CN102876982A

CN102876982A - 一种车轴用钢及其制造方法

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Publication number: CN102876982A
Application number: CN2011101976309A
Authority: CN
Inventors: 谭谆礼; 宋洪伟; 余大江; 万根节; 蒋锡军
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种车轴用钢，其各化学元素质量百分配比为：C：0.38～0.48％；Si：0.20～0.4％；Mn：0.45～1.00％；Cr：0.5～1.5％；V：0.05～0.15％；N：0.0075～0.018％；Cu≤0.25％；Al：0.02～0.04％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明所述的车轴用钢采取一次正火+回火的热处理工艺便可以达到较好的综合力学性能。

Description

一种车轴用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种微合金钢及其制造方法。

背景技术

车轴是铁路货车车辆结构中最关键部件之一，其担负着车辆承载、运行的功能，直接关系到铁路运行的安全。由于长期承受交变应力的作用，故要求车轴在具有良好强韧性配合的同时，还应有较高的疲劳强度。

现有的车轴用钢一般为碳素钢或低合金钢。其中，车轴用低合金钢多是在碳素钢中添加适当的合金元素以达到强韧化目的。Cr、Ni、Mo等元素是车轴用钢主要的合金化元素，其中Mo是使车轴用钢晶粒细化、提高综合性能的首选元素；Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织；Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素。

目前，我国铁路货车车轴大量使用的是普通LZ50车轴钢。LZ50车轴钢在整体热处理后存在着强韧性配合较低、晶粒度级别较低等缺陷，随着我国铁路货运朝着速度加快、载重增加方向发展，LZ50车轴已不能完全满足铁路货车安全运行的要求，迫切需要开发出具有更高强韧性配合的新材质车轴钢进行替代。

发明内容

为克服现有LZ50铁路货车车轴钢强度和韧性配合较差，两次正火+一次回火处理导致生产成本相对较高的缺陷，本发明提供了一种车轴用钢及其制造方法，这种车轴用钢具有较佳强韧性配合，且通过一次正火+一次回火的热处理工艺即可达到相关标准要求。

根据上述发明目的，本发明提供了一种车轴用钢，其各化学元素质量百分配比为：

C：0.38～0.48％；Si：0.20～0.4％；Mn：0.45～1.00％；Cr：0.5～1.5％；V：0.05～0.15％；N：0.0075～0.018％；Cu≤0.25％；Al：0.02～0.04％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

在一种优选的实施方案中，所述车轴用钢还包括质量百分配比≤0.40％的Ni。

在另一种优选地实施方案中，所述车轴用钢还包括质量百分配比≤0.25％的Ce。

在又一种优选的实施方案中，所述车轴用钢还包括质量百分配比≤0.40％的Ni和质量百分配比≤0.25％的Ce。

在一种优选地实施方案中，所述车轴用钢的各化学元素的质量百分配比进一步限定为：

C：0.40～0.48％；Si：0.20～0.37％；Mn：0.55～0.85％；Cr：0.40～0.65％；V：0.07～0.15％；N：0.0075～0.018％；Cu≤0.25％；Al：0.02～0.04％；Ni≤0.30％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本技术方案中各化学元素配比的设计原理如下：

C元素是保证钢坯室温强度和空冷淬透性所必需的成分。对于本技术方案所涉及的车轴用钢来说，如果碳含量低于0.38％，会导致钢的淬透性和强度不够，如果高于0.48％，则会导致钢的韧性变坏。

Si元素加入钢中起到了脱氧的作用。当其含量低于0.20％时，脱氧的效果不明显。而当其含量超过0.4％后，则会导致加工性和韧性恶化的趋势。

Mn元素是改善钢强韧性必须的元素。在本技术方案中，Mn和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，起到固溶强化的作用。另外，Mn能降低钢中γ→α相变温度，该温度的降低具有细化珠光体的作用，间接起到提高珠光体强度的作用。故本技术方案中，0.45％是实现上述效果的最低含量，而一旦含量超过1.00％，钢坯开裂的倾向则加大。

Cr元素的加入能提高钢的强度和抗CO₂腐蚀性能。但是，对于本技术方案来说，如果Cr含量小于0.5％，钢坯正火后空冷淬透性不够，不利于晶粒的细化；如果Cr含量高于1.5％，则不仅会提高材料的成本还会导致加工性变差。

钢中微合金元素V的加入，在正火或回火状态下，可形成细小稳定的碳、氮化物，阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而在有效增强钢强度的同时，改善钢的塑性和韧性。

对于本技术方案来说，加入适当含量的N元素，可充分发挥V元素的晶粒细化作用。这是因为N能与V结合成细小弥散的VN或V(CN)析出物，从而发挥细晶强化和弥散强化作用，起到细化晶粒的作用，从而在提高强度的同时提高韧性水平。根据本技术方案中，N元素和V元素的结合能力以及V的含量，将钢中N含量控制在0.0075-0.018％。

加入微量的Cu有利于本技术方案所述钢种的顺利冶炼，且Cu是有利于抗腐蚀性能的元素之一，但对于本技术方案来说，钢种中Cu含量高于0.25％后，热加工性有变差的趋势。

Al元素在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，另外还提高了表面膜层的稳定性和耐蚀性。但是对于本技术方案来说，如果加入量超过0.40％，钢种的力学性能反而变差。

本技术方案中的不可避免的杂质主要是指S、P、O，因此应严格控制钢杂质含量，尽可能做到P≤0.02，S≤0.015，[O]≤20ppm，以减少MnS夹杂，减轻P的晶界偏析，改善夹杂物形态，保持钢的纯净度，提高强韧性配合和抗疲劳性能。

