CN110453134A - 一种高强韧性机车钩尾框用钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧性机车钩尾框用钢及其制备方法,所述钩尾框用钢的化学组成按照重量百分比为:C:0.24~0.28%、Si:0.20~0.40%、Mn:1.20~1.50%、P:≤0.025%、S:≤0.025%、Cr:0.40%~0.60%、Mo:0.20~0.30%、Ni:0.35~0.55%、Cu:≤0.20%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.05%、Al≤0.040%、As:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.025%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[N]≤90ppm、[H]≤1.5ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法包括:1)冶炼;2)精炼;3)浇注;4)轧制。本发明制得的钩尾框钢的强度和塑性、低温韧性指标均大幅提高,钢的无塑性转变温度≤‑56℃。
Description
技术领域
本发明属于结构钢技术领域,具体涉及一种高强韧性机车钩尾框用钢及其制备方法。
背景技术
钩尾框作为铁路运输车钩缓冲装置的重要组成部分,在车辆牵引、连挂以及缓冲时,钩尾框实现了车辆间纵向力的传递,因为钩尾框承受了巨大的纵向冲击载荷,钩尾框性能与质量对行车安全具有重要影响。2000年,我国要求钩尾框只能用E级钢材料,代替传统的普通碳素铸钢,成为我国铁路货车钩尾框的主导材料。2008年,攀钢成功开发铁道车辆用25MnCrNiMoA锻造钩尾框钢,技术达到国内先进水平,其化学成分见表1,力学性能见表2。采用表1-2设计制得的25MnCrNiMoA钩尾框钢,其钢材实物性能Rel:692~1040MPa、Rm:850~1080MPa、A:14~19%、Z:45~68%、Akv2:40~80J。
表1 25MnCrNiMoA钢的化学成分(质量分数,%)
表2 25MnCrNiMoA钢的力学性能
近年来,随着铁路货运运输领域重载与提速战略的实施,铁路货运列车生产技术和车辆性能获得不断提升,每辆货车载重由60吨先后提升到70吨、80吨,运行时速由80公里提升到100~120公里,列车编组由1万吨提升到2万吨。同时,作为最大纵向力承受零件的钩尾框的性能(力学性能与低温韧性)要求也越来越高,以更好地满足重载机车发展需要。
本发明针对铁路机车载重量和速度提升的使用要求,在25MnCrNiMoA钩尾框基础上,通过钢的内控成分设计、微合金化和调质热处理工艺优化设计,提供了一种高强韧性机车钩尾框用钢及其制备方法。
发明内容
本发明目的在于,提供了一种高强韧性机车钩尾框用钢及其制备方法,以25MnCrNiMoA钢为基础,调整内控成分,添加Nb、Ti微合金化元素;严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量,以及钢中气体含量;本发明还提供了钢的连铸工艺、轧制工艺制备方法,生产的钩尾框钢成分偏析小、微观组织均匀,满足了强度和塑性、韧性指标同步提升的设计目标和用户技术要求。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种高强韧性机车钩尾框用钢,通过合理的成分设计及工艺控制,实现了材料的强度和塑性、韧性指标同步提升的目标要求。其化学成分质量百分比为:C:0.24~0.28%、Si:0.20~0.40%、Mn:1.20~1.50%、P:≤0.025%、S:≤0.025%、Cr:0.40%~0.60%、Mo:0.20~0.30%、Ni:0.35~0.55%、Cu:≤0.20%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.05%、Al≤0.040%、As:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.025%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[N]≤90ppm、[H]≤1.5ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之一在于钢的成分设计。以25MnCrNiMoA钢为基础,添加Nb、Ti微合金化元素,细化晶粒;严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量,以及钢中气体含量,改善钢的低温冲击性能。
