CN101497968A - 一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺，钢的化学成分(wt％)为：C 0.50－0.57％，Si 0.17－0.40％，Mn 0.60－1.00％，Cr 0.20－0.35％，Ni 0.18－0.40％，Mo 0.08－0.18％，Al 0.02－0.06％，Ti0.020－0.060％，V0.030－0.10％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤ 0.0015％，[N]≤0.0060％，余为Fe。本发明钢强度高、塑性好、低温冲击性能好、抗裂纹敏感性好。

Description

一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉及高强度、抗裂纹、高韧性的微合金化铁路货车车轴用钢的钢种设计及其生产工艺。

背景技术：

随着我国经济持续稳定地发展，铁路运输能力已经成了严重制约国民经济发展的瓶颈(我国人均铁路占有里程7cm)。为此，2008年国家提出了投资2万亿的铁道建设规划。为了保证完成国家下达的建设计划，同时，吸取2008年发生的“5.29”、“7.21”两次货车冷切轴事故的教训，遏制车轴裂纹故障，彻底扭转货车安全运输的被动局面，实现铁路运输高速、重载、安全的目标，铁道部对铁道机车用钢的材料质量、性能及成本提出了新的要求。其中，根据铁道部的最新材料规划，要求铁道车辆车轴用材料的强度在原来LZ50的基础上提高10％，综合力学性能更好；车轴的静强度要求：抗拉强度要求大于等于675MPa，屈服强度大于等于380MPa；材料的塑性指标和铁道部运输局的运装货车[2008]114号文件，《关于印发<连铸工艺生产铁道车辆车轴用LZ50钢坯技术条件>(暂行)的通知》对轴坯材料的要求一致。

而目前国内车轴用材料采用普通的50钢，普通的50钢整体热处理后存在着强度低、晶粒度级别低、抗裂纹敏感性低的缺陷，加之普通50钢坯均是采用模铸工艺生产的，材料成分偏析严重，表面质量差，同时存在着等径方向成分均匀性差等缺陷，远远不能满足铁道车辆车轴用钢的要求，使用中存在着较大的安全隐患(如上所述的事故)。

普通50车轴钢化学成分(熔炼分析)：

 

元素名称	C	Mn	Si	P	S	Qr	Ni	Cu	T·Al
										含量(％)	0.47～0.57	0.60～0.90	0.17～0.40	≤0.030	≤0.030	≤0.30	≤0.30	≤0.25	≥0.120

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种微合金化铁路货车车轴用钢，钢的强度高、塑性好、低温冲击性能好、抗裂纹敏感性好。本发明要解决的另一个技术问题是提供这种钢的生产工艺，能保证成材质量，能提高成材率和生产效率，生产成本低。

本发明通过以下技术方案实现：

一种微合金化铁路货车车轴用钢，它的化学成分(wt％)为：C 0.50-0.57％，Si0.17-0.40％，Mn 0.60-1.00％，Cr 0.20-0.35％，Ni 0.18-0.40％，Mo0.08-0.18％，Al 0.02-0.06％，Ti 0.020-0.060％，V 0.030-0.10％，S≤0.010％，P≤0.020％,B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0060％，余为Fe。

所述化学成分进一步优选为(wt％)：C 0.50-0.55％，Si 0.25-0.35％，Mn0.70-0.85％，Cr 0.21-0.24％，Ni 0.18-0.240％，Mo 0.08-0.12％，Al0.022-0.040％，Ti 0.023-0.040％，V 0.060-0.95％，S≤0.005％，P≤0.015％，B≤0.005％，Cu≤0.05％，Sb≤0.005％，Sn≤0.002％，As≤0.01％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0050％，余为Fe。

一种微合金化铁路货车车轴用钢的生产工艺，包括下列步骤：

(1)转炉冶炼，加入铁水及废钢，实现预脱P及成分初调；

(2)LF精炼：在LF炉中脱S、脱O及成分微调；

(3)RH精炼，在RH精炼，在钢、渣不混合的情况下，实现真空脱气，保证[H]≤0.00015％；

(4)连铸，在连铸机上浇成500mm的圆坯；

(5)连轧，采用开坯机，轧制成车轴钢坯；材料经热处理后：抗拉强度R_m＝720-800MPa、屈服强度R_el＝400-460MPa、伸长率A₅＝19-25％、断面收缩率Z＝38-45％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝37-60J，钢的奥氏体晶粒度为6.0～8.0级。

(6)无损探伤，采用超声波及涡流探伤机组进行轧件的表面及内部质量的检验。

下面具体说明本发明钢化学成分的限定理由。

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性恶化，并会降低材料的焊接性能，C是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。如果C含量低于0.50％，材料的强度和力学性能指标均达不到设定的使用要求。如果C含量高于0.57％，按照本发明方案，材料的塑性指标和及低温冲击性能受到较大的影响，所以本钢种C含量取0.50-0.57％。

