CN113151732A - 一种高强韧性耐高温又耐低温的特殊金钢及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强韧性耐高温又耐低温特殊合金钢及制造工艺，主要用于制造飞机的齿轮轴、涡轮轴、压气机叶片；大型船舶曲轴、舵机尾轴；汽轮发电机转子、叶轮或叶片；高铁车轴、钢铁行业的热轧辊、高速重载中的轴件和齿轮及海洋石化设备中所需的高强韧、耐蚀、耐低温等高端装备。本发明钢在≥650℃高温回火后的主要性能：Бs≥1250N/mm²，Бb≥1390N/mm²，αku≥150J/cm²；在‑60℃时：αku≥120J/cm²；它较美国应用广泛的(4340)钢之屈服强度、韧性、分别提高了33.2％，34.7％；较汽轮机动叶片钢1Cr12Ni3Mo2VN之Бs提高了39.36％，αku提升了54.7％；较飞机压汽机钛合金叶片(TC11)之Бs提高了25.6％，冲击韧性提升了400％且最终回火或时效强化温度提升了120℃以上。若出口一万吨可创汇2.28亿美元。

Description

一种高强韧性耐高温又耐低温的特殊金钢及制造工艺

技术领域

本发明属金属材料特殊合金钢领域。具体涉及一种高强韧性耐高温又耐低温特殊合金钢及制造工艺，主要用于制造设备工温在：630℃和-60℃之间，在强烈的动态重载下要求其强度高、韧性好、耐热又耐低温、无断裂、寿命长的高速或重载火车轴、飞机压气机叶片、坦克的齿轮轴、大型舰船的曲轴、发电机转子轴、叶片及海洋石化工程和冶金行业中热轧辊、盾构环形复合刀圈等高端装备。

技术背景

在世界的现有技术领域中，因行业和应用工况的不同，故金属材料品种、牌号、标准多达成册，但其每一钢种之性能数据在本发明钢面前却显得原始、落后；所以本发明已具有诸多行业全面的领先性和摧枯拉朽的取代性。现将011-16A特钢所及现有技术普遍存在严重的不适应性，列述如下：

1、011-16A所及现有技术在高铁行业装备上的不适应性：

火车的提速对车轮钢、高速轴承、车轴钢等提出了更高的技术性能要求。在国外绝大多数国家面积不大，其气温温差变化也不大，对材料使用只是要求某1-2项性能数据在设定范围；而中国疆域辽阔，冬季南北气温相差很大，如冬季南方为15℃而北方黑龙江却是近-60℃；当车速为400KM/h，列车(12节车厢)满载总重约(300-350)吨，则Ф800mm的104件车轮，52件Ф180mm之车轴及相配轴承(104)件，必须同步以(44.21圈/秒)进行超高速旋转；车轴两端与轴承穿联处的内部必然产生强烈的环动摩擦热，其长期工温在500℃-600℃，瞬时工温甚至更高；其外部是强烈的吹移式气流散热；严冬时车轴大部份之裸露部位必须需承受凛烈寒风中零下(20-60)℃冷冻脆化的考验；火车在启动或停车中，必然会对车轴会产生强烈的冲击，特别是在正常行驶中的紧急刹车，其冲击会更大。鉴于上述，则高速火车轴或类同使用工况下的其它轴、齿轮等零部件若调质按GB/T3077-1999执行：在500℃-630℃进行回火，则车轴在实际使用中必然失去调质时所具有的力学能性、根本承受不了-60℃的冷冻脆化作用，其结果无疑是车轴裂损经常发生或因轴承高温下烧损致使轴颈熔结，甚至造成断轴脱轨的重大事故。

对现有国内外高铁车轴钢种中的42CrMo、35CrMoV、40CrNiMoA、30CrNi 3它们虽具有较高的屈服强度【Бs＝(785-930)N/mm²】，但常温下其冲击韧严重不足【αku＝(78-98)J/cm²】，耐低温韧性和高温下的耐热性(即热强度)指标在现有标准中无法找到。

