CN115927966A - 钩舌及其制备方法、轨道车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钩舌及其制备方法、轨道车辆，其中，钩舌的制备方法，包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼步骤包括：熔氧处理：将废钢进行熔化，并吹氧助熔，形成钢液；精炼处理：将钢液采用偏心底出钢方式导入精炼包中进行精炼，期间将钢液的成分调整至按重量百分比计；在调整成分时，通过铝线喂线的方式调整钢液中的铝元素含量，且在喂线过程中向钢液中进行吹氩操作以进行钢液搅动。本申请的技术方案有效地解决了现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种钩舌及其制备方法、轨道车辆。
背景技术
近年来，随着世界铁路货车“重载”进程的不断推进，对铁路货车整车及零部件的制造质量要求也越来越高。从国际上来看，澳大利亚力拓公司是世界铁矿石生产巨头，其开行的Q系列40吨轴重不锈钢矿石车，是目前世界轴重和牵引吨位最大的铁路货车，列车编组数量为240辆，载重高达139.5吨，牵引吨位高达3.8万吨。其全自动无人驾驶火车的正式投入运营，更是对整车的运行可靠性要求提出了前所未有的挑战。世界范围内，制约重载发展的关键技术是钩缓部件的疲劳可靠性，尤其是钩舌，在货车运行中承受着较大的冲击交变载荷作用，是整车结构的最薄弱环节。既有钩舌已经不能满足重载列车的使用要求，在运行过程中疲劳断裂事故时有发生，造成列车分离、货运线停运，甚至列车倾覆等严重事故，带来难以估量的经济损失。考虑钩舌的互换性、钩舌结构无法进行大的改变，因此从材料和制造工艺角度入手开展研究是提高钩舌疲劳可靠性的有效途径。
研究表明，从钩舌材料角度看，在满足一定强度要求的前提下，努力提高钩舌材料的塑性和韧性是提高钩舌疲劳可靠性的一条有效途径。金属材料的性能是通过热处理实现的，对于淬火钢，其淬火冷却效果至关重要，而开始淬火阶段的冷却速度是淬火时工件降温最关键的时段，冷却速度越快，钢质工件的马氏体组织越多，而马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度和高强度。淬火阶段获得马氏体组织的多少将直接影响回火后工件的性能。故冷却速度的加快，使得马氏体增多，回火后工件的力学性能更为优异。
通过上述分析，确定力拓钩舌新材料力学性能指标如表1所示。
表1
由上表1中的新标准与AAR标准相比：强度指标、延伸率指标提高了15％，伸长率提高33％，冲击功提高了1.5倍。
从使用角度看，采用力拓钩舌疲劳载荷谱如表2所示，进行疲劳试验，要求钩舌疲劳寿命不低于10万次。
表2
| 谱级 | 载荷Min(KN) | 载荷Max(KN) | 次数 |
| 1 | 50 | 800 | 265 |
| 2 | 50 | 1200 | 55 |
| 3 | 50 | 1600 | 52 |
| 4 | 50 | 1200 | 55 |
| 5 | 50 | 800 | 265 |
上表2中的力拓钩舌疲劳载荷谱最大载荷达到1600KN，高于AAR标准的1300KN。钩舌的疲劳寿命指标远高于同类产品。众所周知，一种材料的强度与塑韧性是相矛盾的，强度越高，材料的塑韧性指标越低，反之亦然。因此，要满足如此高的材料和疲劳性能标准要求，必须提高新材料的力学性能和制造工艺。
现有材料为AAR E级铸钢，采用碱性电弧炉炼钢，钩舌的制造工艺为造型-制芯-冶炼-浇注-清理而进行整体成型的工艺。热处理工艺为调质。调质工艺淬火加热保温温度为900℃～920℃，保温时间为2h～3h，入水冷却，水冷时采用高压风对冷水进行搅拌。回火加热保温温度为570℃～590℃，保温时间为3h～4.5h，空冷。钩舌经热处理后的随炉试棒力学性能检测数据如表3所示。
表3
采用力拓疲劳试验载荷谱对AAR E级铸钢材料钩舌开展疲劳试验，疲劳寿命如表4。
表4
| 序号 | 制造顺序号 | 断裂部位 | 断裂次数 |
| 1 | 0073 | 钩舌内腕 | 55361 |
| 2 | 0047 | 上牵引台 | 68025 |
| 3 | 0072 | 钩舌内腕 | 79963 |
| 4 | 0022 | 钩舌内腕 | 74246 |
| 5 | 0027 | 钩舌内腕 | 79527 |
| 6 | 0021 | 上牵引台 | 75955 |
| 7 | 0066 | 上牵引台 | 52666 |
| 8 | 0019 | 钩舌内腕 | 67623 |
| 9 | 0048 | 钩舌内腕 | 74838 |
| 10 | 0051 | 钩舌内腕 | 78276 |
