為Fe和不可避免的雜質，雜質元素的總量低於O. 05%。其化學成分按照上述含量範圍設計的原因如下1)C元素能顯著提高鋼的強度和淬透性，是保證鋼坯室溫強度和空冷淬透性所必需的元素。碳含量低於O. 40%時淬透性和強度不夠，高於O. 50%則韌性變差，故將C元素含量設計為0. 40 O. 50%。2)Si加入鋼中能提高鋼的屈服強度。低於O. 20%含量效果不明顯。當含量超過
O.4%後，加工性和塑韌性有惡化趨勢，因而將Si元素含量設計為0. 20 O. 40%。3)Mn是改善鋼強韌性必須的元素。Mn溶入鐵素體形成固溶體，提高鋼的硬度和強度，起到固溶強化的作用。當其含量小於O. 50%時作用較小，其含量超過I. 10%後，鋼坯開裂傾向加大，所以將Mn元素含量設計為0. 50 I. 10%。4) Cr元素的加入使鋼的強度和抗CO2腐蝕性能提高。但是，Cr含量小於O. 5%時，鋼坯正火後空冷淬透性不夠，不利於晶粒的細化；高於I. 5%時，加工性變差，材料成本提高。本發明的Cr含量一般控制在O. 5 1.2%。5) V元素作為微合金元素，在正火狀態下，加入鋼中，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。本發明要求將V元素控制在O. 07 O. 17%。6)N元素的適當加入，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. 0050-0. 012 %。7)Ni是有利於提高衝擊性能，尤其是橫向衝擊性能的典型元素之一。含量大於
O.30 %吋，合金成本大大提高，不利於鋼種的經濟性，故將本發明中的Ni元素含量控制在く O. 30%。8)Mo能增加材料的淬透性，促使晶粒細化，高溫回火吋，有二次硬化作用，有利於 提高鋼材的綜合性能，含量高於O. 2%時，不利於鋼種的經濟性。因而，本發明技術方案的Mo元素含量設計在< O. 20%。
9)在鋼中加入微量Cu，將有利於發明鋼種的順利冶煉，且Cu和Ni是有利於抗腐蝕性能的元素之一，但該鋼種中Cu含量高於O. 20%後，熱加工性有變差的趨勢，所以需要在本技術方案中控制Cu元素含量< 0.20%。10)適量稀土元素鈰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祈，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，増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。考慮到鋼中S、P等雜質元素含量，在本發明的技術方案中Ce兀素的適宜加入量為O. 05 O. 20%。11)鋼中夾雜物受S、P含量影響較大，進而影響鋼的抗疲勞性能，故需嚴格控制鋼中S、p的含量，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。
合金的冶煉主要是嚴格控制C、Mn、Cr、Mo、Ni、S、P等含量，儘可能提高鋼水純淨 度，同時應儘可能降低鋼水中氣體含量及夾雜物總量等，儘可能提高鋼種的強韌度，同時應儘可能細化鋼種的晶粒。根據本發明的技術方案，通過適當添加V、N微合金元素，使其結合生成細小彌散的析出物，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也增強韌性水平；通過加入適量稀土元素Ce，可以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，起到鋼質淨化、夾雜物變質和晶粒細化的作用。進ー步，本發明還針對兩次正火+ —次回火エ序而導致現有生產LZ50車軸的成本相對較高的缺點，提供了一種生產鐵路車軸用鋼的生產エ藝，通過一次正火+—次回火熱處理方式即可達到鐵路車軸用鋼的相關標準要求，大大地提高車軸用鋼的強韌性。優化生產エ藝流程包括如下步驟I)轉爐冶煉，開始出鋼溫度約為1650°C。2) LF+RH精煉，最終溫度彡1550 °C。3)模鑄，開澆溫度約為1550°C，澆鋼速度3. 8 4. 8噸/分鐘。4)熱軋，終軋溫度彡950°C。5)空冷，製成車軸用鋼坯。6)鍛造，將車軸用鋼坯鍛造成車軸，終鍛溫度彡950°C。