为保证屈服强度和抗拉强度指标的提升,进一步优化的所述钩尾框用钢的组成按质量百分数为:C:0.25~0.27%、Si:0.28~0.35%、Mn:1.42~1.48%、P:≤0.015%、S:≤0.010%、Cr:0.55%~0.60%、Mo:0.26~0.30%、Ni:0.50~0.55%、Cu:≤0.10%、Ti:0.02~0.04%、Nb:0.02~0.03%、Al:0.02~0.03%、As:≤0.010%、Sn:≤0.010%、Pb:≤0.0010%、Sb:≤0.010%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[N]≤90ppm、[H]≤1.5ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之二在于钢的调质热处理工艺设计。在表2所列调质热处理参数范围内,通过正交试验,进一步优化了调质热处理工艺参数:
淬火:加热温度900±10℃,保温时间50min,水冷;回火:加热温度600±10℃,保温时间50min,水冷。
在上述优化设计基础上,与表2原有性能指标要求相比,本发明钢的综合性能大幅提高,强度和塑性、韧性指标均实现了提升,本发明钢的性能指标满足:Rel≥850MPa、Rm≥950MPa、A≥16%、Z≥55%、Akv2(-40℃)≥50J;且按照GB/T6803试验标准要求,本发明钢的无塑性转变试验≤-56℃。
本发明一种高强韧性机车钩尾框用钢,钢的化学成分设计要求如上所述,其制备方法包括以下步骤:
(1)冶炼
采用电炉冶炼,电炉冶炼入炉原料为低铜、低磷的优质废钢及铁水,铁水比例不小于60%;电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P去除操作,造好泡沫渣,控制终点[C]≥0.10%,[P]≤0.010%,残余元素含量符合设计要求;控制出钢温度不小于1600℃,为保证合金充分熔化,并为后续精炼过程创造良好条件,电炉出钢尽可能加入合金量至化学成分下限;
(2)精炼
控制炉渣碱度大于4.0,精炼过程保持白渣时间大于20分钟,加强脱硫操作,精炼炉一次样前喂入铝线;LF出钢前,按照1.5~3.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理;
精炼后真空处理,用定氢仪进行过程氢的测定,氢含量不大于1.5ppm,真空度小于67Pa,保持时间大于27分钟,VD后软吹氩时间20~30分钟,软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温;
(3)浇注
采用规格圆坯连铸浇注铸坯,连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌;控制中间包钢水温度过热度15~30℃,拉速0.22~0.26m/min,以保证铸坯质量;
(4)轧制
钢坯在加热炉的均热温度为1200~1260℃,加热时间为10~11h,开轧温度1120~1180℃,终轧温度920~980℃;轧后钢材及时入坑缓冷,入坑温度大于700℃,缓冷足够时间,确保出坑温度小于200℃;
(5)调质热处理
淬火:加热温度900±10℃,保温时间50min,水冷;回火:加热温度600±10℃,保温时间50min,水冷。
采用本发明制得的钩尾框钢在最终热处理完成后,具有优异的综合性能,与原设计相比,钢的强度和塑性、低温韧性指标均大幅提高,钢的无塑性转变温度≤-56℃。本发明钢满足了铁路机车载重量和速度提升的使用要求。
具体实施方式
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明,不应该视为对本发明的具体限制。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-3:
一种高强韧性机车钩尾框用钢。采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼,连铸浇注圆形铸坯生产钢材。实施例是以Φ650mm规格圆坯和Φ180mm规格圆钢的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
生产工艺如下:
(1)冶炼
采用电炉冶炼,电炉冶炼入炉原料为低铜、低磷的优质废钢及铁水,铁水比例为70%。电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P去除操作,造好泡沫渣,控制终点[C]:0.15%,[P]:0.007%,残余元素含量符合设计要求;控制出钢温度1630℃~1640℃之间,为保证合金充分熔化,并为后续精炼过程创造良好条件,电炉出钢尽可能加入合金量至化学成分下限。
(2)精炼
控制炉渣碱度大于4.0,精炼过程保持白渣时间为24分钟,加强脱硫操作,精炼炉一次样前喂入铝线。LF出钢前,按照2.0m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
精炼后真空处理,用定氢仪进行过程氢的测定,氢含量不大于1.5ppm,真空度小于67Pa,保持时间27分钟,VD后软吹氩时间26分钟,软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。
(3)浇注