铸钢材料的平均抗拉强度为878MPa，平均屈服强度为776MPa，平均-40℃V型缺口冲击功为44.7J。钩舌材料是抗拉强度、屈服强度及冲击性能均较低，不符合新材料力学性能指标要求。采用力拓疲劳试验载荷谱获得的疲劳寿命远低于标准的10万次要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钩舌及其制备方法、轨道车辆，以解决现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钩舌的制备方法，包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼步骤包括：熔氧处理：将废钢进行熔化，并吹氧助熔，形成钢液；精炼处理：将钢液采用偏心底出钢方式导入精炼包中进行精炼，期间将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；在调整成分时，通过铝线喂线的方式调整钢液中的铝元素含量，且在喂线过程中向钢液中进行吹氩操作以进行钢液搅动。
进一步地，将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.19～0.22％的C、0.23～0.38％的Si，0.87～1.05％的Mn，0.007～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.14％的Cr、0.96～1.05％的Ni，0.42～0.75％的Mo、0.023～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.047～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.048％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步地，将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.20～0.22％的C、0.23～0.34％的Si，0.92～1.02％的Mn，0.009～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.09％的Cr、0.98～1.05％的Ni，0.43～0.75％的Mo、0.037～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.057～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.046％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步地，按重量百分含量计，钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.20％的C、0.30％的Si，0.98％的Mn，0.011％的P、0.011％的S、1.05％的Cr、0.99％的Ni，0.47％的Mo、0.050％的Al、0.12％的Cu、0.065％的V、0.054％Nb，0.034％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；或者0.20％的C、0.32％的Si，0.93％的Mn，0.009％的P、0.011％的S、1.07％的Cr、1.05％的Ni，0.52％的Mo、0.042％的Al、0.09％的Cu、0.065％的V、0.065％的Nb，0.041％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
进一步地，熔氧处理过程中，将废钢熔化至熔清碳含量不低于0.5wt％后，向其中吹氧助熔，控制脱碳速率不高于0.03wt％/min，后得到温度1580～1600℃的钢液。
进一步地，精炼处理过程中，在进行吹氩操作时，控制氩气的吹入压力为0.1～0.3MPa，且通过钢液的底部吹入。
进一步地，待铝线喂线结束后，继续吹氩操作3～5min，然后去除浮渣，得到待浇注钢液。
进一步地，在清理步骤之后，制备方法还包括热处理工序，热处理工序包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理；优选地，预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷；更优选地，水冷过程采用水射流搅拌冷却，且水冷过程持续时间不低于5分钟，水温不高于35℃；在水冷步骤之后热处理工序还包括回火步骤，其回火温度为630±10℃，回火时间为3～4小时。
进一步地，水射流搅拌冷却过程在淬火水槽中进行，淬火水槽包括储水槽及设置在储水槽内并与储水槽的底部连通的淬火槽，淬火槽的槽底壁和槽侧壁均设置有多个射流喷嘴。