在本技术方案的一种实施方式中还添加了适量的Ni元素，其目的是为了提高钢种的冲击性能，尤其是横向冲击性能。

在本技术方案的另一种实施方式中还加入了适量的稀土元素铈Ce。Ce的加入，可深度降低钢中氧和硫的含量，并抑制S、P等杂质在晶界上的偏析，达到净化钢质的作用。同时，还能改变钢中夹杂物的性质、形态和分布，使夹杂物变质，增加夹杂物与晶界抵抗裂纹形成与扩展能力，达到提高韧性的目的。此外，Ce的微小化合物质点在结晶界面上偏聚，可以起到阻碍晶胞长大，为钢晶粒细化提供较好的热力学条件，从而细化钢的凝固组织，改善钢的强韧性配合。

相应地，本发明还提供了该车轴用钢的制造方法，其包括下列步骤：冶炼、浇铸、轧制、锻造和热处理，其中热处理步骤为：一次正火+回火。

优选地，所述正火温度为820～880℃，所述回火温度为500-590℃。

优选地，所述浇铸步骤采用模铸。

由于本技术方案中车轴用钢的制造方法采用了与LZ50车轴用钢基本相同的制造工艺，故此处对各步骤的工艺参数不再进行详细描述，但是本技术方案中的热处理步骤不同于现有LZ50车轴用钢两次正火+回火的热处理步骤，其减少了一次正火处理工艺，从而大大节约了生产时间，提高了生产效率。此外，现有车轴钢坯多采用连铸的浇铸方式，但是本技术方案采取模铸，这是因为与连铸方式相比，模铸的压缩比更大，有利于钢坯最终晶粒的细化进而提高强韧性配合，同时更有利于消除钢坯的缩孔、疏松等缺陷。

通过采用上述技术方案，本发明所述车轴用钢的性能可以达到：Rm＞710Mpa，Rel＞405Mpa，A＞21％，Z＞40％，横向Aku2＞40J，纵向Aku2＞50J的综合性能，与LZ50车轴钢相比，其强韧性配合有明显的提高。

具体实施方式

依次进行冶炼、模铸、轧制、锻造和热处理步骤制备车轴用钢：(表1列出了各实施例中的化学元素质量百分配比)：其中冶炼时出钢温度约为1650℃，模铸开始温度约为1550℃，铸坯进行热轧时终轧温度≥950℃，热轧后空冷到室温获得车轴用钢坯，该车轴用钢坯锻造后进行820-880℃正火+500-590℃回火的热处理(LZ50车轴用钢的热处理步骤为：870℃一次正火+810℃二次正火+510℃回火)。

表1.(余量为Fe以及除S、P外不可避免的杂质)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V	N	Al	Ce
													实施例1	0.38	0.25	0.9	0.02	0.015	1.5	0.15	/	0.12	0.015	0.027	0.20
实施例2	0.45	0.29	0.78	0.009	0.009	0.50	0.28	0.13	0.15	0.018	0.020	/
													实施例3	0.43	0.26	0.82	0.014	0.008	0.87	0.35	0.17	0.05	0.0075	0.040	/
实施例4	0.42	0.37	0.67	0.015	0.012	0.92	/	0.12	0.08	0.010	0.022	0.12
													实施例5	0.48	0.40	0.45	0.01	0.005	0.71	0.40	0.20	0.13	0.016	0.031	/
实施例6	0.40	0.32	0.88	0.018	0.008	1.36	0.19	/	0.07	0.009	0.035	/
													LZ50	0.52	0.72	0.26	0.015	0.012	0.05	/	0.01	/	/	0.028	/

表2列出了本案实施例1-6以及对比例(LZ50车轴用钢)的综合力学性能。

表2.

从表3可以看出，与LZ50车轴钢相比，在减少一次正火热处理的情况下，本技术方案所述的车轴用钢在屈服强度提高了15％以上的同时，无论横向还是纵向冲击韧性都提高了20％以上，表现出了优良的综合性能。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种车轴用钢，其特征在于，其各化学元素质量百分配比为：

C：0.38～0.48％；

Si：0.20～0.4％；

Mn：0.45～1.00％；

Cr：0.5～1.5％；

V：0.05～0.15％；

N：0.0075～0.018％；

Cu：≤0.25％；

Al：0.02～0.04％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的车轴用钢，其特征在于，其还包括质量百分配比≤0.40％的Ni。

3.如权利要求1或2所述的车轴用钢，其特征在于，其还包括质量百分配比≤0.25％的Ce。

4.如权利要求2所述的车轴用钢，其特征在于，其各化学元素质量百分配比为：

C：0.40～0.48％；

Si：0.20～0.37％；

Mn：0.55～0.85％；

Cr：0.40～0.65％；

V：0.07～0.15％；

N：0.0075～0.018％；

Cu：≤0.25％；

Al：0.02～0.04％；

Ni：≤0.30％；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

5.如权利要求1、2、4中任意一项所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于，依次包括冶炼、浇铸、轧制、锻造和热处理步骤，其中所述热处理步骤为：一次正火+回火。

6.如权利要求5所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于，所述正火温度为820～880℃，所述回火温度为500-590℃。

7.如权利要求6所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于浇铸步骤采用模铸。

8.如权利要求3所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于，依次包括冶炼、浇铸、轧制、锻造和热处理步骤，其中所述热处理步骤为：一次正火+回火。

9.如权利要求7所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于，所述正火温度为820～880℃，所述回火温度为500-590℃。

10.如权利要求9所述的车轴用钢的制造方法，其特征在于浇铸步骤采用模铸。