近来有人提出采用40CrNi2Mo(亦称4340钢)制造高速火车轴。4340钢是美国的一种具有良好淬透性、热处理性和加工性的钢种；其历史工艺、性能，主要有两种：

(1)850℃淬火采用油冷，于200℃回火，作超强钢，其主要性能数据：Бs＝(1580-1640)N/mm²，Бb＝(1920-2060)N/mm²，αku＝(55-75)J/cm²。

(2)900℃淬火采用油冷，于413℃回火，其Бs≥1260N/mm²，Бb≥1540N/mm²，αkv(-60℃)＝56J/cm²(系：文献数据)。它主要用于制造亚音速轻型飞机大梁、起落架及飞机发动机曲轴、中小型火箭壳体等。

由于4340钢和中国40CrNiMoA在元素含量上仅镍(Ni)含量相差0.4％，若4340钢之N i含量取下限值，则可认为4340钢和40CrNiMoA为同一钢种，按GB/T3077-1999，在850℃液火，600℃回火时，其常温性能：Бs≥835N/mm²，Бb≥980N/mm²，αku≥98J/cm²；所以采用4340钢制造时速为350KM-400KM之高速火车轴，在中国仍满足不了实际应用条件的需要。

2、011-16A特钢所及现有技术在冶金行业装备上的不适应性：

武钢和德阳二重或上海宝钢采用50CrN iMo或60CrMnMo所制作的(Ф750×3465mm,G＝8355kg/件)热轧辊，在热轧过程中表面经常龟裂或崩块，不耐磨；常停产更换、修复十分频繁；经认真分析：50CrNi MoA或60CrMnMo其淬火温区在(840-860)℃，经(600-650)℃回火，其性能很差；其Бs＝(441-490)N/mm²，αku＝31J/cm²；但它们在热轧过程中将受到(1080-900)℃的热传导；在炽热滚压后的数秒，却随旋转位移又发生瞬时空淬；而这两种传统用钢既无抗冷热疲劳性，又无抗裂及耐高温或耐磨元素组合相；所以不耐热更不耐磨，易崩块或破裂是材料设计错误的必然结果！

3、011-16A特钢所及现有技术在矿山行业装备上的不适应性：

(1)采用35CrMoV或40CrNi2Mo所制造的破碎机锤轴[Ф140(外径)×1166(长度)或Ф140×2332，单位：mm]在广西黎塘水泥厂、湖北葛州坝水泥厂、江西上饶虎山鸡山水泥厂等众多厂的使用中普遍出现在Ф140表面有6-15mm深的磨槽，每月需停产更换2-4次；此外，因锤轴断裂造成锤头飞落而击破分离栅板的停产事故是时有发生；所致根本原因：此时每件锤头对锤轴的离心剪切力高达(259603-303407)N，并随时伴有十分强烈的破碎冲击；这一事实充分表明：锤轴的表面硬度、屈服强度、抗冲击韧性等严重不足所致。

(2)上海重型机器厂等采用37Si Mn2MoV或42CrMo为浙江江山水泥厂玉山矿所造Ф1250×1250双转子反击破(64万元/对)，因其主轴(Ф330×Ф240×Ф2670)重：(1235kg/件)断裂造成停产；而洛阳矿山机械厂采用42CrMo或35CrMoV为广西黎塘水泥厂所制造Ф2米×2.4米锤破主轴(L＝5950，G＝5150kg)一连三件，28万元/件，装机不足3天便发生明显弯曲而不能使用；致使该厂停产长达30多天；上述主轴断裂或弯曲原因是因所用材质的屈服强度和抗冲击韧太低根本不具备巨烈冲击破碎的应用工况！

4、011-16A特钢所及现有技术在石化行业装备上的不适应性：

兰州石化于2002年给俄罗斯制造的F1200、F1600泥浆泵中空偏心曲轴(材质：ZG40Cr)和所配套的齿轮轴(Ф320×2260mm，795kg/件)，材质是：40CrN i MoA或42CrMo)，等运到西北利业(-50℃)后开机转不动或噪声刺耳，多件铸造曲轴开裂，齿轴弯曲，不能用而退货；所致根本原因是所选材料之冲击韧性和低温韧性严重不足且材质热处理不当造成金相组织不稳定或冷脆或微弱变形所致。

