CN103014535B

CN103014535B - 车轴钢及车轴

Info

Publication number: CN103014535B
Application number: CN201210555924.9A
Authority: CN
Inventors: 王皓; 温宝利; 邹本仁; 秦晓锋; 李辉; 唐振英
Original assignee: Qiqihar Railway Rolling Stock Co Ltd
Current assignee: CRRC Qiqihar Rolling Stock Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103014535A

Abstract

本发明提供一种车轴钢及车轴。该车轴钢具有以下成分：C 0.38-0.44%；Si 0.17-0.37%；Mn 0.60-0.80%；P≤0.020ppm；S≤0.010ppm；Ni 0.10-0.25%；Cr 0.90-1.2%；Alt 0.020-0.050%；Cu 0.08-0.20%；V 0.07-0.12%；Mo0.15-0.30%；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明还提供了一种车轴，采用上述车轴钢制备而成。采用车轴钢制备的车轴在保证车轴强度的同时，还具有较高的韧性，进而提高了车轴的使用寿命，使铁路货车在提速、重载条件下安全行车。

Description

车轴钢及车轴

技术领域

本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种车轴钢及车轴。

背景技术

车轴是铁路货车的关键走行部件，其性能是保证车辆安全运行的必要条件，关乎国家铁路运输安全。目前各国的铁路货车车轴基本上都是采用上世纪90年代研制出LZ 50钢车轴，而铁路货车的轴重已从原来的21t、25t升级到现在的35.7t，现有LZ 50钢车轴已经无法满足不断提速、重载铁路货车的需要。

LZ 50钢的化学成分见表1，余量为铁。由表1可见：LZ 50钢中的含碳量为0.47~0.57，属于高碳钢，该钢的强化机理单一，仅利用较高的碳含量来提高强度（金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力），微量的Cr、Ni等合金仅保证了要求不高的塑性（金属材料在载荷下产生永久变形而不破坏的能力）。

表1 LZ 50钢化学成分

LZ 50钢车轴的力学性能指标如表2所示，强度（屈服强度和抗拉强度）不理想，易产生疲劳裂纹；同时韧性（冲击AKU₂，金属材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力）也极差，而车轴的韧性是车轴考核的关键指标，车轴韧性不佳，易增加车轴突然断裂的倾向，严重影响了车轴的使用寿命，给铁路运输安全带来了隐患。

表2 LZ50钢车轴的力学性能指标

此外，由于LZ 50钢中合金元素较少，在热处理过程中车轴晶粒的异常长大难以保证，致使LZ 50钢车轴在生产中经常出现混晶的现象，晶粒度为3-6级，晶粒较粗大，晶粒粗大导致该钢拉伸和冲击性能不佳，且耐腐蚀性能也随之减弱，严重影响了车轴的力学性能。

为了提高铁路运输安全，需在保证或提高强度的同时，提高车轴钢的韧性，进而提高车轴使用寿命。设计和研发合理元素成分的车轴钢是行业内备受关注和亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有车轴钢强度低、韧性低的问题，提出一种车轴钢，以实现高强度和高韧性的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种车轴钢，具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素。本发明中单位%均为质量百分含量。

进一步地，所述车轴钢中Cr1.0-1.1%。

进一步地，所述车轴钢中Mo 0.20-0.25%。

进一步地，所述车轴钢中C 0.38-0.41%。

进一步地，所述车轴钢中Mn 0.60-0.70%。

本发明的另一个目的还提供了一种车轴，具有高强度和高韧性的优点，有效提高了车轴使用寿命，保证了提速、重载条件下的行车安全。

本发明提供的一种车轴采用上述车轴钢制备而成。

本发明提供了一种车轴钢及车轴，与现有LZ 50钢及其制备的车轴相比较具有以下优点：

1）、本发明车轴钢中Cr、Mo、V含量的控制，使该车轴钢的抗拉强度、屈服强度均有不同程度提高；

2）、本发明车轴中Ni、Mo、V含量的控制，使采用该钢制备的车轴的韧性为冲击AKU₂纵向≥70、冲击AKU₂横向≥35，明显优于现有LZ 50钢车轴；

3）、本发明车轴钢中Cr、Cu和Mo重量百分含量的控制，使车轴钢的腐蚀疲劳性能优于现有LZ50钢车轴；

4）、本发明车轴钢中Mo、V含量的控制，使车轴钢晶粒度级别＞6级，比LZ 50钢明显改善。

具体实施方式

本发明公开了一种具有较高强度和韧性的车轴钢，具有以下成分：

碳成分是影响钢材性能的重要元素，碳含量的增加虽然可以对钢材起到很好的强化作用，但却显著降低了钢材的韧性，为了提高铁路行车安全性，本发明车轴用钢适当降低了组分中的碳含量，并在降低碳含量的同时，通过合金化来提高车轴钢的强度。优选地，所述车轴钢中C 0.38-0.41%。

