一種車軸鋼及其製備方法

2023-04-26 06:07:11 1

專利名稱：：一種車軸鋼及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種車軸鋼及其製備方法。
背景技術：
：車軸作為鐵道車輛的重要部件，長期處於交變應力作用下，因此，車軸除了應具有較高的強度外，還應具有良好的塑韌性。目前，國內外使用的車軸普遍採用優質中碳碳素鋼製造，如美國AARM101標準規定車軸鋼的化學成分:C0.45%-0.59%、Si>0.15%、Mn0.60%-0.90%、P《0.045%、S《0.050。日本JISE4502-1規定車軸鋼的成分為C0.30%-0.50%、Si《0.50%、Mn《1.20%、P《0.040%、S《0.040、Cr《0.30%、Cu《0.30%、Mo《0.08%、V《0.05%。歐洲UIC811-1標準規定車軸用C45鋼的成分為C0.42%-0.50%、SiO.15%-0.40%、Mn0.50%-0.80%、P《0.035%、S《0.035、Cr《0.30%、Ni《0.30%、Cu《0.30%、Mo《0.08%、V《0.05%。我國目前通常使用含碳量為O.50X的LZ50鋼。LZ50車軸鋼的化學成分C0.47%-0.57%、Si0.17%-0.40%、MnO.60%-0.90%、P《0.020%、S《0.020%、A1>0.020%、Cr《0.30%、Ni《0.30%、Cu《0.25%、H《0.00025%，0《0.0020%，N《0.0070%。這種車軸鋼的屈服強度ReL約為345兆帕，抗拉強度Rm約為610兆帕，伸長率A約為20%，端面收縮率Z約為37%，衝擊功Aku2約為25焦耳。目前，我國鐵路運輸向高速、重載方向發展，對車軸鋼的強韌性提出了更高的要求。要提高LZ50車軸鋼的強度，最簡單的方法是提高鋼中C、Si、Mn元素的含量，即將C、Si、Mn元素的含量按鋼種上限控制，但這將使鋼的塑韌性降低，尤其是延伸率A可能滿足不了標準要求。例如，《冶金標準化與質量》雜誌(2001年5月，第39巻第3期，第51-53頁)報導了為了使鋼的ReL達到345Mpa，Rm達到610Mpa，A達到20%，Z達到37%，必須將C控制在0.47%-0.52%範圍；《特殊鋼》雜誌(2005年11月，第26巻6期，第61-62頁)報導了為了使鋼的力學性能滿足ReL達到345Mpa，Rm達到6腦pa，A達到20%，Z達到37%，必須將鋼的C含量控制在0.47%-0.50%，SiO.20%-0.35%，MnO.71%-0.85%。因此，通過提高鋼中C、Si、Mn元素的含量以提高鋼的強度並同時又不損失鋼的塑韌性的方法基本無法實現。在實踐中，為了提高LZ50車軸鋼的強度和韌性，一般通過多次熱處理(即反覆進行"2次正火+1次回火"的工藝)來實現，但是這種方法增加的強度和韌性是有限的，並且導致生產成本增加。
發明內容本發明為了克服現有技術提供的車軸鋼的強度和韌性較低，生產成本較高的缺陷，提供一種新的具有較高強度和韌性的車軸鋼，並且生產該鋼的成本較低。在本發明的發明人意外地發現在適當調整C、Si、Mn的含量的同時，適當提高微量元素V和Cr的含量後，製備的車軸鋼具有更高的適當的強度和韌性。因此，本發明提供了一種車軸鋼，其中，該車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，以單質計，C0.47-0.54重量X、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、附《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，餘量為鐵和雜質。本發明還提供了一種車軸鋼的製備方法，其中，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中依次將碳質材料、脫氧劑、矽鐵合金、矽錳合金、鉻鐵合金和釩鐵合金加入到鐵水中，並且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準，CO.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述爐外精煉在真空條件下進行，精煉的溫度為1590-1625t:，精煉的時間為12-15分鐘，其中，在所述爐外精煉時加入碳質材料、鐵矽合金和鐵錳矽合金中的一種或幾種以及鋁，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量處於本發明提供的車軸鋼的範圍。本發明提供的車軸鋼不僅具有更高的適當的強度和韌性，而且其生產成本也低於現有技術通過多次熱處理製備的車軸鋼的生產成本。例如實施例1提供的車軸鋼在經過1次熱處理後的屈服強度ReL為405兆帕、抗拉強度Rm為748兆帕，伸長率A為24.0%、端面收縮率Z為48.0%、衝擊功Aku2為38焦耳；而對比例1提供的車軸鋼在經過1次熱處理後的屈服強度ReL為360兆帕、抗拉強度Rm為650兆帕，伸長率A為21.5%、端面收縮率Z為41.5%、衝擊功Aku2為28焦耳。