5、011-16A特钢所及现有技术在汽能发电和航空装备上的不适应性，数据性能汇列如下：表(1)

经认真分析，明显可见：

1、现有汽轮发电机所及主要零部件普遍回火温度于650℃以下，且屈服强度(Бs)和冲击韧性(αku)严重不足，所以它们很难适应用工温在560℃-650℃的发电机组；

2、飞机压气机叶片尽管采用了昂贵的所谓耐高温合金和钛合金及高合金钢，但其最终回火或时效强化温度均于620℃以下，且抗冲韧性十分低微；所以它们很难适应空气压气机出口温度在560℃-650℃或更高温度的飞行条件。

3、本发明011-16A特钢回火温TC≥650℃条件下，其屈服强度Бs≥1250N/mm²，而抗冲击韧性αku≥150J/cm²，即使是在-60℃时其冲击韧性αku(-60℃)≥120J/cm²；且配炉成本远低于GH4169.TC11、Cr11 N i2W2MoV和25Cr₂Ni₄MoV)所以011-16A特钢具有广泛的适用性；而011-16A特钢的应用，必然有效地扩大汽轮发电机组的容量或延长机组的使用寿命；而对于飞机压气机叶片而言，不仅可延长其使用寿命，亦可适当地提升飞机的飞行速度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种在≥650℃回火后具有：高强度(Бs≥1250N/mm²，Бb≥1390N/mm²)；高韧性αku≥150J/cm²，耐低温：αku(-60℃)≥120J/cm²特殊合金钢，已充分满足工温在630℃至-60℃间，于动态重载下工作的世界一流技术水平的高速火速车轴和大型船舶曲轴、舵机尾轴；汽轮发电机转子、叶轮或动叶片、飞机压气机叶片，盾构机环形复合刀圈及海洋石化中的高强韧、耐蚀、耐低温、耐冲击等高端装备所需的强度、韧性、耐低温性能的全部使用要求，使用寿命长，成本低。

本发明的另一个目的是提供一种本发明的高强韧性耐高温又耐低温特殊合金钢的制造工艺。

为了达到上述目的，发明人于2007年5月-2008年11月先后分别去兰州祁连山、湖北当阳、襄樊，浙江江山、江西上饶、河南信阳、广西黎塘、南宁、贵州贵阳、湖南衡阳等地，并分别对其铁路各类火车轴或工矿(主要是水泥厂)在露天使用的Ф2米×2米大型锤式破碎机中的锤轴应用现场进行了设备拆卸的技术测量及断裂原因分析。锤轴是由端面螺栓固联于左右端盘之间，中间又穿经四件锤盘孔，在锤轴上穿挂着每件净重120-140kg，线速度在38.54米/秒以上的大锤头，利用每件锤头巨大的切向功能【E＝MV²/2＝1/2×130×38.54²＝96346.24J】，去破击1.5米×1.5米的大青石；故锤轴必须要有很高的屈服强度和抗冲击韧性，由于是露天作业，故锤轴又必具有良好的耐低温韧性；所以高速火车轴和重型锤式破碎机之锤轴的使用工况比较接近。从2008年3月到2012年6月经19次材料、工艺设计和配炉、熔炼、铸坯、锻造和24次不同的热处理及加工、性能检测和分析，历经五年多的日日夜夜，连大年三十、初一都没休息；终于在2011年7月28日的获得完满成功。先后给浙江江山水泥厂和江西上饶鸡山水泥厂研制了四批(计48件)锤轴，用户使用的效果很好，寿命在一年左右，彻底改变了原锤轴隔三差五地断裂，时常停产更换的被动局面。业经2011年8月28日和2012年7月2日两次对检测性能数据进行检索查新(查新号：J12163)确认：达国内外领先水平；为防止技术泄密，进一步提升Бs和可焊性，又进行8炉的研试，于2019年5月13日(查新号：Q19029)进行了全球技术性能数据的查新，确实达领先水平。全部耗资达2326.76万元，没有花国家一分钱，

本发明采用以下技术措施：其技术特征是以C、Mn、Cr、N i为主要元素，辅加少量W、Mo、V、Zr、Nb、N元素；这种钢再经实施本发明所提供的制造工艺后，它表现出优异的常温、高温和低温性能；已完全满足了制造世界一流水平的高速火车轴和大型船舶曲轴、发电机转子叶片及飞机压气机叶片等高端装备及零部件。