Si：在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.17％才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn、Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，但Si是显著提高钢的屈服强度的元素，综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.17-0.40％。

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于0.60％时，材料的力学性能很难达到车轴钢的使用要求，当Mn含量高于0.90％时，加大了工件淬火后的变形趋势，对车轴热处理工艺十分不利，所以Mn含量确定为0.60-0.90％。

Cr：能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，能抑制和降低C的扩散速度，还有能提高钢的淬火及回火稳定性作用。综合考虑，如果Cr低于0.20％材料力学性能达不到要求，同时材料抗腐蚀和耐磨性差，如果高于0.35％材料的塑性指标将受到影响，同时过高的Cr会形成氧化物夹杂，降低钢的冲击韧性，增加材料热处理变形，所以确定Cr含量为0.20-0.35％。

Mo：能提高钢的淬透性、热强性，并具有提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向等作用。同时能减少热处理裂纹，提高材料的冲击韧性。当Mo含量超过0.18％时，对材料性能改善的效果不明显，且将大幅度增加成本，所以综合考虑，本发明取Mo含量为0.08-0.18％。

Ni：与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相或γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显的改善钢材焊缝处的冲击性能，并提高钢的耐腐蚀性能。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素。是一种重要的战略物资。作为合金化元素，能不用的尽量不用，不能不用的尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落现象，给车轴制造工序增加困难。所以本发明Ni范围取0.18％-0.40％。与对比钢相比在保证材料使用塑性性能的前提下，提高了材料的强度和抗冲击能力。

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时提高钢的低温性能和耐蚀性能。但如果Al含量过高，容易形成硬的Al₂O₃夹杂，降低钢的疲劳寿命，恶化钢的冲击韧性。

Ti：细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的粗化晶粒温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力等。同时，Ti对降低钢中的气体含量及改善钢的低温冲击韧性有显著作用。当Ti含量高于0.06％时，作用不再增加。所以，Ti含量定为0.02％-0.06％。由于材料晶粒的细化，细化后材料的晶粒度等级大大提高，晶界的比重加大，钢的强度增加，材料对裂纹的敏感性大大降低。

V：钒在钢中主要起的作用：细化组织晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性；增加回火稳定性，并产生二次硬化效应。对中碳含量的钢，无论在退火、正火或调质状态，钒除提高钢的强度，特别是屈服点和屈强比以外，还改善钢的塑性和韧性。由于材料晶粒的细化，细化后材料的晶粒度等级大大提高，晶界的比重加大，钢的强度增加，材料对裂纹的敏感性大大降低。

残余元素P、S、Sn、Sb、As、Cu、B等，实践证明，P、S、Sn、Sb、As在晶间偏聚造成晶界脆化，会造成材料高温回火脆性，同时P、As、Sb超过一定含量时，对钢材的脆性转变温度提高很多，造成材料低温冲击韧性低，恶化钢材的综合力学性能。所以本发明对上述残余元素作了相关的规定。

0：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和0含量极低时，材料的强度和塑性均随0含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着0含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着0含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将0含量控制在0.0015％以内，这是本发明工艺的优势之一。

N：钢中N主要起固溶强化和沉淀强化的作用，但N导致钢的时效及蓝脆现象，过高的N还会造成钢的疏松和气泡。本发明及生产工艺可以将N控制在0.0060％以下。这是本发明工艺的一个优势。

按照本发明生产的车轴轴坯，具有高强度、抗裂纹敏感性、高韧性以及较高的冲击韧性。材料经过整体热处理后，性能如下：抗拉强度R_m＝720-800MPa、屈服强度R_el＝400-460MPa、伸长率A₅＝19-25％、断面收缩率Z＝38-45％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝37-60J。钢的奥氏体晶粒度为6.0～8.0级(不采用微合金化钢的奥氏体晶粒度一般在3～5级)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、采用复合微合金化的方式，使材料的强度，抗裂纹敏感性、韧性及抗低温冲击性能得到大大提高。

二、采用转炉工艺，大大地降低了生产能耗，节约了成本。

三、采用RH工艺，采用钢、渣分离的脱气方式，避免钢、渣混合脱气，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的疲劳寿命。