由於現有車軸鋼對屈服強度ReL的最低要求是365兆帕，因此對比例1提供的車軸鋼在經過1次熱處理後沒有達到最低要求；對比例1提供的車軸鋼經過2次熱處理後鋼的屈服強度ReL為375兆帕，抗拉強度Rm為670兆帕，伸長率A為22.5X、端面收縮率Z為43.0%、衝擊功Aku2為30.0焦耳。此外，與由對比例l提供的車軸鋼經1次熱處理後的鋼需要的生產成本相比，生產1噸由實施例1提供的車軸鋼需增加成本約100元；而生產1噸由對比例1提供的車軸鋼經2次熱處理後的鋼需增加成本300元，因此本發明能明顯節約成本。具體實施例方式本發明提供了一種車軸鋼，其中，該車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，以單質計，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、A10.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、Ni《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，餘量為鐵和雜質。所述雜質為現有車軸鋼的標準中沒有明確指出的雜質，主要與鐵水的來源有關。作為一種優選的實施方式，所述車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，C0.50-0.54重量X、Si0.3-0.4重量％、Mn0.75-0.85重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.025-0.06重量％、Cr0.15-0.25重量％、Ni《0.2重量％、Cu《0.2重量％、H《0.00025重量％，0《0.002重量％，N《0.007重量％，餘量為鐵和雜質。本發明提供的車軸鋼的強度高於現有技術提供的車軸鋼的強度，例如，使屈服強度ReL增加40兆帕以上，且使車軸鋼的韌性不低於現有技術所提供的車軸鋼的韌性；作為一種優選的實施方式，本發明的車軸鋼的屈服強度ReL可以為400-500兆帕、抗拉強度Rm可以為700-800兆帕，伸長率A可以為22-30%、端面收縮率Z可以為43-55%、衝擊功Aku2可以為30-42焦耳。所述衝擊功是在常溫下產生"U"型缺口衝擊時所需要的功。本發明還提供了一種車軸鋼的製備方法，其中，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中依次將碳質材料、脫氧劑、矽鐵合金、矽錳合金、鉻鐵合金和釩鐵合金加入到鐵水中，並且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準，CO.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述爐外精煉在真空條件下進行，精煉的溫度為1590-1625t:，精煉的時間為12-15分鐘，其中，在所述爐外精煉時加入碳質材料、鐵矽合金和鐵錳矽合金中的一種或幾種以及鋁，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量處於本發明提供的車軸鋼的範圍。通過控制真空度和精煉的時間，使H和N的含量處於本發明提供的車軸鋼的範圍；通過控制真空度和精煉的時間以及鋁的添加量使O的含量處於本發明提供的車軸鋼的範圍；為了控制本發明通過的車軸鋼中雜質Ni和Cu的含量，可以選擇含有符合本發明提供的車軸鋼中Ni和Cu的含量的鐵水作為原料。為了控制入爐鐵水P和S的含量分別小於或等於入爐鐵水總重量的0.020%和0.020%，可以採用脫硫、脫磷後的鐵水冶煉車軸鋼。為了控制鋼水的氧化程度，降低鋼水中的含氧量，應對吹煉終點進行控制，以吹煉步驟中鐵水總重量為基準，所述吹煉步驟終點的C控制在0.03-0.1重量％時，停止吹煉。所述爐外精煉可以是能實現本發明目的的各種公知的爐外精煉方法，優選為真空循環脫氣法(RH)。所述吹煉是向鐵水中通入氧氣使鐵水中的一些雜質，如碳、磷、矽氧化的過程。吹煉按照為本領域常規的方法進行。在所述吹煉結束後，加入碳質材料調節所述鋼水中的含碳量，使鋼水中的含碳量符合本發明提供的車軸鋼中碳的含量。加入矽鐵合金(Fe-Si)、矽錳合金(Fe-Mn-Si)、鉻鐵合金(Fe-Cr)和釩鐵合金(Fe-V)進行合金化以調節鐵水中的Si、Mn、Cr和V的含量以及調節車軸鋼的成分結構。碳質材料與Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-V可以同時加入，優選在加入碳質材料後加入Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-V。