本发明合金钢的化学成份重量百分比含量为：其特征在于化学成份重量百分比为：

碳(C)：0.28-0.42；硅(S i)：0.25-0.55；锰(Mn)：0.35-0.65；

铬(Cr)：0.65-1.1；(镍)N i：1.7-2.4；钨(W)：0.55-0.85；

钼(Mo)：0.4-0.75；钒(V)：0.2-0.45；铌(Nb)：0.15-0.35；

锆(Zr)≤0.2；氮(N)≤0.16；磷(P)≤0.015；硫(S)≤0.015；铁(Fe)：92.09-95.08，以及上述成份中的钨(W)、铌(Nb)、铬(Cr)、氮(N)四种元素至少其中一种不为零的配比组合，其余为铁(Fe)。

本发明中的碳(C)一部份在固溶于α-Fe中形成铁素固溶体和Fe形成渗碳体(Fe₃C)，C还和固溶于铁素体中的多余合金元素分别形成合金碳化物：VC、ZrC、NbC、WC、Mo₂C、Mn₇C₃、Cr₇C₃等；同时还和溶于渗碳体(Fe₃C)的合金元素共同形成晶格复杂的合金渗碳体：(Fe·Cr)₃C、(Fe·Mn)₃C、(Fe·Mo)₃C、(Fe·W)₃C、(Fe·Cr)₂₃C₆、(Fe·Mo)₂₃C₆、(Fe·W)₂₃C₆、(Fe·V)₃C、等；它们强裂地阻碍着高温奥氏体晶粒的长大，并促使热处理后晶粒最细：晶粒度30≤um²，为既要有足够的强度又要有良好的抗冲击韧性，其含碳量在本发明中控制在0.28％-0.42％之间。

硅(S i)，当Si含量≤0.85％时，全部固溶于铁素体内，强烈地提高铁素体之强度，其韧性变化甚小；当含量>0.85％时，其韧性显著下降；但Si除提高回火稳定性外，并有增加钢水流动性，改善铸造性能的作用。故本发明中Si之含量控制在0.25％-0.55％之间。

锰(Mn)是提高强度、韧性、耐低温性并有增加钢水流动性的重要元素，此外，Mn能和杂质S形成MnS以熔渣形式自除，故Mn有净化钢水和自动除杂之功能。在铁素体中，当Mn含量>0.9％时，其抗冲击韧性急剧下降。为既达到强化效果，又不使韧性下降，故本发明中含Mn量控制在0.35％-0.65％之间。

铬(Cr)、钼(Mo)、它们一部分溶于铁素体，形成合金铁素体α-Fe(Cr)、α-Fe(Mo)；另一部分形成细粒、分散的稳定合金碳化物：Cr₇C₃、Mo₂C；还有一部分溶于渗碳体(Fe₃C)内，同样地以细微、分散、弥漫稳定合金渗碳体：(Fe·Cr)₃C、(Fe·Mo)₃C、(Fe·Cr)₂₃C₆等状态存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，除阻碍奥氏体晶粒长大之外，并为淬火和回火后获取均匀细晶粒索氏体组织奠定了良好的基础，从而显著地提高其强度、硬度和耐磨性及高温抗氧化性，同时Cr、Mo也有使C曲线右移而显著提高淬透性的作用，Cr元素含量在≤1.2％时，其强度和冲击韧性是随含Cr的增加而增大，故本发明中Cr含量控制在0.65％-1.1％之间；Mo的配入提高了回火稳定性，避免高温回火脆性；同时Mo的加入，提高了锻或轧制钢的耐高温强度；在焊接中，Mo表现出良好的抗裂性。所以，Mo之含量应控制在0.4％-0.75％之间。

钨(W)，当W含量<3％时，钢之强度、硬度均随含W量的增加而增大，但韧性却由245J/cm²下降到49J/cm²,特别是当W含量>1.2％时，韧性下降十分明显，而W、Mo适量的加入不仅有效地提升了强度和回火稳定性并有力地抑制了回火脆性，由于WC、WN的形成又有力地提升了本发明钢的热强度、及耐磨性，为不使韧性大幅降低，故本发明钢中W含量确定为0.55％-0.85％范围内。