进一步地，在水射流搅拌冷却过程中，控制淬火后钩舌在10～20s内入水，控制水泵压力为0.3～0.4MPa，喷水频率为40～50Hz。
进一步地，浇注过程包括依次进行的钩舌浇注和基尔试棒浇注，其中，钩舌浇注时，在钩舌合箱前对砂型内浮砂进行吹扫；控制浇注温度不大于1585℃，浇注时调整钢液包铸口对正浇口杯，并控制钢液包距浇口杯高度为150～250mm；优选浇注时间35～40s，更优选浇注时钢液流速先增加后降低；基尔试棒浇注时，浇注前将基尔试棒砂型在120～180℃烘干炉中烘烤0.5～1.5小时，取出后对砂型内浮砂进行吹扫；优选地，从烘干炉中取出到浇注基尔试棒时间≤1小时。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钩舌，钩舌采用上述的制备方法制备得到。
根据本发明的另一方面，提供了一种轨道车辆，包括钩舌，钩舌为上述的钩舌。
应用本发明的技术方案，钩舌的制备方法，包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼步骤包括：熔氧处理：将废钢进行熔化，并吹氧助熔，形成钢液；精炼处理：将钢液采用偏心底出钢方式导入精炼包中进行精炼，期间将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；在调整成分时，通过铝线喂线的方式调整钢液中的铝元素含量，且在喂线过程中向钢液中进行吹氩操作以进行钢液搅动。这样通过上述熔氧处理，再加上精炼处理过程中调整钢液的成分配比制作的轨道车辆钩舌。不仅能够兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，还能够满足轨道车辆所用要求，这样解决了现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的铸钢材料的实施例5的钩舌的铸钢材料的金相组织照片；
图2示出了对比例1的力拓E+钢材料的金相组织照片；
图3示出了对比例1的力拓E+钢材料的另一金相组织照片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了解决铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题，本发明提供了一种钩舌的制备方法。
本发明的钩舌的制备方法的实施例包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼步骤包括：熔氧处理：将废钢进行熔化，并吹氧助熔，形成钢液；精炼处理：将钢液采用偏心底出钢方式导入精炼包中进行精炼。期间将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；在调整成分时，通过铝线喂线的方式调整钢液中的铝元素含量，且在喂线过程中向钢液中进行吹氩操作以进行钢液搅动。这样通过上述熔氧处理，再加上精炼处理过程中调整钢液的成分配比制作的轨道车辆钩舌。不仅能够兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，还能够满足轨道车辆所用要求，这样解决了现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题。
需要说明的是，为了改善和提高钢的强度同时兼顾塑韧性，在冶炼过程中向钢中加入了C、Si，Mn，Cr，Ni，Mo，V，Ti，Nb，Al等元素。其中，
C和Si的作用是使形成固溶体组织和形成碳化物组织，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。钢中的铁素体、渗碳体等组织，都溶解有碳元素。且含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低。硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅能降低钢的焊接性能。本申请中需要考虑铸钢的焊接性，碳当量不能太高，因此需尽可能控制碳含量硅含量在较低水平，因此将C控制在0.18-0.23％，Si控制在0.20-0.40％。
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰和铁形成的固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性，将锰控制在0.85-1.10％。
钢中的Cr、Ni、Mo是主要的合金元素，其中Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性。在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除或降低残余应力，提高塑性，结合与其他元素间的作用将Cr控制在1.00-1.20％，Ni控制在0.95-1.05％，Mo控制在0.40-0.80％。