采用规格圆坯连铸浇注铸坯,连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度过热度17~25℃,拉速0.23~0.25m/min,制得规格合格圆坯。
(4)轧制
钢坯在加热炉的均热温度为1220~1260℃,加热时间为11h,开轧温度1120~1180℃,终轧温度940~980℃;轧后钢材及时入坑缓冷,入坑温度710℃,缓冷时间42h,出坑温度150℃,制得Φ180mm规格圆钢。
采用实施例1-3制得的钩尾框钢在最终热处理完成后,具有优异的综合性能和低温性能;优于原设计钩尾框钢的综合性能。
表3是实施例的化学成分,表4是连铸中间包钢水温度、拉坯速度,表5为实施例物理性能技术指标。
表3实施例化学成分(重量,%)
表3实施例化学成分(重量,%)(续表)
表4连铸中间包钢水温度、拉坯速度
实施例 | 连铸中间包钢水温度,℃ | 连铸拉坯速度,m/min |
1 | 1525 | 0.24 |
2 | 1526 | 0.23 |
3 | 1530 | 0.23 |
表5物理性能技术指标
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法,在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应该理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种高强韧性机车钩尾框用钢,其特征在于,所述钩尾框用钢的化学组成按质量百分数为:
C:0.24~0.28%、Si:0.20~0.40%、Mn:1.20~1.50%、P:≤0.025%、S:≤0.025%、Cr:0.40%~0.60%、Mo:0.20~0.30%、Ni:0.35~0.55%、Cu:≤0.20%、Ti:0.02~0.10%、Nb:0.02~0.05%、Al≤0.040%、As:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.025%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[N]≤90ppm、[H]≤1.5ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钩尾框钢,其特征在于,所述钩尾框用钢的化学组成按质量百分数为:
C:0.25~0.27%、Si:0.28~0.35%、Mn:1.42~1.48%、P:≤0.015%、S:≤0.010%、Cr:0.55%~0.60%、Mo:0.26~0.30%、Ni:0.50~0.55%、Cu:≤0.10%、Ti:0.02~0.04%、Nb:0.02~0.03%、Al:0.02~0.03%、As:≤0.010%、Sn:≤0.010%、Pb:≤0.0010%、Sb:≤0.010%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[N]≤90ppm、[H]≤1.5ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种权利要求1或2所述的钩尾框用钢的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
1)冶炼
采用电炉冶炼,电炉冶炼入炉原料为废钢及铁水,铁水比例不小于60%;控制终点[C]≥0.10%,[P]≤0.010%,残余元素含量符合设计要求;控制出钢温度不小于1600℃;
2)精炼
控制炉渣碱度大于4.0,精炼过程保持白渣时间大于20分钟,精炼炉一次样前喂入铝线;LF出钢前,按照1.5~3.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理;
精炼后真空处理,进行过程氢的测定,氢含量不大于1.5ppm,真空度小于67Pa,保持时间大于27分钟,VD后软吹氩;
3)浇注
采用规格圆坯连铸浇注铸坯,连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌;
4)轧制
钢坯在加热炉的均热温度为1200~1260℃,加热时间为10~11h,开轧温度1120~1180℃,终轧温度920~980℃;轧后钢材及时入坑缓冷,入坑温度大于700℃,缓冷足够时间,确保出坑温度小于200℃;
5)调质热处理
淬火:加热温度900±10℃,保温时间50min,水冷;回火:加热温度600±10℃,保温时间50min,水冷。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,VD后软吹氩时间20~30分钟。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,控制中间包钢水温度过热度15~30℃,拉速0.22~0.26m/min。
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