镍(Ni)当含Ni<3％时，其钢之强度、韧性及耐低温韧性均随含Ni量的增加而增大。当其含量超过3％时，钢之常温韧性有下降趋势，既要达到强化效果，又要统筹各元素的有机组配，同时还要考虑到成本，本发明中含N i量控制在1.7％-2.4％范围内。

钒(V)、V和C形成分散、细小且硬度极高的碳化钒(VC)和(V₂C)，它存于高温奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着奥氏体晶粒的长大；当V含量为0.04％-0.1％时，且温度为912℃-960℃，其奥氏体晶粒变化甚微，因此V的配入能显著地细化淬火后马氏体晶粒或高温回火后的索氏体组织。极在地提高了钢的强度、韧性、抗爆裂性、耐高温性和低温韧性。本发明中兼故其它各合金元素的有机组配，V之含量确定为：0.2％-0.45％。

锆(Zr)、铌(Nb)，Zr、Nb均和C以分散、细小碳化锆(ZrC)和碳化铌(NbC)存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，有力地阻碍着晶粒的长大，并增强了淬透性、回火稳定性、成材的可焊性和耐高温强度。为获取细晶粒高强度的索氏体并具有较高耐热性及冲击韧性，本发明确认Nb之含量为0.15-0.35％，Zr之含量为≤0.2％。

氮(N)，加入微量的N，它以极为活跃的方式和本发明钢中加入的V、Zr、Nb及Cr、Mo、W分别形成VN、、ZrN、NbN、Nb₂N、WN、Cr₂N、CrN、MoN，从而减少碳的百分比含量；而这些分散、细微的N化化物，存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，强而有力的阻碍着晶粒的长大；N的加入不仅提高了淬透性和强度及耐热性，并增加了可焊性及晶间耐蚀能力，综合考虑各元素的作用效应，故本发明中确定N含量为≤0.16％。

磷(P)、P使钢在常温下的塑性和韧性下降，并在钢的结晶过程中有促进C、Mn产生偏析的倾向，故本发明中P含量确定为≤0.015％.

硫(S)，S在钢中以FeS和MnS形式存在。MnS进入炉渣，但FeS和Fe可生成低熔点的共晶体，分布于晶界上，削弱了晶界间的结合力，使钢在热态受力时，极易破裂，故发明S之含量控制在≤0.015％范围内。

本发明中由于S、P杂质量极少，S i、Mn、Mo、W、V、Nb之配选量是在既不使其韧性下降，又能提高其强度的范围内，而Cr、N i、Mo、W、V、Zr、Nb、N的配入量不仅提高了其强度，而且大大地提高了其抗冲击韧性和低温韧性，特别是多种合金碳化物和合金渗碳体：VC、ZrC、WC、NbC、Mo₂C、Mn₇C₃、(Fe.Cr)₃C、(Fe.Mn)₃C、(Fe.Mo)₃C、(Fe.W)₃C、(Fe.V)₃C、(Fe.Nb)₃C等，还有多种微量氮化物：VN、ZrN、NbN、WN、MoN、Cr₂N等，而这些在高温下难以分解的碳化物和氮化物以微粒弥散在高温奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着晶粒的长大，从而不仅显著地提升了本发明钢奥氏体的淬火温度和回火温度，而且有力地增强了在高温回火后所获细晶粒索氏体的强度、硬度、耐磨性及冲击韧性，并在500℃和630℃高温下仍保持着极高的耐热强度；Mo、Zr的加入充分提高了钢的锻、轧性，而Mo、W、V、Nb等在提高回火稳定性的同时，Mo、W、Zr又有力地抑制了回火脆性，所以本发明钢具有良好的锻造性，热处性及可加工性并表现出优异的强度、韧性、低温韧性和良好的抗热性，

