CN108441758A - 一种适于高寒地区的高速动车组用车轴钢及其制备方法 - Google Patents

一种适于高寒地区的高速动车组用车轴钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法,所述车轴钢按重量百分比计,C 0.22~0.28%,Si 0.15~0.40%,Mn 0.4~0.65,S≤0.005%,P≤0.010%,Cr 1.4~2.2%,Cu≤0.20%,Mo 0.10~0.15%,V 0.16~0.25%,RE 0.005~0.03%,Ni 1.5~2.0%,Al 0.010~0.045%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过合理的成分添加和综合细化技术,获得了成本低、低温性能、抗疲劳性能和淬透性优异的车轴钢。

Description

一种适于高寒地区的高速动车组用车轴钢及其制备方法
技术领域
本发明属于合金钢领域,具体涉及一种适于高寒地区的高速动车组用车轴钢及其制备方法。
背景技术
车轴作为高速动车组的重要走行部件,是承受动载荷的关键零件,受力状态复杂,并可能受到一定冲击,其安全可靠性一直以来受到高度关注,其中,车轴在低温环境下的服役可靠性问题更是不容忽视。我国广泛运用的动车组车轴材质主要是来自欧洲的EA4T或30NiCrMoV12车轴钢,它们对应的标准EN13261和UNI6787均没有对低温性能做出要求。2012年12月1日,在我国高寒地区,开通了首条高速铁路哈-大客运专线,该线路最低温度可达-40℃。随着“走出去”和“一带一路”国家发展战略的实施,在不久的将来我国自主研发的高速动车组列车也会出口到高寒地区(-60℃)国家使用,因此关于解决车轴的低温服役的可靠性问题越发紧迫。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法,本发明通过合理成分添加和综合细化技术,改善了所述车轴钢的低温韧性、疲劳性能和淬透性。
用于实现本发明上述目的技术方案如下:
本发明提供一种高速动车组用车轴钢,按重量百分比计,其包含C 0.22~0.28%,Si 0.15~0.40%,Mn 0.4~0.65,S≤0.005%,P≤0.010%,Cr 1.4~2.2%,Cu≤0.20%,Mo 0.10~0.15%,V 0.16~0.25%,RE 0.005~0.03%,Ni 1.5~2.0%,Al 0.010~0.045%,余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的,按重量百分比计,其包含:C 0.24~0.28%,Si 0.30~0.40%,Mn 0.40~0.60,S≤0.005%,P≤0.010%,Cr 1.45~1.60%,Cu≤0.10%,Mo 0.12~0.15%,V 0.22~0.25%,RE 0.01~0.03%,Ni 1.7~1.9%,Al 0.010~0.035%,余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的,在所述不可避免的杂质中,H≤1.5ppm,O≤10ppm。
本发明所述车轴钢的组织特征为细小片状马氏体,组织晶粒度大于9.0级。
所述车轴钢的夹杂物评级为A粗系≤0.5,A细系≤0.5;B粗系≤0.5,B细系≤0.5;C粗系≤0.5,C细系≤0.5;D粗系≤0.5,D细系≤1.0;(B+C+D)粗系≤1.0,(B+C+D)细系≤1.5。
所述车轴钢的抗拉强度≥950MPa,屈服强度≥850MPa,延伸率≥18%,断面收缩率≥50%;其光滑RfL≥495MPa,其缺口RfE≥370MPa,RfL/RfE≤1.50。
所述车轴钢在-40℃时,其横向冲击KV2≥70J,其纵向冲击KV2≥80J;优选地,所述车轴钢-60℃时,其纵向冲击KV2≥50J。
本发明所述的车轴钢的制备方法,包括如下步骤:
(1)将废钢及预处理铁水加入炉内熔炼,后进行钢包炉精炼和真空炉脱气;
(2)连续铸钢,得到铸坯;
(3)将步骤(2)得到的铸坯轧制成钢坯;
(4)将步骤(3)得到的钢坯进行锻造;
(5)热处理。
优选地,所述步骤(1)中,将废钢及预处理铁水加入电弧炉内熔炼,电炉出钢温度1630-1650℃,后进行钢包炉精炼和真空炉脱气;所述步骤(2)中,出钢温度为1560-1570℃,浇注温度为1540-1555℃,连续铸钢得到直径为690mm的铸坯;所述步骤(3)中,将步骤(2)得到的铸坯加热至1250-1280℃,保温1.5-2h,后轧制;优选地,所述轧制的初始温度为1150℃,所述轧制的终止温度为900℃,然后冷却,优选空气冷却;所述步骤(4)中,将步骤(3)得到的钢坯加热至1120-1190℃,优选加热至1150℃,后进行锻造,;优选地,始锻温度为1000-1120℃,终锻温度为800℃,更优选地,始锻温度为1120℃,终锻温度为800℃。
优选地,所述步骤(5)中,所述热处理包括以下步骤:一次正火加热至860-900℃,保温3-5h,后空气冷却;后再加热至860-900℃,保温4.0-5.0h,水淬冷却;后再加热至850-870℃,保温3.0-4.0h,水淬冷却;再回火加热至630-650℃,保温6.0-6.5小时,冷却至室温;
