CN102978532B

CN102978532B - 一种铁道车轴用钢及其制造方法

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Publication number: CN102978532B
Application number: CN201210510929.XA
Authority: CN
Inventors: 代华云; 陈小龙; 雷秀华; 邓通武; 曾耀先
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN102978532A

Abstract

本发明提供了一种铁道车轴用钢，所述铁道车轴用钢的化学成分以所述铁道车轴用钢的总重量为基准，以单质计，C？0.27-0.37重量%、Si？0.25重量%-0.45重量%、Mn？0.90重量%-1.20重量%、P≤0.02重量%、S≤0.015重量%、Al？0.02重量%-0.06重量%、V≤0.05重量%、Cr？0.08-0.20重量%、Ni≤0.2重量%、Cu≤0.2重量%、H≤0.00020重量%，O≤0.002重量%，N≤0.007重量%，余量为铁和杂质。

Description

一种铁道车轴用钢及其制造方法

技术领域

本申请涉及一种铁道车轴用钢及其制造方法。

背景技术

车轴作为铁道车辆或机车走行部的重要配件，长期处于交变应力的作用下，因此，车轴除了应具有较高的强度外，还应具有良好的塑韧性及抗疲劳性能。目前，国内外使用的车轴普遍采用优质中碳碳素钢制造，如美国AARM101标准规定车轴钢的化学成分为：C 0.45%-0.59%、Si≥0.15%、Mn0.60%-0.90%、P≤0.045%、S≤0.050。日本JIS E4502-1规定车轴钢的成分为：C 0.30%-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%。欧洲UIC811-1标准规定车轴用C45钢的成分为：C 0.42%-0.50%、Si 0.15%-0.40%、Mn 0.50%-0.80%、P≤0.035%、S≤0.035、Cr≤0.30%、Ni≤0.30%、Cu≤0.30%、Mo≤0.08%、V≤0.05%。我国目前通常使用含碳量为0.50%左右的LZ50钢。LZ50车轴钢的化学成分为：C0.47%-0.57%、Si 0.17%-0.40%、Mn 0.60%-0.90%、P≤0.020%、S≤0.020%、Al≥0.020%、Cr≤0.30%、Ni≤0.30%、Cu≤0.25%、H≤0.00025%，O≤0.0020%，N≤0.0070%。

以上介绍的几种车轴钢，美国、欧洲及中国所用的车轴钢碳含量均大于0.42％，Mn含量均小于0.90％，采用正火处理后钢的强度高，但是塑韧性较差。例如，《冶金标准化与质量》杂志（2001年5月，第39卷第3期，第51-53页）报道了为了使车轴钢的ReL达到345Mpa，Rm达到610Mpa，A达到20%以上，Z达到37%以上，必须将C的下限控制在0.47%-0.52%范围。《特殊钢》杂志（2005年11月,第26卷6期，第61-62页）报道了为了使车轴钢的力学性能满足ReL达到345Mpa，Rm达到610Mpa，A达到20%以上，Z达到37%以上，必须将钢的C含量的下限控制在0.47%-0.50%范围，Mn的上限控制在0.71%-0.85%范围，这不仅增加了生产的难度，而且塑韧性提高的幅度是有限的，其实际延伸率A仅为20.0%-22.0%。《世界钢铁》杂志（2009年第5期，第37-41页）报道了“采用不同浇注工艺生产JZ35车轴用钢坯的质量评价”，其公布的成分为0.30%-0.37%的C，0.20%-0.41%的Si，0.011%-0.026%的P，0.004%-0.015%的S，0.020%-0.042%的Al，但是Mn仅为0.80%-0.94%，Cr小于0.032%，且强度较低，其屈服强度仅为340MPa-405MPa，抗拉强度仅为555MPa-605MPa。

日本车轴钢的碳含量为0.30%-0.50%，Mn含量小于等于1.20%，但是需采用调质处理才能达到良好的强韧性匹配，工艺要求及成本均较高。

一种铁路机车车轴用钢及其制造方法，公开号为CN102108468A，该发明涉及一种铁路机车车轴用钢及其制造方法，车轴用钢的成分的质量的百分比为：C：0.42-0.46％；Mn：0.65-0.80％；Si：0.20-0.30％；Cr：0.10-0.20％；V：0.030-0.050％；Alt：0.020-0.050％；P≤0.015％；S≤0.005％；其余为Fe与不可避免的杂质。制造方法包括下述步骤：电炉冶炼，先将废钢加入电炉中再加入铁水，然后开始吹氧加入造渣材料同时脱C、脱P，在P≤0.015％后，电炉出钢；电炉出钢前，加入含有对应元素的铁合金，然后进行初步合金化；钢包炉精炼，在还原条件下进一步脱氧、脱S至S≤0.005％，同时加入对应元素的铁合金，调整钢水成分。该发明的C含量大于0.42%，Mn含量≤0.80%，需要加入0.030%-0.050%的V，同时严格控制S≤0.005％，生产成本较高。