本发明特钢要求采用带温控器的真空电炉或电弧炉按化学成份规定进行配炉冶炼；炉前成份分析必须采用光谱直读分析仪，所需锭模应事先做好，并烘干；采用AL为最终脱氧处理。所需热处理电炉也必须带有温控器及工艺曲线自动扫描仪；在没有真空脱气设备条件下，其具体生产工艺如下：

1、铸钢锭的浇铸：出钢温度为1635℃-1600℃，当确认化学成份合格，应将钢水快速注入钢包中并迅速连续吹氩5-8分钟，当钢水温度为1560℃-1460℃时，应迅速注入锭模中，随锭模缓冷。

2、铸锭坏的退火：当铸钢锭冷到380℃-430℃时，应将铸钢锭转入炉温为400℃电炉中，均温3-5小时后，缓升到650℃-720℃，保温t＝锭坯直直径或厚度mm×(14-16)小时/100mm，随炉冷至200℃后出炉空冷。

3、将铸锭坯进行电渣重熔，重熔锭脱模后应及时埋入干砂或干石灰粉中缓冷。

4、重熔锭的退火：将锭坯加热到650℃-720℃，保温时间：t＝钢件直径或厚度mm×(12-16)小时/100mm；随炉冷到≤200℃出炉空冷；

5、钢坯的锻打及加热温度：1160℃-1260℃；始锻温度≤1200℃，末锻温度≥870℃。

6、锻造钢的退火温度：650℃-720℃,保温时间：t＝钢件直径或厚度mm×(8-12)小时/100mm；随炉冷到≤250℃时，出炉空冷。

7、调质：淬火860℃-950℃，保温时间：t＝钢件直径或厚度mm×(1.4-2.5)小时/100mm；回火：650℃-720℃,加热保温时间：t＝(15-60)分钟+钢件直径或厚度mm×1.2分/mm；

按照上述方法所生产的本发明钢达到了令人满意的技术、经济效果。

本发明所及一种高强韧性耐高温又耐低温特钢(011-6A)产品性能和现有各行业中顶级产品最终热处理工艺温度和主要机械性能的类比：表(2)

注：011-6A特钢性能远优于各行业顶级产品性能且优于GB/T3077-1999及国外现有标准中的任何钢种；011-6A所有数据均有CMA报告；军民品应用十分广泛；信价比高；用其制造矿山大型反击破、锤皮主轴多年未坏，受用户好评。

本发明和现有技术相比，在多行业中具有无与伦比的性能优势所以它具有广泛的适用性，必将取得巨大的社会综合经济效益。

1、本发明的技术性能优势：

(1)本发明钢经≥650℃回火后，金相组织为索氏体，晶粒为I-9级；常温下：Бs＝(1256-1325)N/mm²，Бb＝(1395-1448)N/mm²，αku₂＝(150-176)J/cm²，在-60℃时，仍有十分良好的耐低温韧性：αku₂＝(120-148)J/cm²；而在+500℃时，热强度БbR(+500℃)＝(851-884)N/mm²，它完全满足了制造应用工温在630℃～(-60℃)的高速火车轴及高寒地域的机械装备及大型水面舰艇和深水潜艇发动机曲轴与飞机、坦克齿轮轴、发电机转子主轴及海洋石化装备的性能要求。

(2)本发明钢较现有在高端装备应用最广的40Cr₁Ni₂Mo(美国4340)仅在600℃高温回火后其常温下：Бs＝835N/mm²，Бb＝980N/mm²，αku₂＝98J之屈服强度(Бs)提高了33.2％，而常温韧性αku₂较40Cr₁Ni₂Mo钢提高了34.7％。

(3)本发明钢较发电机转子钢25CrNi₄MoV之Бs提升了53.2％，而αku₂却是25CrNi₄MoV的1.485倍；较发电机叶片钢1Cr₁₂Ni₃Mo₂VN仅于566℃回火之Бs提升了39.36％，αku₂却是1Cr₁₂Ni₃Mo₂VN的2.205倍；

(4)本发明钢011-6A较飞机压气机钛合金叶片(TC11)于530℃时效后[Бs＝930N/mm²，αku＝30J/cm²]之Бs提升了25.6％，αku提高400％；