本申请中V、Ti、Nb是重要的微合金化元素。V和碳、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性，改善钢的焊接性能。Ti和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强，也是强铁氧体形成元素之一，强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛，同时提高了钢的强度。经正火使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善，含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能。Nb起固溶强化作用，溶入奥氏体以碳化物和氧化物微粒形式存在时，细化晶粒并降低钢的淬透性。微量铌可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。由于有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。充分考虑在钢中的作用将V控制在0.040-0.090％，Ti控制在0.020-0.050％，Nb控制在0.020-0.070％。
Al主要用来脱氧和细化晶粒。铝能抑制低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性。铝在钢中固溶强化作用大，提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度及芯部力学性能，与微合金化元素类似不易过高，过高会降低其高温强度和韧性，并给冶炼、浇注等方面带来若干困难，因此将Al元素控制在0.020-0.050％。
本申请中的S、P是钢中的有害元素，由于对钢的质量影响较大，需要对其加以控制。S在钢中偏析严重，恶化钢的质量，在高温下，降低钢的塑性。P偏析严重，增加回火脆性，显著增加钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响。S、P均是有害元素。Cu元素在铸钢中超过0.30％，会使铸钢产生热裂倾向，影响钢中质量，但考虑冶炼装备水平及冶炼原材料的源头控制，保证铸钢性能，将钢中的Cu控制在不高于0.20％。P、S控制不高于0.015％。优选地，将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.19～0.22％的C、0.23～0.38％的Si，0.87～1.05％的Mn，0.007～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.14％的Cr、0.96～1.05％的Ni，0.42～0.75％的Mo、0.023～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.047～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.048％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。为了需要考虑铸钢良好的焊接性，碳当量不能过高，因此需尽可能控制碳含量硅含量稳定在较低水平，因此将C控制在0.19～0.22％，Si控制在0.23～0.38％。锰稳定奥氏体组织的能力接近于镍，也强烈增加钢的良好的淬透性，将锰控制在0.87～1.05％。为了Cr能进一步地提高材料表面的耐磨性，将Cr控制在1.02～1.14％，保证Ni在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响尽可能地小，将Ni控制在0.96～1.05％；Mo在钢中能进一步提高淬透性和热强性，防止回火脆性，将Mo控制在0.42～0.75％；V满足细化钢的组织和晶粒，进一步降低钢的强度和韧性，将V控制在0.047～0.086％；为了有效地避免Cu元素在铸钢中超过0.30％，会使铸钢产生热裂倾向，影响钢中质量，并考虑冶炼装备水平及冶炼原材料的源头控制，保证铸钢良好的性能，将Cu控制在0.09～0.14％，将S控制在0.010～0.013％，将P控制在0.007～0.013％。