7)車軸鋼經過820 900°C正火+550 620°C回火整體熱處理。與LZ50車軸鋼製造方法所必須兩次正火+回火處理的エ藝相比，本發明通過改善エ藝流程，在熱處理工藝上只需經過一次正火+回火的エ序就可以達到車軸鋼的相關標準要求，其室溫力學性能可以達到Rm>750Mpa，Re I >41 OMpa, A>20. 5%, Z>50%，橫向Aku2>40J,縱向Aku2>45J水平的綜合性能，從而大大節省了生產時間，提高了生產效率。另夕卜，相比於現有LZ50車軸鋼坯常規採用連鑄的澆鑄方式，本發明採用了模鑄方式。其原因在幹採用模鑄方式與連鑄方式相比具有更大的壓縮比，不僅有利於鋼坯最終晶粒的細化進而提高強韌性配合，還有利於消除鋼坯的縮孔、疏鬆等缺陷。從成分方面來說，本發明的車軸鋼添加V、N微合金元素和Ce稀土元素，使得其與現有的車軸鋼相比，避免出現混晶或晶粒粗大的情況，且達到鋼質淨化，細化晶粒的效果，使其具有更好的強韌性。
從エ藝方面來說，本發明採用了模鑄方式可以獲得所要求的壓縮比；並且本發明採用一次正火+回火熱加工方式，在減少一次正火處理工藝的情況下，採用上述化學成分和生產エ藝的車軸鋼與現有的LZ50車軸鋼相比，抗拉強度提高17%以上，衝擊功提高20%以上，強韌性配合得到明顯的提高。與此同時，減少了一次正火處理工藝，大大筒化了生產流程，節約了生產時間，提高了生產效率，釋放了經濟產能。本發明的車軸用鋼具有較高的強度和良好的韌性配合，可作為30噸軸重的鉄路貨車車軸，其可替代替代目前大量使用的LZ50車軸鋼，以滿足我國鉄路貨運向高速、重載方向的快速發展。
具體實施例方式實施例1-6和對比例LZ50車軸鋼採用相同的冶煉、澆鑄和軋制過程，關鍵エ藝參數簡要為煉鋼，開始出鋼溫度約為1650°C，澆鑄開始溫度約為1550°C，鑄坯進行熱軋時終軋溫度> 950°C，熱軋後空冷到室溫，獲得車軸坯。表I為實施例1-6、對比例LZ50車軸鋼和LZ50車軸鋼標準要求的化學成分。表I本發明的車軸用鋼、對照用LZ50車軸鋼和LZ50車軸鋼標準要求化學成分(重量百分含量，％ )
權利要求
1.ー種鐵路車軸用鋼，其化學成分重量百分配比為，C :0.40 O. 50%，Si :0. 20 O.40 %, Mn 0. 50 I. 10 %，Cr 0. 50 I. 20 %，V 0. 07 O. 17 %，Mo :≤ O. 20，Ni ≤ O. 30 %, Cu ≤ O. 20 %, N 0. 005 O. 012，Ce 0. 050 O. 20 %，S :≤ O. 015 %，P :≤O. 02%,餘量為Fe和不可避免的雜質,雜質元素的總量< O. 05%。
2.一種如權利要求I所述的鐵路車軸用鋼的生產エ藝，其步驟如下 1)轉爐冶煉，開始出鋼溫度為1650°C； 2)LF+RH精煉，最終溫度彡15500C ； 3)模鑄，開澆溫度為1550°C，澆鋼速度3.8 4. 8噸/分鐘； 4)熱軋，終軋溫度彡9500C ； 5)空冷，製成車軸用鋼坯； 6)鍛造，將車軸用鋼坯鍛造成車軸，終鍛溫度>9500C ； 7)經過一次正火+回火整體熱處理，正火溫度為820 900°C，回火溫度為550 ·620 °C。
全文摘要
本發明公開了一種鐵路車軸用合金鋼及其生產工藝，其化學成分重量百分配比為，C0.40～0.50％；Si0.20～0.40％；Mn0.50～1.10％；Cr0.50～1.20％；V0.07～0.17％；Mo≤0.20；Ni≤0.30％；Cu≤0.20％；N0.005～0.012％；Ce0.050～0.20％；S≤0.015％；P≤0.02％，其餘為Fe和不可避免的雜質；包括以下步驟轉爐煉鋼→精煉→模鑄→熱軋→空冷→鍛造→一次正火+回火整體熱處理。採用該方法在減少一次正火處理的情況下獲得具有較高強度和韌性配合度的車軸用鋼，簡化了生產流程，節約了生產時間。
文檔編號B22D7/00GK102719749SQ201210219230
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者餘大江, 蔣錫軍, 蔡海燕, 陸明和 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司