优选地,所述步骤(5)中,所述热处理步骤如下:一次正火加热至870℃,保温4h,后空气冷却;后再加热至880℃,保温4h,水淬冷却;后再加热至860℃,保温3h,水淬冷却;再回火加热至640℃,保温6.0小时,空气冷却至室温。
本发明车轴钢通过RE和V元素复合添加,发挥凝固细化、形变再结晶细化和热处理细化综合细化技术,有效调整了组织晶粒度和夹杂物形态尺寸,得到晶粒细小的精细片状马氏体组织,获得了良好的低温强韧性。本发明在节约成本的前提下,通过Ni和Cr元素的合理调节,获得一种低温性能优良、疲劳性能良好和淬透性优异的高速动车组用车轴钢。
中国发明专利CN 106244933 A公开了一种高速车轴钢材料及其热处理方法,此发明专利车轴钢中的Cr含量与EA4T车轴钢中的Cr含量相当,有淬透性不足和腐蚀疲劳差的问题。且该钢种的设计未考虑低温性能,工艺为一次淬火,成分和工艺与本发明车轴钢存在较大差异,晶粒度、夹杂物评级和室温力学性能均不及本发明车轴钢。
中国发明专利CN 104264065 A公开了一种含钒高速列车车轴用钢,此发明专利车轴钢中的Cr含量与EA4T车轴钢中的Cr含量相当,也有淬透性不足和腐蚀疲劳差的问题。该钢种的成分和制备工艺与本发明车轴钢有较大不同,且其成分和制备工艺的设计未考虑高寒地区(-60℃)低温性能,晶粒度、室温拉伸性能和疲劳性能均不及本发明车轴钢。
中国发明专利CN 105821309 A公开了一种含钒动车组车轴用钢热处理工艺,该车轴钢与本发明车轴钢在成分上存在较大差异,其工艺虽采取两次淬火加回火工艺,但与本发明车轴钢相比,其第一次淬火前未进行正火处理,该钢种的设计也未考虑-60℃冲击性能,其拉伸性能和疲劳性能也不及本发明车轴钢。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述,给出的实施例仅为了阐明本发明,而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的试验方法,如无特殊说明,均为常规方法,下述实施例中所用的原料、材料等,如无特殊说明,均为市售购买产品。
实施例1-3的本发明所述车轴钢的成分组成见表1。
表1本发明适于高寒地区的高速动车组用车轴钢的成分组成(wt%)
实施例1-3的高速动车组用车轴钢的制备方法:
(1)将废钢原料和预处理铁水加入电弧炉内熔炼,电炉出钢温度1630~1650℃,后进行钢包炉精炼和真空脱气炉脱气;
(2)连续铸钢,出钢温度为1560~1570℃,浇注温度为1540~1555℃,在连铸机上浇成直径690mm的铸坯;
(3)将步骤(2)得到的铸坯加热到1250~1280℃,保温1.5~2h后进行轧制,轧制的初始温度为1150℃,轧制的终止温度为900℃,空气冷却至室温,得到钢坯;
(4)将步骤(3)得到的钢坯加热至1150℃,始锻温度为1120℃,终锻温度为800℃;
(5)一次正火加热至870℃,保温4h,后空气冷却;后再加热到880℃,保温时间4h,水淬冷却;后再加热到860℃,保温时间3h,水淬冷却;再回火加热至640℃,保温6.0小时,空气冷却至室温。
按照国标GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》与GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》分别对采用上述方法制备的实施例1-3的高速动车组用车轴钢的夹杂物和组织晶粒度进行评级,其夹杂物和组织晶粒度均满足铁路总公司标准性技术文件TJ/CL 276A-2016《动车组车轴暂行技术条件》中关于EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢的要求,其测试数值见表2和表3。
表2实施例1-3的车轴钢的钢夹杂物评级结果比较
表3实施例1-3的车轴钢的晶粒度评级结果比较
对实施例1-3的车轴钢按《GB/T 229—2007金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》测定冲击性能、按《GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》测定拉伸性能、按GB/T 4337《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》测定小试样疲劳性能,结果见表4和表5。
铁路总公司标准性技术文件《TJ/CL 276A-2016动车组车轴暂行技术条件》、欧洲标准EN 13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》和UNI6787《用于铁路轮对的、具有高疲劳强度和韧性特性的、调质的特殊合金钢锻造轴》均未对EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢的低温性能作要求,见表4和表5。
本发明实施例1-3车轴钢的力学性能、冲击性能与疲劳性能均满足标准且优于EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢。与30NiCrMoV12车轴钢相比,本发明车轴钢在降低成本的前提下,获得了优良的低温冲击性能,可满足于高寒地区高速动车组用车轴的使用要求。