在降低车轴钢组分中的碳含量的同时调低Si、Mn元素含量上限，可提高钢的韧性。优选地，所述车轴钢中Mn 0.60-0.70%。

本发明车轴钢包含0.90-1.2%的Cr，可增加车轴钢的淬透性，促使淬火及回火后的车轴截面上获得较均匀的组织，使其具有抗腐蚀抗氧化、抗酸、耐磨和耐疲劳的优点。优选的，车轴钢中Cr 1.0-1.1%，

但在车轴钢中添加Cr元素会使车轴钢在250-450℃的回火脆性敏感性增强，即回火脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降，本发明通过回火后风冷，来消除回火脆性。通过向车轴钢中添加0.15-0.30%的Mo，可促使晶粒进一步细化，提高车轴钢的力学性能，优选的，所述车轴钢中Mo0.20-0.25%。增加Cr和Mo元素含量，有利于补充钢强度的下降，同时提高韧性和延展性。

本发明车轴钢包含0.10-0.25%的Ni，在提高钢强度的同时，可提高车轴钢的抗酸性和韧性，提高韧性的机理是使材料基体在低温下易于交叉滑移。

本发明车轴钢包含0.020-0.050％的Alt，和0.07-0.12%的V，可以避免因晶粒度粗化，车轴在正火时出现粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够细小弥散分布的难熔化合物-ALN(氮化铝)，和细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)一起阻止奥氏体晶粒长大，本发明车轴钢晶粒度级别＞6级，比LZ 50钢晶粒度水平高1-2级。对Al元素含量控制的加严，保证了钢水的脱氧量，同时保证了钢水中适量的氮化铝，细化晶粒的同时又不影响钢的韧性。V元素的添加还可提高钢的强度和韧性。

添加并控制Cr、Cu、Mo元素的含量，能提高钢的耐磨性和耐腐蚀性。降低P、S含量，有利于降低钢的脆性倾向。

采用上述车轴钢制备车轴的热处理工艺，包括以下步骤：

首先将车轴钢锻压成型，然后依次对锻压成型的钢件进行一次正火、二次正火和一次回火；

一次正火：将车轴钢在温度840-880℃，保温3-5小时，然后冷却至500℃以下；优选的所述一次正火：将车轴钢在温度860-870℃，保温3-5小时，然后冷却至500℃以下；上述一次正火冷却速度为将车轴钢在40-60min冷却至500℃以下，以使车轴钢快速的冷却至奥氏体以下，利于晶粒细化和碳化物分布均匀化。该冷却时间可根据车轴的粗细进行调节。在钢件受热均匀的前提下，为了缩短车轴钢的热处理周期，本发明中一次正火的升温速度为2-10℃/min。

二次正火：将车轴钢在温度800-840℃，保温3-5小时，然后冷却至250℃以下；优选的所述二次正火：将车轴钢在温度820-830℃，保温时间3-5小时，然后冷却至250℃以下；上述二次正火冷却速度为将车轴钢在80-120min冷却至250℃以下，该冷却时间也可根据车轴的粗细进行调节。在钢件受热均匀的前提下，为了缩短车轴钢的热处理周期，本发明中二次正火的升温速度为2-10℃/min。本发明车轴采用两次正火原因：锻造产品由于锻造加热温度过高，且一般不进行精确控制，因此锻造后锻件中的组织和晶粒度是非常不均匀的，通过第一次正火，调整锻造的组织和晶粒度，使其均匀化，之后采用温度稍低于一次正火的温度进行二次正火，以进一步提高锻件的性能。

回火：将车轴钢在温度660-690℃，保温3-5小时，然后冷却至室温。优选地所述回火：将车轴钢在温度670-680℃，保温时间3-5小时，然后冷却至室温。

还可以理解，上述冷却可以采用空冷、水冷、喷雾冷却或其他常规冷却方式。

采用本发明车轴钢制备的车轴的力学性能指标明如表3所示：

表3本发明车轴钢制备的车轴的力学性能指标

比较表2和表3可见，本发明车轴钢力学性能指标明显高于现有LZ50钢，屈服强度、抗拉强度、收缩率和伸长率均由不同程度的提高；尤其是韧性（冲击AKU₂）大大提高；且该车轴钢增加细化晶粒元素，使晶粒度级别提高，保证热处理后的车轴晶粒细小，通过细晶强化作用，同时提高车轴的强度和韧性。强度和韧性的提高使本发明车轴钢在工作过程中不易产生疲劳裂纹和断裂。