优选地，将钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.20～0.22％的C、0.23～0.34％的Si，0.92～1.02％的Mn，0.009～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.09％的Cr、0.98～1.05％的Ni，0.43～0.75％的Mo、0.037～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.057～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.046％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。为了需要考虑铸钢良好的焊接性，碳当量不能过高，因此需控制碳含量硅含量保持在较低水平，因此将C控制在0.20～0.22％，Si控制在0.23～0.34％。锰稳定奥氏体组织的能力越接近于镍，也强烈增加钢的较高的淬透性，将锰控制在0.92～1.02％。为了Cr材料表面的有足够高的耐磨性，将Cr控制在1.02～1.09％，保证Ni在提高钢强度的同时，有效地缩小对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响，将Ni控制在0.98～1.05％；Mo在钢中能大大提高淬透性和热强性，防止回火脆性，将Mo控制在0.43～0.75％；V进一步细化钢的组织和晶粒，有效地降低钢的强度和韧性，将V控制在0.057～0.086％。
优选地，为了在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有更好的综合性能，按重量百分含量计，钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.20％的C、0.30％的Si，0.98％的Mn，0.011％的P、0.011％的S、1.05％的Cr、0.99％的Ni，0.47％的Mo、0.050％的Al、0.12％的Cu、0.065％的V、0.054％Nb，0.034％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；或者0.20％的C、0.32％的Si，0.93％的Mn，0.009％的P、0.011％的S、1.07％的Cr、1.05％的Ni，0.52％的Mo、0.042％的Al、0.09％的Cu、0.065％的V、0.065％的Nb，0.041％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
优选地，为提高钢液纯净度，通过控制电极的电流、电压和吹氧强度控制钢液温度，熔氧处理过程中，将废钢熔化至熔清碳含量不低于0.5wt％后，如在0.5wt％～0.7wt％范围内，向其中吹氧助熔，控制脱碳速率不高于0.03wt％/min后，如在0.01wt％～0.03wt％范围内，得到温度1580～1600℃的钢液。这样钢液中磷可控制在较低水平。打破现有技术中的熔化期和氧化期界限，及时吹氧助熔，提早造氧化渣，以稳定电弧，减少钢液的吸气。利用熔化后期和氧化氧前期温度不高对去磷的有利条件，调整好炉渣的碱度和氧化性，及时放掉高磷炉渣并补充新渣，去除钢液中50-70％的磷，后期进一步降低钢中的磷含量，使其低于成品规格的一半以下，氧化末期将炉渣除尽再造渣，防止还原期回磷较多。
优选地，为了满足熔氧处理过程的时间要求，加氧助熔，形成钢液。通过加氧脱碳去除气体、夹杂，造渣脱磷，提温，预脱氧。精炼处理过程中，在进行吹氩操作时，为了满足氩气强度要求0.1-0.3MPa的要求，控制氩气的吹入压力为0.1～0.3MPa，且通过钢液的底部吹入。这样，能够降低钢液氧及氧化物夹杂含量，精确控制成品钢中铝含量。这样，通过吹氩喂线工艺将终脱氧用铝线***到钢包底部附近的钢液中，直接与钢液进行化学反应，并通过氩气搅拌的动力学作用，能有效地达到脱氧、去除夹杂、均匀钢液成分和温度的目的。
优选地，为提高钢液纯净度，待铝线喂线结束后，继续吹氩操作3～5min，促使夹杂物上浮，弱搅强度以钢液面不裸露，渣面微微涌动为准。然后去除浮渣，得到待浇注钢液。这样通过精炼处理，夹杂物总量可降低50％左右。由于钢渣混冲和出钢后喂铝线操作，钢水的夹杂物含量处在较高的水平，钢包熔池较深，钢包底部的夹杂和卷入钢液的渣需要一定的时间和动力促使上浮。精炼处理不会导致卷渣，吹入的氩气泡可为10微米或更小的不易排出的夹杂颗粒粘附在气泡表面，随着气泡的上浮而排入渣中。
优选地，在清理步骤之后，制备方法还包括热处理工序，热处理工序包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理；优选地，预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷；更优选地，水冷过程采用水射流搅拌冷却，且水冷过程持续时间不低于5分钟，水温不高于35℃；在水冷步骤之后，热处理工序还包括回火步骤，其回火温度为630±10℃，回火时间为3～4小时。