表4实施例1-3车轴钢与EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢的拉伸性能与冲击性能对比
表5实施例1-3车轴钢与EA4T车轴钢和30NiCrMoV12车轴钢的疲劳性能对比
总之,以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明,本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形,只要不脱离本发明的精神,均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种高速动车组用车轴钢,按重量百分比计,其包含C 0.22~0.28%,Si 0.15~0.40%,Mn 0.4~0.65,S≤0.005%,P≤0.010%,Cr 1.4~2.2%,Cu≤0.20%,Mo 0.10~0.15%,V 0.16~0.25%,RE 0.005~0.03%,Ni 1.5~2.0%,Al 0.010~0.045%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的车轴钢,其特征在于,按重量百分比计,其包含:C 0.24~0.28%,Si 0.30~0.40%,Mn 0.40~0.60,S≤0.005%,P≤0.010%,Cr 1.45~1.60%,Cu≤0.10%,Mo 0.12~0.15%,V 0.22~0.25%,RE 0.01~0.03%,Ni 1.7~1.9%,Al0.010~0.035%,余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的车轴钢,其特征在于,在所述不可避免的杂质中,H≤1.5ppm,O≤10ppm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的车轴钢,其特征在于,其组织特征为细小片状马氏体,组织晶粒度大于9.0级。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的车轴钢,其特征在于,其夹杂物评级为A粗系≤0.5,A细系≤0.5;B粗系≤0.5,B细系≤0.5;C粗系≤0.5,C细系≤0.5;D粗系≤0.5,D细系≤1.0;(B+C+D)粗系≤1.0,(B+C+D)细系≤1.5。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的车轴钢,其特征在于,所述车轴钢的抗拉强度≥950MPa,屈服强度≥850MPa,延伸率≥18%,断面收缩率≥50%;其光滑RfL≥495MPa,其缺口RfE≥370MPa,RfL/RfE≤1.50。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的车轴钢,其特征在于,所述车轴钢在-40℃时,其横向冲击KV2≥70J,其纵向冲击KV2≥80J;优选地,所述车轴钢-60℃时,其纵向冲击KV2≥50J。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的车轴钢的制备方法,包括如下步骤:
(1)将废钢及预处理铁水加入炉内熔炼,后进行钢包炉精炼和真空炉脱气;
(2)连续铸钢,得到铸坯;
(3)将步骤(2)得到的铸坯轧制成钢坯;
(4)将步骤(3)得到的钢坯进行锻造;
(5)热处理。
9.根据权利要求8所述的车轴钢的制备方法,其特征在于,
所述步骤(1)中,将废钢及预处理铁水加入电弧炉内熔炼,电炉出钢温度1630-1650℃,后进行钢包炉精炼和真空炉脱气;
所述步骤(2)中,出钢温度为1560-1570℃,浇注温度为1540-1555℃,连续铸钢得到直径为690mm的铸坯;
所述步骤(3)中,将步骤(2)得到的铸坯加热至1250-1280℃,保温1.5-2h,后轧制;优选地,所述轧制的初始温度为1150℃,所述轧制的终止温度为900℃,然后冷却,优选空气冷却;
所述步骤(4)中,将步骤(3)得到的钢坯加热至1120-1190℃,优选加热至1150℃,后进行锻造;优选地,始锻温度为1000-1120℃,终锻温度为800℃,更优选地,始锻温度为1120℃,终锻温度为800℃。
10.根据权利要求8或9所述的车轴钢的制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中,所述热处理包括以下步骤:一次正火加热至860-900℃,保温3-5h,后空气冷却;后再加热至860-900℃,保温4.0-5.0h,水淬冷却;后再加热至850-870℃,保温3.0-4.0h,水淬冷却;再回火加热至630-650℃,保温6.0-6.5小时,冷却至室温;
优选地,所述步骤(5)中,所述热处理步骤如下:一次正火加热至870℃,保温4h,后空气冷却;后再加热至880℃,保温4h,水淬冷却;后再加热至860℃,保温3h,水淬冷却;再回火加热至640℃,保温6.0小时,空气冷却至室温。
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