四、采用连铸工艺代替模铸工艺，大大提高了生产效率及铸坯成材率，节约了成本。

具体实施方式：

实施例1

采用以下生产工艺制备：

(1)转炉冶炼，在80吨转炉顶底复吹式转炉中冶炼，加入铁水及废钢，并将NiFe和MoFe随废钢加入转炉，实现预脱P及成分初调以及转炉冶炼较高合金钢；

(2)LF精炼，在80吨LF炉中脱S及成分微调；

(3)RH精炼，采用80吨RH在钢渣不混合的情况下，实现真空脱气及进一步去除夹杂物，保证[H]≤0.00015％以及较高的钢水洁净度；

(4)连铸，采用意大利达涅利公司生产的R14m的6机6流连铸机，浇成φ500mm的圆坯；

(5)连轧，采用开坯机轧制成车轴轴坯。

所得钢的化学成分：

C 0.54％，Si 0.34％，Mn 0.75％，Cr 0.22％，Ni 0.20％，Mo 0.09％，Al0.031％，S 0.0040％，P 0.012％，Cu 0.02％，Sb 0.003％，Sn 0.0015％，As 0.006％，[0]0.0013％，[N]0.0042％，V 0.080％，Ti 0.025％余为Fe。

250mm方坯经过整体正火(830℃)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝415MPa、屈服强度R_el＝760MPa、伸长率A₅＝23.5％、断面收缩率Z＝42％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝39J。钢的奥氏体晶粒度为7.0级。

实施例2

所得钢的化学成分：

C 0.51％，Si 0.30％，Mn 0.78％，Cr 0.23％，Ni 0.21％，Mo 0.10％，Al0.029％，S 0.0040％，P 0.011％，Cu 0.02％，Sb 0.003％，Sn 0.0015％，As 0.006％，[0]0.0012％，[N]0.0040％，V 0.090％，Ti 0.029％余为Fe。

其余实施如实施例1。

250mm方坯经过整体正火(830℃)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝425MPa、屈服强度R_el＝780MPa、伸长率A₅＝21.5％、断面收缩率Z＝42％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝43J。钢的奥氏体晶粒度为6.5级。

实施例3

所得钢的化学成分：

C 0.53％，Si 0.33％，Mn 0.76％，Cr 0.22％，Ni 0.19％，Mo 0.10％，Al0.030％，S 0.0030％，P 0.010％，Cu 0.01％，Sb 0.003％，Sn 0.0015％，As 0.006％，[0]0.0013％，[N]0.0044％，V 0.094％，Ti 0.031％余为Fe。

其余实施如实施例1。

230mm方坯经过整体正火(830℃)后取样，所得的力学性能如下：

抗拉强度R_m＝435MPa、屈服强度R_el＝790MPa、伸长率A₅＝21.％、断面收缩率Z＝39％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝44.5J。钢的奥氏体晶粒度为7.0级。

本发明钢经过齐齐哈尔轨道配件有限公司、长江车轴厂、晋西车轴厂检验，性能良好，上述力学性能数据为三家车轴厂的实测数据。

Claims (3)

1、一种微合金化铁路货车车轴用钢，其特征在于它的化学成分(wt％)为：C0.50-0.57％，Si 0.17-0.40％，Mn 0.60-1.00％，Cr 0.20-0.35％，Ni 0.18-0.40％，Mo 0.08-0.18％，A 10.02-0.06％，Ti 0.020-0.060％，V 0.030-0.10％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[0]≤0.0015％，[N]≤0.0060％，余为Fe。

2、如权利要求1所述一种微合金化铁路货车车轴用钢，其特征在于它的化学成分(wt％)为：C 0.50-0.55％，Si 0.25-0.35％，Mn 0.70-0.85％，Cr 0.21-0.24％，Ni 0.18-0.240％，Mo 0.08-0.12％，Al 0.022-0.040％，Ti 0.023-0.040％，V 0.060-0.95％，S≤0.005％，P≤0.015％，B≤0.005％，Cu≤0.05％，Sb≤0.005％，Sn≤0.002％，As≤0.01％，[0]≤0.0015％，[N]≤0.0050％，余为Fe。

3、根据权利要求1或2所述的一种微合金化铁路货车车轴用钢的生产工艺，其特征在于包括下列步骤：

(1)转炉冶炼，加入铁水及废钢，实现预脱P及成分初调；

(2)LF精炼：在LF炉中脱S、脱0及成分微调；

(3)RH精炼，在RH精炼，在钢、渣不混合的情况下，实现真空脱气，保证[H]≤0.00015％；

(4)连铸，在连铸机上浇成500mm的圆坯；

(5)连轧，采用开坯机，轧制成车轴钢坯；材料经热处理后：抗拉强度R_m＝720-800MPa、屈服强度R_e1＝400-460MPa、伸长率A₅＝19-25％、断面收缩率Z＝38-45％、-20℃，V型缺口冲击功AKv＝37-60J，钢的奥氏体晶粒度为6.0～8.0级。

(6)无损探伤，采用超声波及涡流探伤机组进行轧件的表面及内部质量的检验。