CN110904387A - 一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢和及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢及其制备方法，其化学成分为：C：0.1‑0.35wt％；Mn：1.00‑2.80wt％；Cr：0.50‑2.00wt％；Si：0.50‑1.80wt％；Ca：≤0.020wt％；S≤0.010wt％；0.001≤P≤0.015wt％；其余为Fe及不可避免的杂质元素。制备方法包括：冶炼：按通用冶炼方法，由转炉或电炉进行冶炼和精炼；铸造：对上述冶炼好的钢进行连铸或模铸方式铸造；锻造：将上述得到的铸坯进行锻造处理，锻压成型并空冷至室温；热处理：对上述得到的锻压成型件进行一次正火和一次回火热处理。本发明的贝氏体车轴钢相对于现有铁路货车用车轴钢LZ50具有更优的强韧性匹配和疲劳性能。采用本发明车轴用钢制备的车轴，在提速重载条件下的服役过程中能提高使用寿命，进一步提高行车安全裕度。

Description

一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢和及其制备方法
技术领域
本发明涉及低合金钢，特别提供一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢及其制备方法。
背景技术
车轴是铁路货车车辆结构中最关键部件之一，担负着车辆承载、运行的功能，直接关系到铁路运行的安全。由于长期承受交变应力作用，故要求其具有良好强韧性配合的同时还应有较高的疲劳强度。
目前，我国铁路货车车轴部分在用40车轴钢，大量使用的是普通LZ50车轴钢。LZ50车轴钢在整体热处理后存在着强韧性配合较低等缺陷。随着我国铁路货运朝着速度加快、载重增加方向发展，LZ50车轴已不能完全满足铁路货车安全运行的要求，迫切需要车轴钢的性能升级或采用新材质进行替代。我国铁道部提出最新暂行版大轴重铁路货车用车轴钢坯试制技术条件中对新型车轴钢坯一次正火+一次回火态的性能要求如下：抗拉强度Rm≥690MPa，屈服强度Rel≥390MPa，延伸率A≥19％，断面收缩率Z≥35％，冲击韧性纵向Aku2≥40J，横向Aku2≥35J。
目前，绝大多数铁路货车用车轴专利研发主要是针对珠光体类型显微组织进行，公开的报道中，仅申请号为CN201810298474的专利“一种高速列车空心车轴钢及其制备方法”尝试了采用贝氏体组织进行铁路车轴的制造。但是，该专利仅专用于高速列车用车轴钢的研制，其采用的化学成分及技术路线与铁路货车用车轴的要求完全不同。
因此，为顺应铁路发展趋势，解决目前国内现有铁路重载货车用车轴LZ50存在的缺陷与不足，本发明公开一种新型重载铁路货车用贝氏体车轴钢及其制备方法，显著提高车轴钢的强韧性匹配，进而提高其疲劳性能，增加服役安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢及其制备方法，以改善现有LZ50铁路货车车轴钢强度和韧性配合较差，两次正火加一次回火处理导致生产成本相对较高的缺陷，从而提供一种新的、具有较佳强韧性配合、且通过一次正火加一次回火热处理即可达到相关标准性能要求的车轴钢及其制造工艺。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其化学成分为：C：0.1-0.35wt％；Mn：1.00-2.80wt％；Cr：0.50-2.00wt％；Si：0.50-1.80wt％；Ca：≤0.020wt％；S≤0.010wt％；0.001≤P≤0.015wt％；其余为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步地，其中Ca/S≥1.5。
进一步地，所述车轴钢的组成还包含不高于0.8wt％的Mo。
进一步地，所述车轴钢的显微组织为以贝氏体组织为主的复相组织。
进一步地，所述贝氏体车轴钢的屈服强度RP0.2>750MPa，抗拉强度Rm>1000MPa，延伸率A>20％，纵向AKU2(常温)>55J，横向AKU2(常温)>50J。
一种上述所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)冶炼：按通用冶炼方法，由转炉或电炉进行冶炼和精炼；