一种车轴钢连铸方法，公开号为CN101850408A，该发明涉及车轴钢连铸方法。公开号为CN101733376A的专利主要叙述车轴钢的连铸工艺。

一种车轴钢及其制备方法，公开号为CN101724787A，该发明提供了一种车轴钢，其中，该车轴钢的化学成分为：以该车轴钢总重量为基准，以单质计，0.47-0.54％C、0.2-0.4％Si、0.7-0.9％Mn、P≤0.02％、S≤0.02％、0.02-0.04％Al、0.02-0.06％V、0.15-0.3％Cr、Ni≤0.2％、Cu≤0.2％、H≤0.00025％，O≤0.002％，N≤0.007％，余量为铁和杂质。该发明的C≥0.47%，Mn≤0.90%，仍需要添加0.02%-0.06%的V，生产成本也较高，同时延伸率也仅达到19.0%-22.0%。

车轴钢及其生产方法，公开号为CN101928878A，该专利涉及一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺。公开号为CN101497968的专利属于合金钢领域，其化学成分按重量百分比分别为：0.38～0.42％C、0.26～0.32％Si、0.70～0.80％Mn、0.08～0.12％V，0.015～0.02％N，及：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％，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％，余量为铁和不可避免的杂质。该两种车轴钢要加入较多的V及Cr、Mo、Ni、Ti等元素，虽然强韧性高，但是生产成本较高。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种铁道车轴用钢，所述铁道车轴用钢的化学成分以所述铁道车轴用钢的总重量为基准，以单质计，C0.27-0.37重量%、Si 0.25重量%-0.45重量%、Mn 0.90重量%-1.20重量%、P≤0.02重量%、S≤0.015重量%、Al 0.02重量%-0.06重量%、V≤0.05重量%、Cr 0.08-0.20重量%、Ni≤0.2重量%、Cu≤0.2重量%、H≤0.00020重量%，O≤0.002重量%，N≤0.007重量%，余量为铁和杂质。

优选地，所述铁道车轴用钢的化学成分以所述铁道车轴用钢的总重量为基准，以单质计，C 0.30-0.35重量%、Si 0.30-0.45重量%、Mn 0.90-1.10重量%、P≤0.015重量%、S≤0.010重量%、Al 0.030-0.050重量%、V≤0.05重量%、Cr 0.10-0.15重量%、Ni≤0.2重量%、Cu≤0.2重量%、H≤0.00020重量%，O≤0.002重量%，N≤0.007重量%，余量为铁和杂质。

本发明还提供了一种铁道车轴用钢的制造方法，所述制造方法包括转炉冶炼、钢水精炼和浇注，其特征在于在浇注过程中，在凝固末端对铸坯实行轻压下，压下量按照5.5mm-8.0mm控制。

优选地，在转炉冶炼步骤中，采用脱硫铁水冶炼，钢铁中[S]小于0.015%。在出钢及精炼时加石灰和萤石造渣，同时加金属铝，进一步脱除钢液中的硫，同时提高钢包渣碱度。在精炼步骤中，采用铝铁进行良好的脱氧，钢包吹氩搅拌，吹氩时间为5-10分钟。在精炼步骤中，精炼结束后钢包软吹氩时间大于5分钟，促进钢液夹杂的上浮、分离。

根据本发明，可以提供高强度且高韧性的车轴用钢。

具体实施方式

本发明克服了现有技术中车轴钢的强度高而塑韧性较低的缺陷，提供一种全新的具有较高强度和塑韧性的车轴钢。

根据本发明的车轴钢的化学成分为：以该车轴钢总重量为基准，以单质计，C 0.27-0.37重量%、Si 0.25重量%-0.45重量%、Mn 0.90重量%-1.20重量%、P≤0.02重量%、S≤0.015重量%、Al 0.02重量%-0.06重量%、V≤0.05重量%、Cr 0.08-0.20重量%、Ni≤0.2重量%、Cu≤0.2重量%、H≤0.00020重量%，O≤0.002重量%，N≤0.007重量%，余量为铁和杂质。所述杂质为现有车轴钢的标准中没有明确指出的杂质，主要与铁水的来源有关。

