CN109023102B - 一种微合金化超淬透性车轴钢 - Google Patents

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Abstract

一种微合金化超淬透性车轴钢,属于车轴钢冶炼技术领域。首先控制低合金车轴钢中各元素的质量百分数为:C:0.22‑0.29%,Si:0.15‑0.40%,Mn:0.50‑0.80%,Cr:0.90‑1.20%,Mo:0.15‑0.30%,

Description

一种微合金化超淬透性车轴钢
技术领域
本发明属于车轴钢冶炼技术领域,特别是提供了一种超淬透性车轴钢。
背景技术
车轴作为高铁转向架的核心走行部件,将驱动力及制动力传递至车轮,同时在高速旋转过程中承受车体载荷,对高速铁路安全运行起决定性作用。因此,对车轴材料提出了极高的要求。一方面,对冶金质量要求苛刻,高洁净度、高均匀性、高致密度等;另一方面,对材料成分、车轴热处理工艺及两者综合形成的力学性能,尤其是疲劳性能,要求极其严格。在钢水洁净度达标的前提下,车轴钢淬透性偏低,组织控制不合理,是车轴疲劳强度不达标的直接原因。
目前国际上大规模使用的车轴用钢为EA4T,普遍作为200km/h以上高速列车车轴使用。EA4T钢是一种低碳CrMo低合金钢,在调质态使用,兼具强度与韧性。该钢种必须对大截面条件下的热处理制度,进行精细化控制,以得到完全淬透的组织。
1942年Grossmann发表经典性的研究,认为钢的淬透性只由其化学成份和奥氏体晶粒度决定。随后几十年的研究,联系这两个因素建立了可以精确估算淬透性的许多公式。在正常熔炼条件下,计算与实际能颇好地吻合。后来在熔炼过程中,人们发现钢水过热与过量脱氧剂的加入相结合,可以使钢的淬透性强烈地增加,使一个低合金钢获得中合金水平的淬透性。这种现象称做超淬透性效应。
实验表明,超淬透性处理非常强烈地降低铁素体的成长速度,即铁素体-奥氏体界面的迁移被强烈抑制。铁素体成长速度的降低推迟了珠光体的成长。这是因为铁素体的成长由C向奥氏体的扩散控制,而珠光体层状成长的过程提供了界面扩散的机会,所以珠光体的成长由铁素体的成长控制而非C的扩散。此外,珠光体形核于铁素体-奥氏体界面,只有当铁素体形成,并成长进入奥氏体,珠光体才开始形核。在正常钢中,铁素体迅速的成长保证珠光体形核机会多,而在超淬透性钢中,铁素体成长受到抑制,限制了转变初期珠光体形核。这就是珠光体转变孕育期延长的原因。
高过热度可以破坏液态合金的短程有序,某些合金元素的微观偏析在极高温时消失,导致碳化物形成元素分布更均匀,这些元素和碳原子间的键合比Fe-C牢固,致使奥氏体中C的扩散要求更高能量。短程有序的破坏还允许合金元素偏析到奥氏体晶界上,稳定奥氏体的元素在晶界上浓度增高。此外,某些合金元素与钢水中的氧和氮相互作用,可以吸收氮和氧原子而防止它们向晶界上偏聚。这样将减慢铁素体成长速度。
然而,为提高车轴用钢的疲劳强度,获得EA4T成分体系车轴钢的超淬透性控制工艺,目前尚无报道。本发明中提供了获得EA4T超淬透性应当采用的关键合金元素控制范围、过热度的控制以及破坏钢水短程有序的动力学控制手段。最终实现了EA4T钢的淬透性显著提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微合金化超淬透性车轴钢,实现了EA4T钢的淬透性显著提高。
本发明的钢中各元素的质量百分数为:C:0.22-0.29%,Si:0.15-0.40%,Mn:0.50-0.80%,Cr:0.90-1.20%,Mo:0.15-0.30%,
Figure BDA0001808864560000021
其中[V]、[N]、[Ni]分别为V、N、Ni元素质量百分数,含量范围V:0.01-0.15%,Ni:0.15-1.5%,N:0.003-0.012%,其余为Fe元素与其它杂质元素。
通过V的添加,车轴中心部位出现V的析出,车轴表面以V的固溶为主,因此车轴内外的淬火强度都提升。N元素在超淬透性工艺作用下,在晶界偏聚增加,抑制了Ni的晶界偏聚,奥氏体稳定性增强,车轴钢淬透性提高,此外,N还能提高车轴中心部位V的析出比例,V的析出与[V]·[N]数值有关。V、N与Ni都能起到提高淬透性作用,在V、N含量较高的情况下,Ni的添加可以降低,以节省合金元素,反之依然,V、N、Ni含量的关系为
Figure BDA0001808864560000022
这是车轴钢达到超淬透性的基础条件。
炼钢过程中,控制钢水过热至150℃-220℃,在此过热条件下,微搅拌钢水时间≥15min。
过热应当达到150-220℃,同时,持续的过热度时间应当超过15min,以保V-N、Fe-N化合物的短程有序被破坏,促进合金元素在凝固条件下的均匀分布。
优点在于,实现车轴钢的淬透性提高至原有钢的2倍以上。
具体实施方式
以下的实例用于阐述本发明,但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。对比例及实施例均采用电炉——精炼——浇铸工艺生产,经锻造成相同规格后,采用相同工艺进行Jominy端淬试验。利用淬透性因子表示淬透性的优劣。
对比例1为常规成分EA4T钢,未采用超淬透性工艺时,淬透性因子仅为17mm,即使添加1.13Ni,淬透深度仅仅增加至25mm,如对比例3。因此,在考虑成本而不大量添加合金的情况下,采用常规工艺,该成分体系钢的淬透性较难超过30mm。一旦采用本发明的超淬透性控制工艺,钢的淬透深度大幅度提升,淬透性因子最低达到58mm。
Figure BDA0001808864560000031
注:淬透性因子是指Jominy淬透性试验后,顶端至HV450位置处的距离,用于表示淬透性。

Claims (1)

1.一种微合金化超淬透性车轴钢,其特征在于;钢中各元素的质量百分数为:C:0.22-0.29%,Si:0.15-0.40%,Mn:0.50-0.80%,Cr:0.90-1.20%,Mo:0.15-0.30%,
Figure FDA0002569632230000011
其中[V]、[N]、[Ni]分别为V、N、Ni元素质量百分数,含量范围V:0.01-0.15%,Ni:0.15-1.5%,N:0.003-0.012%,其余为Fe元素与其它杂质元素;
浇注之前,控制钢水过热至150℃-220℃,在此过热温度条件下,微搅拌钢水时间≥15min;
该车轴钢的淬透性提高至EA4T钢的2倍以上。
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