在上述水射流搅拌冷却过程在淬火水槽中进行，淬火水槽包括储水槽及设置在储水槽内并与储水槽的底部连通的淬火槽，淬火槽的槽底壁和槽侧壁均设置有多个射流喷嘴。多个射流喷嘴的内部通过多个管路与储水槽的空腔连通，每个管路上设置有水泵。每个射流喷嘴开闭可调，采用变频器控制水流压力，控制喷水频率0-50Hz可调。钩舌出淬火炉时开启射流喷嘴进行水射流搅拌，以实现喷水冷却。淬火槽中设置有水温检测装置，确保钩舌淬火效果。上述的淬火水槽的容量优选为30M3。
优选地，为了优化钩舌淬火效果，在水射流搅拌冷却过程中，控制淬火后钩舌在10～20内入水，控制水泵压力为0.3～0.4MPa，喷水频率为40～50Hz。
优选地，为了保证铸件质量，浇注过程包括依次进行的钩舌浇注和基尔试棒浇注，其中，钩舌浇注时，在钩舌合箱前对砂型内浮砂进行吹扫；控制浇注温度不大于1585℃，浇注时调整钢液包铸口对正浇口杯，并控制钢液包距浇口杯高度为150～250mm；优选浇注时间35～40s，更优选浇注时钢液流速先增加后降低；基尔试棒浇注时，浇注前将基尔试棒砂型在120～180℃烘干炉中烘烤0.5～1.5小时，取出后对砂型内浮砂进行吹扫；优选地，从烘干炉中取出到浇注基尔试棒时间≤1小时。这样将完成初炼任务的钢水采用偏心底出钢方式导入精炼包中，进行脱氧脱硫脱夹杂，调整成分，均匀温度，合格后喂铝，热装塞杆，以等待浇注。
根据本发明提供的钩舌，钩舌的材料采用上述的制备方法制备得到。这样由于上述的制备方法制备的钩舌能够解决了现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题，使得采用上述的制备方法制备得到钩舌的材料能够解决同样的技术问题。
本发明的轨道车辆包括钩舌，钩舌为上述的钩舌。由于上述的钩舌能够解决现有技术中所制备的钩舌无法兼顾良好的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆所用要求的问题，使得采用钩舌的轨道车辆能够解决同样的技术问题。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1至16
实施例1至16中分别以不同成分的铸钢材料制备了钩舌，其具体成分如表5所示。
表5
钩舌的制备方法采用一次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理和热处理步骤，具体如下：
造型：采用酯硬化造型线造型，水平分型，一箱8件，钩舌内腕面对侧处引入浇注***，钩舌外轮廓采用覆膜砂壳芯带出。
制芯：钩舌共制备三种砂芯，分别有采用覆膜砂热芯盒壳芯机射制，砂芯芯头在开盒面留0.5mm的分型负数。采用水玻璃砂手工打制，二氧化碳盒内硬化，钩舌内腕面部位的形状要求由整块活块带出，活块可在鼻部拆分，并在对应上箱排气针位置加设砂芯排气孔，钩舌内腕面额外加0.5mm的加工余量。采用合脂砂制作，远红外线烘干窑烘干。要求所有砂芯表面涂刷醇基锆英粉涂料。
冶炼：
(1)熔化期和氧化期：熔化废钢，吹氧助熔，形成钢液。熔氧处理过程中，将废钢熔化至熔清碳含量不低于0.5wt％后，向其中吹氧助熔，控制脱碳速率不高于0.03wt％/min，后得到温度1580～1600℃的所述钢液。该过程中通过加氧脱碳去除气体、夹杂，造渣脱磷，提温，预脱氧。
(2)精炼期：将完成初炼任务的钢水采用偏心底出钢方式导入精炼包中，进行脱氧脱硫脱夹杂，调整成分，均匀温度，合格后喂铝(纯度大于95.5％的铝线)，热装塞杆，等待浇注。期间采用钢包吹氩喂线精炼，通过吹氩喂线工艺将终脱氧用铝线***到钢包底部附近的钢水中，直接与钢水进行化学反应，并通过氩气搅拌的动力学作用，能有效地达到脱氧、去除夹杂、均匀钢液成分和温度的目的。期间采用钢水弱搅拌净化处理技术，提高钢水纯净度。钢水在喂线结束后，继续吹氩弱搅拌3～5分钟，促使夹杂物上浮，弱搅强度以钢液面不裸露，渣面微微涌动为准，然后去除浮渣，得到待浇注钢液。上述吹氩操作时，控制氩气的吹入压力为0.1～0.3MPa，且通过钢液的底部吹入。
浇注：浇注钩舌：钩舌合箱前，对砂型内浮砂进行吹扫。浇注温度不大于1585℃，浇注时钢水包铸口对正浇口杯，钢水包距浇口杯高度为150～250mm，浇注时间35～40s，浇注时钢液流速先小流，中间大流，末尾小流。基尔试棒的浇注：浇注前将基尔试棒砂型在150℃烘干炉中，烘烤1小时，从烘干炉中取出对砂型内浮砂进行吹扫，从烘干炉中取出到浇注基尔试棒时间不得大于1小时。
清理：对钩舌进行表面清砂处理，除局部无法清除的粘砂外，一切可清掉的砂子全部清除，冷、芯铁全部清掉。采用气割方式，将铸件的浇冒口、明气眼、飞边、毛刺用气割切除，浇冒口残留余量不大于5mm。然后，进行一次抛丸处理，除内、外表面局部抛不到部位之外，铸件内外表面清洁、无粘砂。采用气刨方式对所有分型面、浇冒口根部及飞边、毛刺刨平。其次，进行二次抛丸处理，除内、外表面局部抛不到部位之外，铸件内外表面清洁、无粘砂。进行铸件焊修处理。