為了進一步降低鋼水中的含氧量，優選在合金化前加入脫氧劑對鋼水進行處理，所述脫氧劑的加入量可以為本領域的常規加入量，優選為3.0-4.0千克/噸鋼水；所述脫氧劑為本領域常規的脫氧劑，優選為鋁鐵或其他複合脫氧劑；所述複合脫氧劑可以為矽鈣鋇、鋁錳鐵中的一種或幾種。在所述爐外精煉時，所述真空條件的真空度為本領域常規的真空度，優選為不大於500帕，以降低鋼水中的H和0的含量。所述真空度為相對的真空度，即一個標準大氣壓與密閉空間中的氣壓的差值。本發明所述的碳質材料為本領域公知的碳質材料，優選為瀝青焦、無煙煤和碳粉中的一種或幾種。本發明提供的方法還包括在所述爐外精煉後進行澆鑄，澆鑄按照常規方法進行。作為一種優選的實施方式，所述澆鑄在保護性氣體氛圍中進行。所述保護性氣體為零族氣體，優選為氬氣。澆鑄時可以控制鋼水過熱度為20-4(TC，如鋼水的溫度為1505-1525t:;澆鑄後，可以按照常規方法進行冷卻，如在室溫下自然冷卻。本發明提供的方法還包括在所述澆鑄後進行鋼坯軋制，本發明的軋制可以按照常規的方法進行；作為一種優選的實施方式，所述鋼坯軋制包括在溫度為1250°C-1280°C下進行加熱，然後在1230°C_12501:下保溫1.5-2.0小時後進行軋制。開始軋制溫度為115(TC-120(TC，終軋溫度為90(rC以上。鋼坯軋制後，採用常規的方法冷卻即可，如採用堆垛空冷方式冷卻。實施例1-7:這些實施例用於說明本發明提供的車軸鋼。(1)冶煉鋼水採用脫硫、脫磷鐵水冶煉車軸鋼，當鋼水中C含量在0.03%-0.10%(各實施例控制的具體數值如表l所示)時立即出鋼到鋼包中。出鋼時先加瀝青焦(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)或無煙煤(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)進行增碳，出鋼1/3後加入預脫氧劑鋁鐵(安陽市恆旺冶金耐材有限公司)3千克/噸，控制鋼水中的氧濃度為100X10一6以下，加入鋁鐵後，在鋼包中加入Fe-Si-Mn(安陽市恆旺冶金耐材有限公司)、Fe-Si(安陽市恆旺冶金耐材有限公司)、Fe-Cr(攀枝花攀宏冶金製品有限公司)、Fe-V(攀枝花攀宏冶金製品有限公司)，進行Si、Mn、Cr、V元素的合金化，控制鋼水中各成分的含量，以鋼水的總重量為基準，C0.4-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％(各實施例控制的具體數值如表1所示)。(2)爐外精煉鋼水送到LF爐後，加熱鋼水到1590-1625°C，立即送到RH真空裝置進行真空處理，真空度控制在不大於500帕，鋼水真空處理5分鐘後，補加適量Al丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量，以鋼水的總重量為基準，C0.47-0.54重量％、Si0.20-0.40重量X、Mn0.70-0.90重量X、A10.03-0.06重量％，各實施例控制的具體數值如表1所示。鋼水真空處理時間12-15分，鋼水溫度為1590-1625°C。(3)澆鑄在氬氣保護條件下進行，鋼水澆鑄溫度控制在1505-1525t:之間。(4)鋼坯軋制採用推鋼式加熱爐加熱鋼坯到1250-128(TC，然後在1230_1250°C溫度下保溫1.5-2.0小時後開始軋制車軸鋼坯，終軋溫度控制在900°C以上。軋後採用堆垛空冷方式進行冷卻。最後鍛造車軸及熱處理採用上述車軸鋼坯鍛造製成車軸，然後進行熱處理，取樣檢驗性能。熱處理工藝第一次正火850-88(TC，第二次正火800-82(TC，回火500-540°C。各成分的檢測方法分別為碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法，國家標準為GB/T4336。氧、氮含量的檢測方法為脈衝加熱惰氣熔融_紅外線吸收法，國家標準為GB/T11261。對比例1該對比例用於說明現有技術提供的車軸鋼。(1)冶煉鋼水按照實施例1-7步驟(1)進行，不同的是，不加入Fe-Cr、Fe-V。(2)爐外精煉按照實施例l-7步驟(2)進行，不同的是，加入的碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量，使以鋼水的總重量為基準，C、Si、Mn分別為0.54%、0.32%和0.75%。(3)澆鑄按照實施例1-7步驟(3)進行。(4)鋼坯軋制按照實施例1-7步驟(4)進行。車軸的鍛造與實施例1-7相同；並按照實施例1-7所述的熱處理方法分別進行1次熱處理和兩次熱處理。各成分的檢測方法按照實施例1-7的方法進行。性能測試將實施例1-7和對比例1製備的車軸鋼在車軸軸頸1/2半徑處取樣，進行機械性能測試，其中，拉伸性能按照GB/T228金屬材料室溫拉伸試驗方法進行，分別檢測屈服強度ReL，抗拉強度Rm，伸長率A及端面收縮率Z。按照GB/T229金屬夏比缺口衝擊試驗方法檢測衝擊功Aku2。