(2)铸造：对步骤(1)冶炼好的钢进行连铸或模铸方式铸造；
(3)锻造：将步骤(2)得到的铸坯进行锻造处理，锻压成型并空冷至室温；
(4)热处理：对步骤(3)得到的锻压成型件进行一次正火和一次回火热处理。
进一步地，所述热处理具体工艺为：
一次正火：指在温度800-950℃间保温3h以上，然后空冷至200℃以下；
回火：指将上述经过一次正火处理后的钢件在温度200-400℃，保温3h以上，然后冷却至室温得到重载铁路货车用贝氏体车轴钢。
其中组成重载铁路货车用贝氏体车轴钢的成分用途如下：
碳元素C：具有强烈的固溶强化作用，有利于保证车轴钢的强度，并能显著提高钢种的淬透性。
锰元素Mn：锰元素有固溶强化的作用，有利于强度的提高。另外，在过冷奥氏体的冷却转变过程中，锰元素的添加对高温区铁素体和珠光体转变的延缓作用远大于对中温区的贝氏体转变，当其含量达到1.5wt％时，能使得铁素体珠光体转变区和贝氏体转变区完全分开，曲线上出现上下与左右方向完全分开的两个C形区，大幅度增加钢种的淬透性，利于尺寸较厚较大钢件在从奥氏体化高温空冷过程中获得综合性能良好的贝氏体组织。
硅元素Si：可抑制脆性的碳化物析出，利于车轴形成韧塑性配合良好的残余奥氏体膜。硅能明显提高车轴材料疲劳强度和强度极限之比。
铬元素Cr：产生良好的固溶强化作用，有利于强度提高。同时，铬元素能提高钢种的淬透性，有利于车轴表面和心部的组织一致性。
钙元素Ca：促使钢中夹杂物的球化，减弱夹杂物附件的应力集中，有利于韧性的提高。当钢中Ca/S≥1.5时，夹杂物球化效果十分明显。
钼元素Mo：强烈提高钢种的淬透性，晶粒进一步细化，有利于车轴正火条件下即可获得贝氏体组织和性能的均匀一致性，提高车轴用钢的力学性能。此外，钼元素可提高钢的回火抗力，抑制或消除回火脆性。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的贝氏体车轴钢优点在于其同时具有高强度、高韧性和良好的疲劳性能。相对于现有铁路货车用车轴钢LZ50具有更优的强韧性匹配和疲劳性能。采用本发明车轴用钢制备的车轴，在提速重载条件下的服役过程中能提高使用寿命，进一步提高行车安全裕度。
2、与现有珠光体型车轴钢相比，采用本发明的制备方法生产的贝氏体车轴，在保持更高强度水平前提下，可大幅增加车轴的韧性水平，从而有利于提高车轴的抗疲劳等综合服役性能。
3、本发明制备的贝氏体车轴钢的屈服强度RP0.2>750MPa，抗拉强度Rm>1000MPa，延伸率A>20％，纵向AKU2(常温)>55J，横向AKU2(常温)>50J。
附图说明
图1为本发明方法制备的铁路重载用贝氏体车轴的显微组织结构图(车轴内部距表面1/2处显微组织照片(以贝氏体为主的复相组织))。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明相关实施例具体如下：
1、主要化学成分
表1不同实施例制备的贝氏体车轴的组分及含量(质量百分数)
实施例 C Mn Cr Si Mo P S Ca
实施例1 0.10 2.80 1.50 1.45 0.65 0.0094 0.010 0.020
实施例2 0.18 2.20 1.00 0.50 0.80 0.015 0.0052 0.0093
实施例3 0.27 1.80 0.70 0.85 0.54 0.001 0.007 0.017
实施例4 0.30 1.35 0.50 1.80 0.30 0.0005 0.0007 0.0012
实施例5 0.35 1.00 2.00 0.95 0.43 0.0061 0.0050 0.016
实施例1
铁路重载用贝氏体车轴，其由铁路重载用贝氏体车轴钢制成，其中，铁路重载用贝氏体车轴钢的各组分含量如表1所示。该车轴的制备方法如下：
按照表1配方，采用常规炼钢工艺进行冶炼，然后浇铸成柱形坯件，将坯件进行锻造处理并锻压成型，并空冷至室温；将锻压成型件加热到800℃，保温3h，然后出炉在空气中连续冷却到室温；最后，将室温下的车轴坯件进行200℃回火处理，回火保温时间为3h。
图1示出了本实施例制备得到的车轴内部的显微组织照片。从图中可知，其显微组织为无碳化物贝氏体组织为主。
实施例2
铁路重载用贝氏体车轴，其由铁路重载用贝氏体车轴用钢制成，其中，铁路重载用贝氏体车轴钢的各组分含量如表1所示。该车轴的制备方法如下：