此外，还检测了本发明车轴钢的耐磨性和耐腐蚀，结果表明本发明车轴钢的耐磨性和耐腐蚀性也有不同程度的提高。

综上，本发明创造解决了上述LZ 50钢中的含碳量较高，强化机理单一，力学性能不佳、尤其是韧性较低的问题。本发明车轴钢通过调整其中的元素成分及含量，在抗拉强度、屈服强度比现有LZ 50钢不同程度提高的同时，还提高了车轴钢的韧性、耐磨性和耐腐蚀，从而满足车轴在不同受荷状态下提速、重载的需要。

本发明还提供了一种采用上述车轴钢制备的车轴，该车轴韧性高、耐磨性和耐腐蚀性优异，进而提高车轴使用寿命，实现提速、重载条件下的行车安全。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1-3

实施例1-3的车轴钢的成分如表4所示。实施例1-3的车轴钢的力学性能如表5所示。

将实施例1-3的车轴钢采用常规的锻压工艺锻压成车轴形，然后进行如下正火和回火：一次正火：温度870℃，保温时间3小时，然后冷却至低于500℃以下；二次正火830℃，保温3.5小时，然后冷却至250℃以下；一次回火：温度670℃，保温时间3.5小时，然后冷却至室温。

表4实施例1-3车轴钢的成分（余量为铁及其他不可避免的元素）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Alt	Cu	V	Mo
												1	0.39	0.20	0.67	0.010	0.006	0.20	0.094	0.025	0.09	0.09	0.18
2	0.42	0.33	0.75	0.015	0.004	0.20	1.11	0.043	0.09	0.09	0.21
												3	0.40	0.20	0.76	0.013	0.006	0.21	1.08	0.045	0.10	0.07	0.23

采用GB/T229-1994检测采用实施例1-3所述车轴钢制备的车轴的力学性能，检测结果如表5所示。

表5实施例1-3车轴钢制备的车轴的力学性能

对比表2和表5可知，本发明提供的车轴钢的力学性能都远高于现有LZ50钢，尤其是韧性显著增强。

实施例4-6

实施例4-6的车轴钢的成分如表6所示。实施例4-6的车轴钢的力学性能如表7所示。

将实施例4-6的车轴钢采用常规的锻压工艺锻压成车轴形，然后进行如下正火和回火：一次正火：温度850℃，保温时间4小时，然后冷却至400℃；二次正火820℃，保温4小时，然后冷却至200℃；一次回火：温度680℃，保温时间4小时，然后冷却至室温。

表6实施例4-6车轴钢的成分（余量为铁及其他不可避免的元素）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Alt	Cu	V	Mo
												1	0.40	0.21	0.68	0.016	0.004	0.22	1.12	0.035	0.10	0.10	0.20
2	0.42	0.30	0.71	0.010	0.003	0.19	1.07	0.042	0.13	0.11	0.27
												3	0.40	0.25	0.75	0.010	0.004	0.18	0.99	0.028	0.09	0.08	0.25

采用与实施例1-3相同的检测方法检测采用实施例4-6车轴钢制备的车轴的力学性能，检测结果如表7所示。

表7实施例4-6车轴钢制备的车轴的力学性能

对比表2和表7可知，本发明提供的车轴钢的力学性能都远高于现有LZ50钢，同时韧性也显著提高。

实施例7

本实施例采用实施例1-6所述的车轴钢通过常规的锻造方法生产车轴，所生产的车轴应用在铁路货车上，该车轴在提高屈服强度、抗拉强度、收缩率、伸长率和晶粒度级别的同时，还具有较高的韧性、耐磨性和耐腐蚀性优异，进而提高了车轴使用寿命，满足重载条件下的行车安全。

本发明不局限于上述实施例所描述的车轴钢及车轴，车轴钢中成分含量的改变、车轴热处理工艺的改变均在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种车轴钢，其特征在于，具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素。

2.根据权利要求1所述车轴钢，其特征在于，所述车轴钢中Cr 1.0-1.1％。

3.一种车轴，其特征在于，采用权利要求1或2所述车轴钢制备而成，并且，采用所述车轴钢制备车轴的热处理工艺，包括以下步骤：

所述一次正火是将车轴钢在温度840-880℃，保温3-5小时，然后冷却至500℃以下；

所述二次正火是将车轴钢在温度800-840℃，保温3-5小时，然后冷却至250℃以下；

所述回火是将车轴钢在温度660-690℃，保温3-5小时，然后冷却至室温。