2、推广转化前景及显著的社会环保型经济效益

(1)依照我国内地行政区划分共26个省(含自治区)，4个直辖市。

北京铁路局有客车2601列(含空调客车1672列)；而郑州铁路局有客车1710列；上海铁路局有客车4289列，货车1102列；武汉铁路局有客车3301列。

上述仅四大铁路局其有客车11901列(平均每局有2975列)，而货车1102列(仅上海局)。全国其它15个大铁路局，仅按每局客、货列车1200列(含货车200列)计算，则中国共设19个大型铁路局和16个铁路分局。共有客列：11901+15×1000＝26901(列)，其中三分之一即8967列为高速火车；另货车：2201+15×200＝4102(列)。

每列重载货车为40个车皮，每个车皮用车轴4件；每个车头用4个车轴；则4102列重载货车之车轴用量共(40+1)×4×4102＝672728(件)；而高铁快车一般为12个车箱，每个车箱用轴4件和每个车头用轴4件，则8967列高铁快车之车轴用量共(12+1)×4×8967＝466284(件)；按现有所见火车轴尺寸图：长度×(两端最大外径)＝2376×Ф256(mm)，则其轧制毛坯尺寸为：2500×Ф270(mm)，此时每轴坯重：G＝1.124吨，若重载列车和高铁快车，车轴均按每3个月更换一次(实际上，行车检查、更换车轴很频繁)，则每年这两类列车，轴由用钢量为：(672728+466284)件×1.124T/件×4次/年＝510(万吨)/年，如果采用进口车轴，则需美元：510万吨×14/7.0＝1020(亿美元)，折合人民币＝7140(亿元)。若采用本公司所研制的高强度高韧性耐低温又耐高温的特钢制造上述两类火车轴及相关其它轴类，并按每年更换一次，而产品含税价：5.0万元/T(RMB)执行，则每年最多只需用钢127.5万吨，所需车轴购买费用(RMB)仅127.5万吨/年×5.0万元/T＝637.5(亿元)。仅此一举，可为国家获取重大经济效益和社会效益如下：(1)节省车轴购买费：7140-637.5＝6502.5(亿元)；(2)减少车轴用钢：510-127.5＝382.5(万吨)；(3)节省炼钢耗能(折合标煤)：382.5万吨×605kg/T＝231.4125(万吨)；(4)节水：382.5万/T×4.1米³/T×1吨/米³＝1568.2(万吨)；(5)减少SO₂排放量：3825000T×1.63kg/T＝6234.75(吨)；(6)减少用钢的铁矿开采费、熔炼费、锻造费、热处理费、机械加工费(含加工用电)、装卸费、运输费(运距取500KM)；本项合计：[(200+2400+1900+2000+2400+20×2+2×2)×500]元/T×3825000T＝342.108(亿元)。

另外，对社会的综合性污染(如：加工、运输噪声、粉灰飞扬、废旧存放等)也会大大减降；更重要的是，采用本发明钢，它完全保证了高铁火车轴及类同自然温差巨大或(-60℃)的高寒地域环境中各类高负载机械设备或装备的安全运行。

附图说明

图1为锻造调质钢金相拍片，索氏体组织，晶粒I-9级示意图。

具体实施方式

现将本发明钢在具体实施三例中对所做锻钢进行的相应检测数据及工艺执行温度分别列表如下：

实施本发明钢三炉的化宵成份(％)表(3)

实施三炉本发明铸钢的熔炼和锻打生产过程的工艺温度[单位：摄氏度(T℃)]表(4)

实施本发明钢锻坯退火和粗加工件的调质工艺及机械性能[化学成份和表(3)对应相同]表(5)

具体实施过程如下：按照本发明钢成份，采用3吨电弧炉冶炼了三炉本发明钢，炼钢温度依次为：1660℃、1640℃、1650℃；转入钢包吹氩温度分别为：1630℃、1600℃、1620℃；浇铸温度依次对应为：1470℃、1520℃、1490℃；铸锭毛坯退火温度对应为：650℃、690℃、720℃，保温时间均为t＝48小时炉冷；每炉两件(Ф340×2170mm)锭坯分别为：1580℃、1600℃、1620℃进行了电渣重熔；每件重熔锭坯尺寸：350×350×1600(mm)后分别于700℃、680℃、650℃进行了退火，每炉保温时间：T＝50小时，随炉冷到200℃之后出炉空冷。