热处理：采用连续热处理炉进行该热处理，生产节拍：35分钟进出一车工件。热处理包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理：预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷。冷却采用水射流搅拌冷却，具体是在钩舌入淬火池后，在钩舌的底部和四周距钩舌尽量小的位置密布排列射流喷嘴，淬火时高压水从喷嘴中高速喷出，既搅拌淬火水池，又能依靠高压水流将工件刚入水时表面产生的高温蒸汽膜冲破，提高淬火烈度。钩舌在冷却水池停留时间不低于5分钟，控制水温不高于35℃。回火温度：630±10℃，保温时间：3～4小时，入水冷却。以上淬火过程在淬火水槽中进行，淬火后钩舌在10～20s内入水，控制水泵压力为0.3～0.4MPa，喷水频率为40～50Hz。
对比例1
以力拓E+钢材料制备的钩舌作为对比。
性能测试：
将实施例1至16制备的钩舌以及对比例1中的钩舌进行力学性能测试，测试方法如下：
屈服强度：采用GB/T228.1-2021进行测试；
抗拉强度：采用GB/T228.1-2021进行测试；
冲击功：采用GB/T229-2020进行测试；
伸长率：采用GB/T228.1-2021进行测试；
断面收缩率：采用GB/T228.1-2021进行测试。
结果如表6所示：
表6
本发明实施例1至16制备得到的钩舌平均屈服强度为870.7MPa、平均抗拉强度为982.9MPa，试样的冲击功最低值为70J(焦耳)，最高值达到为110J，平均值满足68J要求。
此外，以上实施例1-2、5-7、10-11中制备的钩舌，在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有更好的综合性能，其中实施例5和6中钩舌的综合表现最佳。
另外，对实施例5和对比例1中的钩舌进行晶粒度检测，其中实施例5中钩舌的金相组织照片见图1，对比例1中钩舌的金相组织照片见图2和图3。由图中可以看出，本发明相比于对比例1中的舌钩铸钢材料晶粒明显细化，对比例1图2所示晶粒度为-7.5级，图2中为-7.3级，本发明高强度，高塑韧性铸钢材料晶粒度达到-8.8级，可有效提高材料的强度和塑韧性，从而使得钩舌在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有如前文所示的优异表现。
另外，本发明实施例1至16制备得到的钩舌采用力拓疲劳试验载荷谱对新材料钩舌进行疲劳试验，疲劳寿命如表7所示。
表7
| 序号 | 对应实施例 | 制造顺序号 | 断裂部位 | 断裂次数 |
| 1 | 实施例1 | 0072 | 钩舌内腕 | 127305 |
| 2 | 实施例5 | 0051 | 上牵引台 | 153102 |
| 3 | 实施例6 | 0047 | 上牵引台 | 135265 |
| 4 | 实施例7 | 0022 | 上牵引台 | 120735 |
| 5 | 实施例8 | 0073 | 上牵引台 | 118643 |
采用力拓疲劳载荷谱对本发明典型实施例制备得到的钩舌开展疲劳试验，钩舌最低疲劳寿命为118643次，最高达到153102次，满足了钩舌疲劳寿命不低于10万次的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种钩舌的制备方法，包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，其特征在于，
所述冶炼步骤包括：
熔氧处理：将废钢进行熔化，并吹氧助熔，形成钢液；
精炼处理：将所述钢液采用偏心底出钢方式导入精炼包中进行精炼，期间将所述钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；在调整成分时，
通过铝线喂线的方式调整所述钢液中的铝元素含量，且在喂线过程中向所述钢液中进行吹氩操作以进行钢液搅动。
2.根据权利要求1所述的钩舌的制备方法，其特征在于，将所述钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.19～0.22％的C、0.23～0.38％的Si，0.87～1.05％的Mn，0.007～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.14％的Cr、0.96～1.05％的Ni，0.42～0.75％的Mo、0.023～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.047～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.048％