作为一种优选的实施方式，所述车轴钢的化学成分为：以该车轴钢总重量为基准，C 0.30-0.35重量%、Si 0.30-0.45重量%、Mn 0.90-1.10重量%、P≤0.015重量%、S≤0.010重量%、Al 0.030-0.050重量%、V≤0.05重量%、Cr0.10-0.15重量%、Ni≤0.2重量%、Cu≤0.2重量%、H≤0.00020重量%，O≤0.002重量%，N≤0.007重量%，余量为铁和杂质。

本发明还提供了一种车轴钢的生产方法，所述生产方法包括初炼钢水和炉外精炼。所述初炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该吹炼步骤中采用经过处理后的铁水或杂质含量低的废钢，控制炼钢原料的S≤0.015%。在合金化步骤中依次将碳质材料、脱氧剂、硅铁合金、锰铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中：以所述钢水总重量为基准，C 0.25-0.30重量%、Si0.25-0.35重量%、Mn 0.80-1.00重量%、0.10-0.15重量%Cr。

所述炉外精炼包括LF钢包炉精炼及RH精炼。其中LF钢包炉精炼时，除加热钢水外，还要添加5.8公斤/吨_钢-8.9公斤/吨_钢的石灰及1.2公斤/吨_钢-1.9公斤/吨_钢的萤石，同时加入0.25公斤/吨_钢-0.65公斤/吨_钢的金属Al，对钢包渣进行处理。

RH精炼在真空条件下进行，精炼的开始温度为1595-1635℃，精炼的时间为10-20分钟，并控制精炼后的钢水温度在1560-1575℃之间。精炼结束后对钢包钢液进行软吹氩，吹氩时间为5.0分钟-10.0分钟。其中，在所述炉外精炼时加入碳质材料、铁硅合金、锰铁合金和铬铁合金中的一种或几种以及铝，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、Cr和Al的含量处于本发明提供的车轴钢的范围。

所述炉外精炼可以是能实现本发明目的的各种公知的炉外精炼方法，优选为真空循环脱气法（RH）。所述吹炼是向铁水中通入氧气使铁水中的一些杂质，如碳、磷、硅氧化的过程。吹炼按照为本领域常规的方法进行。

为了控制本发明的车轴钢中杂质Ni和Cu的含量，可以选择含有符合本发明提供的车轴钢中Ni和Cu的含量的铁水作为原料。

可以采用脱硫后的铁水冶炼车轴钢，以控制入炉铁水S的含量分别小于或等于入炉铁水总重量的0.015%和0.010%。为了控制钢水的氧化程度，降低钢水中的含氧量，应对吹炼终点进行控制，以吹炼步骤中铁水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C控制在0.05-0.2重量％时，停止吹炼。

在所述吹炼结束后，加入碳质材料调节所述钢水中的含碳量，使钢水中的含碳量符合本发明提供的车轴钢碳的下限含量。加入硅铁合金（Fe-Si）、锰铁合金（Fe-Mn）进行合金化以调节铁水中的Si、Mn的含量以及调节车轴钢的成分结构。碳质材料与Fe-Si、Fe-Mn可以同时加入，优选在加入碳质材料后加入Fe-Si、Fe-Mn。

为了进一步降低钢水中的含氧量，优选在合金化前加入脱氧剂对钢水进行处理，所述脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量，优选为2.0-3.5千克/吨钢水。所述脱氧剂为本领域常规的脱氧剂，优选为铝铁或其他复合脱氧剂。所述复合脱氧剂可以为硅钙钡、铝锰铁中的一种或几种。

在所述炉外精炼时，所述真空条件的真空度为本领域常规的真空度，优选为不大于500帕，以降低钢水中的H和O的含量。所述真空度为相对的真空度，即一个标准大气压与密闭空间中的气压的差值。