为确保本发明钢锻造轴的质量，故将每炉退火后的两件重熔锭中一件进行去皮切头，打磨后之尺寸分别为：348×348×1580mm(另一件重熔锭保留待用)。三炉重熔锭坯分别加热到1250℃、1200℃、1180℃出炉锻打，始段温度分别为；1200℃、1170℃、1150℃，末锻温度分别为：880℃、870℃、890℃；锻钢坯尺寸：Ф156×10000mm，锻后干砂或干石灰埋冷。

锻钢的除应力退火，温度分别为：700℃、700℃、670℃，保温时间16小时，随炉冷到250℃后，出炉空冷；并将三件Ф156×10000mm之锻钢，每件切锯成4段，每段尺寸：Ф156×2340mm。

粗车和调质：将三炉Ф156×2340mm已退火之锻坯(每炉4段)，均粗车为：Ф150×2340mm后依次进行调质，其淬火温度分别对应为：950℃、860℃、900℃，回火温度依次对应为720℃、690℃、660℃，而加热保温时间均为210分钟；此后再精加工成Ф140_-0.2×2332mm的重型锤式破碎机之强冲击锤轴；同时对每炉锤轴本体之同炉试件做了常温下的机械性能检测及-60℃之低温韧性检测，并对部分试件增加了+500℃下热强度的检测，还做了金相组织分析(见附图1)。检测单位有：中船总公司武汉金属材料试验检测中心、武汉钢铁设计研究院试验检测中心等。为提高锤轴表面的耐磨性，对这三炉锤轴均于600℃进行了稳定化处理，并于570℃进行离子渗N，表面硬度HRC分别为：55.8、56.7、57.6；产品使用效果获江西上饶和广西黎塘等用户的高度好评。

Claims (2)

1.一种高强韧性耐高温又耐低温特殊合金钢，其特征在于化学成份重量百分比为：

碳：0.28-0.42；硅：0.25-0.55；锰：0.35-0.65；

铬：0.65-1.1；镍：1.7-2.4；钨：0.55-0.85；

钼：0.4-0.75；钒：0.2-0.45；铌：0.15-0.35；

锆≤0.2；氮≤0.16；磷≤0.015；硫≤0.015；铁：92.09-95.08，以及上述成份中的钨、铌、铬、氮四种元素至少其中一种不为零的配比组合，其余为铁。

2.实现权利要求1所述的一种高韧性耐高温又耐低温特殊合金钢的制造工艺，在没有真空脱气设备之条件下它包括下列步骤：

(1)钢锭的浇铸：炼钢温度为1660℃-1630℃，当钢水温度为1635℃-1600℃时，应快速将钢水注入钢包中并连续吹氩5-8分钟，当钢包中的钢水温度为1560℃-1460℃时，应迅速浇入锭模中，随模冷却；

(2)铸锭坏的退火：当铸锭坯冷到380℃-430℃时，应将铸锭转入炉温为400℃的电炉中，均温3-5小时后将锭坯加热到650℃-720℃，保温时间：t＝锭坯直径或厚度mm×(14-16)小时/100mm；炉冷≤200℃后出炉；

(3)电渣重熔：将已退火的铸锭坯进行电渣重熔，重熔锭脱模后应及时埋入干砂或干石灰中缓冷；

(4)重熔锭的退火：将重熔锭加热到650℃-720℃，保温时间：t＝锭坯直径或厚度mm×(12-16)小时/100mm，随炉冷到≤200℃时，出炉空冷；

(5)重熔锭坯的锻打及加热温度：1160℃-1260℃；始锻温度≤1200℃，未锻温度≥870℃；

(6)锻钢坯的退火温度：650℃-720℃，保温时间：t＝钢件直径或厚度mm×(8-12)小时/100mm；随炉冷到≤250℃时，出炉空冷；

(7)调质：淬火860℃-950℃，保温时间：t＝钢件直径或厚度mm×(1.4-2.5)小时/100mm；回火：650℃-720℃，加热保温时间：t＝(15-60)分钟+钢件直径或厚度mm×1.2分/mm。

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