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的钩舌的制备方法，其特征在于，将所述钢液的成分调整至按重量百分比计包括：0.20～0.22％的C、0.23～0.34％的Si，0.92～1.02％的Mn，0.009～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.09％的Cr、0.98～1.05％的Ni，0.43～0.75％的Mo、0.037～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.057～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.046％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的钩舌的制备方法，其特征在于，按重量百分含量计，所述钢液的成分调整至按重量百分比计包括：
0.20％的C、0.30％的Si，0.98％的Mn，0.011％的P、0.011％的S、1.05％的Cr、0.99％的Ni，0.47％的Mo、0.050％的Al、0.12％的Cu、0.065％的V、0.054％Nb，0.034％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；或者
0.20％的C、0.32％的Si，0.93％的Mn，0.009％的P、0.011％的S、1.07％的Cr、1.05％的Ni，0.52％的Mo、0.042％的Al、0.09％的Cu、0.065％的V、0.065％的Nb，0.041％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的钩舌的制备方法，其特征在于，所述熔氧处理过程中，将所述废钢熔化至熔清碳含量不低于0.5wt％后，向其中吹氧助熔，控制脱碳速率不高于0.03wt％/min，后得到温度1580～1600℃的所述钢液。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的钩舌的制备方法，其特征在于，所述精炼处理过程中，在进行所述吹氩操作时，控制氩气的吹入压力为0.1～0.3MPa，且通过所述钢液的底部吹入。
7.根据权利要求6所述的钩舌的制备方法，其特征在于，待所述铝线喂线结束后，继续所述吹氩操作3～5min，然后去除浮渣，得到待浇注钢液。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的钩舌的制备方法，其特征在于，在所述清理步骤之后，所述制备方法还包括热处理工序，所述热处理工序包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理；优选地，所述预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；所述调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷；更优选地，所述水冷过程采用水射流搅拌冷却，且所述水冷过程持续时间不低于5分钟，水温不高于35℃；在所述水冷步骤之后，所述热处理工序还包括回火步骤，其回火温度为630±10℃，回火时间为3～4小时。
9.根据权利要求8所述的钩舌的制备方法，其特征在于，所述水射流搅拌冷却过程在淬火水槽中进行，所述淬火水槽包括储水槽及设置在所述储水槽内并与所述储水槽的底部连通的淬火槽，所述淬火槽的槽底壁和槽侧壁均设置有多个射流喷嘴。
10.根据权利要求9所述的钩舌的制备方法，其特征在于，在所述水射流搅拌冷却过程中，控制淬火后钩舌在10～20s内入水，控制水泵压力为0.3～0.4MPa，喷水频率为40～50Hz。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的钩舌的制备方法，其特征在于，所述浇注过程包括依次进行的钩舌浇注和基尔试棒浇注，其中，
所述钩舌浇注时，在钩舌合箱前对砂型内浮砂进行吹扫；控制浇注温度不大于1585℃，浇注时调整钢液包铸口对正浇口杯，并控制所述钢液包距所述浇口杯高度为150～250mm；优选浇注时间35～40s，更优选浇注时钢液流速先增加后降低；
所述基尔试棒浇注时，浇注前将基尔试棒砂型在120～180℃烘干炉中烘烤0.5～1.5小时，取出后对砂型内浮砂进行吹扫；优选地，从所述烘干炉中取出到浇注基尔试棒时间≤1小时。
12.一种钩舌，其特征在于，所述钩舌采用权利要求1至11中任一项所述的制备方法制备得到。
13.一种轨道车辆，包括钩舌，其特征在于，所述钩舌为权利要求12所述的钩舌。
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