本发明所述的碳质材料为本领域公知的碳质材料，优选为无烟煤和碳粉中的一种或几种。

本发明提供的方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，浇铸按照常规方法进行，优选为大方坯连铸。作为一种优选的实施方式，所述浇铸在保护性气体氛围中进行。所述保护性气体为零族气体，优选为氩气。浇铸时可以控制钢水过热度为20-40℃，如钢水的温度为1515-1535℃。在浇铸过程中，在凝固末端对铸坯进行机械压下，压下量按5.5mm-8.0mm控制。浇铸后，可以按照常规方法进行冷却，如在室温下自然冷却。

本发明提供的方法还包括在所述浇铸后进行钢坯轧制，本发明的轧制可以按照常规的方法进行。作为一种优选的实施方式，所述钢坯轧制包括在温度为1250℃-1300℃下进行加热，然后在1240℃-1270℃下保温1.5-2.5后进行轧制。开始轧制温度为1150℃-1200℃，终轧温度为900℃以上。钢坯轧制后，采用常规的方法冷却即可，如采用堆垛空冷方式冷却。

本发明提供的车轴钢非金属夹杂含量低，钢质纯净，其A、B、C、D类夹杂均小于1.5级，制备的车轴不仅具有较高的强度，而且具有良好的韧性。车轴钢在经过1次正火热处理后的屈服强度ReL可以达到375-425兆帕，抗拉强度Rm可以达到620-700兆帕，伸长率A可以达到24.5％-32.5%，冲击功Aku可以达到76.0焦耳-94.0焦耳。

本发明通过提高钢的洁净度来改善钢的综合性能，具体地，本发明通过降低硫及非金属夹杂含量及气体含量来提高钢的性能。在现有技术中，A类夹杂为2.0级-2.5级，B、C、D类夹杂为1.5级-2.0级；而在本发明中A、B、C、D类夹杂均小于1.5级。

采用的具体方法为：（1）采用脱硫铁水冶炼，铁水[S]小于0.015%，出钢及LF精炼时加石灰和萤石造渣，同时加金属铝，进一步脱除钢液中的硫，同时提高钢包渣碱度，改善其流动性，促进夹杂的上浮；（2）采用铝铁进行良好的脱氧，钢包吹氩搅拌，保护浇铸，防止钢液二次氧化，降低钢中的氧含量及B、C、D类夹杂；（3）真空处理控制钢液[H]小于0.00015%；（4）精炼结束后钢包软吹氩时间大于5分钟，促进钢液夹杂的上浮、分离。

提高钢坯质量的措施：主要是改善钢坯的内部组织的致密度，现有技术一般疏松为2.0级，而本发明为0.5级-1.5级，现有技术中心疏松为1.5级-2.0级，而本发明为0.5级-1.0级。方法：除控制钢液浇铸温度、拉速外，铸坯凝固末端实行机械压下(轻压下)，压下量5.5mm-8.0mm。

下面将具体描述根据本发明的示例。

示例1-4：

（1）初炼钢水：

采用脱硫、脱磷铁水冶炼车轴钢，当钢水中C含量在0.05%-0.20％（各实施例控制的具体数值如表1所示）时立即出钢到钢包中。出钢时先加无烟煤（攀枝花阳城冶金辅料有限公司）进行增碳，出钢1/3后加入预脱氧剂铝铁（安阳市恒旺冶金耐材有限公司）2.0-3.5千克/吨_钢水，控制钢水中的氧浓度为50×10^-6以下。加入铝铁后，在钢包中加入Fe-Si（安阳市恒旺冶金耐材有限公司）、Fe-Si-Mn（安阳市恒旺冶金耐材有限公司）、Fe-Cr（攀枝花攀宏冶金制品有限公司）进行Si、Mn、Cr元素的合金化，控制钢水中各成分的含量，以钢水的总重量为基准，C 0.25-0.30重量%、Si 0.25-0.35重量%、Mn 0.80-1.00重量%、Cr 0.10-0.15重量%（各实施例控制的具体数值如表1所示）。

（2）炉外精炼：钢水送到LF炉（带电加热的130吨钢包精炼炉）后，首先加入5.8公斤/吨_钢-8.9公斤/吨_钢的石灰及1.2公斤/吨_钢-1.9公斤/吨_钢的萤石，同时加入0.25公斤/吨_钢-0.65公斤/吨_钢的金属Al，对钢包渣进行处理。当加热钢水到1605-1640℃，立即送到RH真空装置（带成分微调和真空循环脱气的钢包精炼炉）进行真空处理，真空度控制在不大于500帕，钢水真空处理5分钟后，补加适量Al丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量。以钢水的总重量为基准，C 0.31-0.35重量％、Si 0.30-0.45重量％、Mn0.90-1.10重量％、Al 0.025-0.045重量%，各实施例控制的具体数值如表1所示。钢水真空处理开始温度为1595-1635℃，钢水真空处理时间10-20分，控制精炼后钢水温度为1560-1575℃。处理结束后钢液软吹氩时间：5-10分钟。