按照表1配方，采用常规炼钢工艺进行冶炼，然后浇铸成柱形坯件，将坯件进行锻造处理并锻压成型，并空冷至室温；将锻压成型件加热到850℃，保温4h，然后出炉在空气中连续冷却到室温；最后，将室温下的车轴坯件进行300℃回火处理，回火保温时间为4h。
实施例3
铁路重载用贝氏体车轴，其由铁路重载用贝氏体车轴用钢制成，其中，铁路重载用贝氏体车轴钢的各组分含量如表1所示。该车轴的制备方法如下：
按照表1配方，采用常规炼钢工艺进行冶炼，然后浇铸成柱形坯件，将坯件进行锻造处理并锻压成型，并空冷至室温；将锻压成型件加热到950℃，保温3h，然后出炉在空气中连续冷却到室温；最后，将室温下的车轴坯件进行400℃回火处理，回火保温时间为4h。
实施例4
铁路重载用贝氏体车轴，其由铁路重载用贝氏体车轴用钢制成，其中，铁路重载用贝氏体车轴钢的各组分含量如表1所示。该车轴的制备方法如下：
按照表1配方，采用常规炼钢工艺进行冶炼，然后浇铸成柱形坯件，将坯件进行锻造处理并锻压成型，并空冷至室温；将锻压成型件加热到900℃，保温3h，然后出炉在空气中连续冷却到室温；最后，将室温下的车轴坯件进行250℃回火处理，回火保温时间为3h。
实施例5
铁路重载用贝氏体车轴，其由铁路重载用贝氏体车轴用钢制成，其中，铁路重载用贝氏体车轴钢的各组分含量如表1所示。该车轴的制备方法如下：
按照表1配方，采用常规炼钢工艺进行冶炼，然后浇铸成柱形坯件，将坯件进行锻造处理并锻压成型，并空冷至室温；将锻压成型件加热到850℃，保温5h，然后出炉在空气中连续冷却到室温；最后，将室温下的车轴坯件进行400℃回火处理，回火保温时间为4h。
2、力学性能
根据相关国家标准规定，分别测定了各实施例制备的贝氏体车轴试样的力学性能，如表2所示。
表2各实施例制备的贝氏体车轴的力学性能
Figure BDA0002312528660000051
由表2可知，本发明的贝氏体车轴的屈服强度RP0.2>750MPa，抗拉强度Rm>1000MPa，延伸率A>20％，纵向AKU2(常温)>55J，横向AKU2(常温)>50J。与现有LZ50车轴钢相比，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其特征在于，其化学成分为：C：0.1-0.35wt％；Mn：1.00-2.80wt％；Cr：0.50-2.00wt％；Si：0.50-1.80wt％；Ca：≤0.020wt％；S≤0.010wt％；0.001≤P≤0.015wt％；其余为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其特征在于，其中Ca/S≥1.5。
3.根据权利要求1所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其特征在于，所述车轴钢的组成还包含不高于0.8wt％的Mo。
4.根据权利要求1所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其特征在于，所述车轴钢的显微组织为以贝氏体组织为主的复相组织。
5.根据权利要求1-4任一所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢，其特征在于，所述贝氏体车轴钢的屈服强度RP0.2>750MPa，抗拉强度Rm>1000MPa，延伸率A>20％，纵向AKU2(常温)>55J，横向AKU2(常温)>50J。
6.一种权利要求1-5任一所述的重载铁路货车用贝氏体车轴钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)冶炼：按通用冶炼方法，由转炉或电炉进行冶炼和精炼；
(2)铸造：对步骤(1)冶炼好的钢进行连铸或模铸方式铸造；
(3)锻造：将步骤(2)得到的铸坯进行锻造处理，锻压成型并空冷至室温；
(4)热处理：对步骤(3)得到的锻压成型件进行一次正火和一次回火热处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热处理具体工艺为：
一次正火：指在温度800-950℃间保温3h以上，然后空冷至200℃以下；
回火：指将上述经过一次正火处理后的钢件在温度200-400℃，保温3h以上，然后冷却至室温得到重载铁路货车用贝氏体车轴钢。
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