檢測的結果列在表2中。tableseeoriginaldocumentpage81515注表1中的百分比均為重量百分比。tableseeoriginaldocumentpage9從表2可以看出本發明提供的車軸鋼與現有技術提供的車軸鋼相比，其強度和韌性顯著提高。例如，實施例l提供的車軸鋼的屈服強度ReL為405兆帕、抗拉強度Rm為748兆帕，伸長率A為24.OX、端面收縮率Z為48.0%、衝擊功Aku2為38焦耳；而對比例1提供的車軸鋼的屈服強度ReL為360兆帕、抗拉強度Rm為650兆帕，伸長率A為21.5%、端面收縮率Z為41.5%、衝擊功Aku2為28焦耳。此外，與由對比例1提供的車軸鋼經1次熱處理後的鋼需要的生產成本相比，生產1噸實施例1提供的車軸鋼需要增加成本約100元；而生產1噸由對比例1提供的車軸鋼經2次熱處理後的鋼需增加成本300元，因此本發明能明顯節約成本。權利要求一種車軸鋼，其特徵在於，該車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，以單質計，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P≤0.02重量％、S≤0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、H≤0.00025重量％，O≤0.002重量％，N≤0.007重量％，餘量為鐵和雜質。2.根據權利要求l所述的車軸鋼，其中，該車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，C0.50-0.54重量％、Si0.3-0.4重量X、Mn0.75-0.85重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.025-0.06重量％、Cr0.15-0.25重量％、Ni《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，餘量為鐵和雜質。3.權利要求1所述的車軸鋼的製備方法，其特徵在於，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中依次將碳質材料、脫氧劑、矽鐵合金、矽錳合金、鉻鐵合金和釩鐵合金加入到鐵水中，並且使在該步驟得到的鋼水中:以所述鋼水總重量為基準，C0.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述爐外精煉在真空條件下進行，精煉的溫度為1590-1625t:，精煉的時間為12-15分鐘，其中，在所述爐外精煉時加入碳質材料、鐵矽合金和鐵錳矽合金中的一種或幾種以及鋁，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量處於權利要求1所述的範圍。4.根據權利要求3所述的方法，其中，以吹煉步驟中鐵水總重量為基準，所述吹煉步驟終點的C控制在0.03-0.1重量％。5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述真空條件的真空度為不大於500帕。6.根據權利要求3所述的方法，其中，碳質材料為瀝青焦、無煙煤和碳粉中的一種或幾種。7.根據權利要求3所述的方法，其中，該方法還包括在所述爐外精煉後進行澆鑄，其中，該澆鑄在保護性氣體氛圍中進行。8.根據權利要求7所述的方法，其中，該方法還包括在所述澆鑄後進行鋼坯軋制，其中，所述鋼坯軋制包括在溫度為1250°C_12801:下進行加熱，然後在1230°C-125(rC下保溫1.5-2.0小時後進行軋制。全文摘要本發明提供了一種車軸鋼，其中，該車軸鋼的化學成分為以該車軸鋼總重量為基準，以單質計，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P≤0.02重量％、S≤0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、CrO.15-O.3重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、H≤0.00025重量％，O≤0.002重量％，N≤O.007重量％，餘量為鐵和雜質。本發明還提供了一種車軸鋼的製備方法。本發明提供的車軸鋼不僅具有更高的適當的強度和韌性，而且其生產成本也低於現有技術通過多次熱處理製備的車軸的生產成本。文檔編號C21C7/10GK101724787SQ20081017156公開日2010年6月9日申請日期2008年10月21日優先權日2008年10月21日發明者代華雲,楊素波,柯曉濤,江南紅,程興德,雷秀華申請人:攀鋼集團研究院有限公司;攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司;攀枝花新鋼釩股份有限公司