（3）浇铸：采用大方坯连铸，在氩气保护条件下进行，钢水浇铸温度控制在1515-1535℃之间。在凝固末端对铸坯实行轻压下，压下量按5.5mm-8.0mm控制。

（4）钢坯轧制：采用推钢式加热炉加热钢坯到1270-1300℃，然后在1240-1270℃温度下保温1.5-2.5小时后开始轧制车轴钢坯，终轧温度控制在900℃以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。

各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融—红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。

对比例1

对比例1用于说明现有技术提供的车轴钢。

（1）冶炼钢水：按照示例1-4步骤（1）进行，不同的是，不加入Fe-Cr。

（2）炉外精炼：按照示例1-4步骤（2）进行，不同的是，加入碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量，使以钢水的总重量为基准，C、Si、Mn分别为0.37％、0.41％和1.09％。

（3）浇铸：按照示例1-4步骤（3）进行。

（4）钢坯轧制：按照示例1-4步骤（4）进行。

各成分的检测方法按照示例1-4的方法进行。

组织及性能测试

将示例1-4和对比例1制备的车轴钢坯取样进行低倍组织及非金属夹杂的检验，其中低倍检验按照YB/T 153-1999及GB/T 1979-2001的要求的方法进行，非金属夹杂检验按照GB/T 10561-2005的方法进行。另将示例1-4和对比例1制备的车轴钢在车轴轴颈1/2半径处取样，进行机械性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度ReL，抗拉强度Rm，伸长率A。按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法检测冲击功Aku。检测的结果列在表2-表4中。

表1

注：表1中的百分比均为重量百分比。

表2轧制钢坯低倍组织

表3非金属夹杂（细系类评级）/级

序号	A类	B类	C类	D类	DS类
						示例1	1.5	0.5	0.5	0.5	0
对比例1	2.0	1.0	1.0	1.0	0
						示例2	0.5	0.5	0.5	0.5	0
示例3	1.0	0.5	0.5	0.5	0
						示例4	0.5	0.5	0.5	0.5	0

表4力学性能

从表4可以看出：本发明提供的车轴钢与现有技术提供的车轴钢相比，其强度和韧性显著提高。例如，示例1提供的车轴钢的屈服强度ReL为375兆帕、抗拉强度Rm为620兆帕，伸长率A为32.5％、冲击功达到94焦耳；而对比例1提供的车轴钢的屈服强度ReL为360兆帕、抗拉强度Rm为615兆帕，伸长率A为22.5％、冲击功仅为58焦耳。且示例2、示例3、示例4都表现出了更高的强度和塑韧性。

Claims

1.一种铁道车轴用钢的制造方法，所述制造方法包括转炉冶炼、钢水精炼和浇注，其特征在于，

在转炉冶炼步骤中，采用脱硫铁水冶炼，钢铁中[S]小于0.015％，

在出钢及精炼时加石灰和萤石造渣，同时加金属铝，进一步脱除钢液中的硫，同时提高钢包渣碱度，

在精炼步骤中，采用铝铁进行良好的脱氧，钢包吹氩搅拌，吹氩时间为5-10分钟，真空处理控制钢液[H]小于0.00015％，

在浇注过程中，在凝固末端对铸坯实行轻压下，压下量按照5.5mm-8.0mm控制，

其中，所述铁道车轴用钢的化学成分以所述铁道车轴用钢的总重量为基准，以单质计，C 0.27-0.37重量％、Si 0.25重量％-0.45重量％、Mn 0.90重量％-1.20重量％、P≤0.02重量％、S≤0.015重量％、Al 0.02重量％-0.06重量％、V≤0.05重量％、Cr 0.08-0.20重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、H≤0.00020重量％，O≤0.002重量％，N≤0.007重量％，余量为铁和杂质。

2.根据权利要求1所述的铁道车轴用钢的制造方法，其特征在于在精炼步骤中，精炼结束后钢包软吹氩时间大于5分钟，促进钢液夹杂的上浮、分离。