一種含鈮釩高速列車車軸用鋼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種含鈮釩高速列車車軸用鋼，其化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（wt％）為：C：0.25~0.32，Si：0.15~0.40，Mn：0.60~0.90，P：≤0.015，S：≤0.010，Cr：1.00~1.20，Mo：0.20~0.35，Ni：0.15~0.30，V：0.02~0.04，Nb：0.015~0.040，Cu：0.10~0.30，B：0.0008~0.0050，Als：0.010~0.050；采用上述成分制備的車軸熱處理后，晶粒度大于等于8.5級，組織為回火索氏體+貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量約在70~90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在40~60%。
【專利說明】一種含鈮釩高速列車車軸用鋼

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車軸鋼領(lǐng)域，尤其涉及高速列車車軸用合金結(jié)構(gòu)鋼及其熱處理工藝技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 車軸是車輛行走部分的關(guān)鍵零件，承受著車輛的自重和負(fù)荷，在車輛運(yùn)行和停車 時(shí)還承受沖擊力和制動力，在高速和重載的狀態(tài)下受力情況就更為復(fù)雜，是鐵路建設(shè)的三 大關(guān)鍵零件(重軌、車軸和車輪）之一，火車軸屬于超大型軸對稱階梯狀軸類零件，其最大直 徑為200mm左右，長度達(dá)2200mm左右。
[0003] 隨著我國高速鐵路的投入運(yùn)行，火車速度進(jìn)一步提高，作為鐵路列車關(guān)鍵部件之 一的高速車軸是鐵路列車重要的走行部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到高速鐵路運(yùn)行安全。高速列 車車軸要保證在所規(guī)定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長使用壽命，這就對車 軸材料相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。高速列車車軸承受著源自車體及軌道的各種載荷，其 中主要是旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在這些失效形式中，裂紋引起的失效占全 部失效車軸的90%以上，裂紋引起的車軸失效形式最終表現(xiàn)為疲勞斷裂，疲勞斷裂是一個(gè) 裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂的過程，其疲勞破壞直接危及運(yùn)輸安全。因此，對車軸鋼材而言，主 要是保證其良好的強(qiáng)度(特別是彎扭復(fù)合疲勞強(qiáng)度)及韌性。影響鋼材疲勞性能的因素主要 有：鋼的潔凈度、鋼的成分和組織、鋼的表面狀態(tài)及尺寸效應(yīng)、鋼的耐腐蝕性等。
[0004] 世界各鐵路發(fā)達(dá)國家都非常重視高速車軸的研究工作，從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處 理和運(yùn)用維護(hù)等方面不斷改善。由于各國的國情和技術(shù)觀點(diǎn)不同，選用的車軸材料也不相 同。目前，國內(nèi)外高速車軸用鋼大致可分為3類：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、中合金結(jié)構(gòu)鋼、高合金結(jié) 構(gòu)鋼。
[0005] (1)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。日本采用普通碳素鋼（S38C)加表面中頻淬火熱處理工藝， 相比歐洲采用合金鋼加調(diào)質(zhì)處理熱處理工藝而言，日本高速車軸原材料成本低,但熱處理 工藝復(fù)雜，熱處理工藝參數(shù)控制精度要求高。
[0006] (2)中合金結(jié)構(gòu)鋼。歐洲高速車軸材料大多采用中合金結(jié)構(gòu)鋼（如EA4T)，通過采用 強(qiáng)化處理方法來提高車軸的強(qiáng)韌性指標(biāo)，熱處理工藝簡單。但EA4T鋼只含CrO. 9(Tl. 20%、 MoO. 15、. 30%，鋼的淬透性不是太好，對于大截面車軸來說，存在淬不透的問題，導(dǎo)致車軸 截面顯微組織和性能不均勻，影響了高速車軸的整體性能指標(biāo)。中國專利201210555924. 9 提供了一種車軸鋼，其成分為 C :0· 38?44, Si :0· 17?(λ 37，Μη :0· 6(Πλ 80，Ρ :彡 0· 015, S : ^ 0. 010, Cr ：0. 90^1. 20, Mo ：0. 15^0. 30, Ni ：0. 10^0. 25, V ：0. 07^0. 2, Cu ：0. 08^0. 2, Als ： 0. 02~0. 05。采用該專利生產(chǎn)的大截面車軸來也存在淬不透的問題。
[0007] (3)高合金結(jié)構(gòu)鋼。部分歐洲高速車軸材料選用30NiCrMoV12等高合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼 中含 CrO. 6(Tl. 00%、Ni2. 70?3. 30%、M〇0. 4(T〇. 60%、V0. 08?0. 13%，該類鋼種有很多優(yōu)點(diǎn)諸如 淬透性好、可油淬、變形小、硬度高、屈強(qiáng)比高、耐腐蝕性能好等等，但是造價(jià)比較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種含鈮釩高速列車車軸用鋼并利用微 量V、Nb、B及少量Ni、Cu復(fù)合合金化原理，結(jié)合對熱處理工藝優(yōu)化，在少量增加成本的前提 下，顯著提高高速列車車軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗疲勞性和低溫韌性，進(jìn)而顯著提高 高速列車車軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速列車車軸用鋼的生產(chǎn)工藝更加簡易、 高效,從而生產(chǎn)出低成本高性能的高速列車車軸用鋼。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種含鈮釩高速列車車軸用鋼，其化學(xué)成分 的質(zhì)量百分比（界七％)為：(：：0.25?0.32,31:0.15?0.40，]\111 :0.60?0.90，？：彡0.015,3: ^ 0. 010, Cr ：1. 00^1. 20, Mo ：0. 20^0. 35, Ni ：0. 15^0. 30, V ：0. 02^0. 04, Nb ：0. 015^0. 040, Cu :0. 1(Γ〇. 30, B :0. 0008?0. 0050, Als :0. 01(Γ〇. 050,其余為鐵和殘余的微量雜質(zhì)；采用上 述成分制備的車軸熱處理后，晶粒度大于等于8. 5級，組織為回火索氏體+貝氏體，其中，車 軸近表面回火索氏體含量約在7(Γ90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在4(Γ60%。
[0010] 本發(fā)明鋼以多元少量的合金化原則進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)。
[0011] (1)碳：C是主要強(qiáng)化元素，對鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性有很大影響，C過高會引起鋼 的塑性和韌性的降低。為保證鋼的塑性和韌性，C含量應(yīng)適當(dāng)降低，損失的強(qiáng)度則由其它合 金元素和微合金元素來彌補(bǔ)。綜合考慮，高速車軸鋼的C含量范圍應(yīng)在0. 259Γ0. 32%為宜。
[0012] (2)硅：Si是固溶強(qiáng)化作用最明顯的元素，同時(shí)也是對韌性損失最大的元素。車軸 鋼強(qiáng)度水平要求不是太高，從綜合性能考慮，不采用Si作為主要強(qiáng)化元素，因此Si含量控 制在一般較低的水平，以不超過〇. 4%為宜，范圍考慮在0. 159ΓΟ. 40%。
[0013] (3)錳：Mn主要起固溶強(qiáng)化作用。與Si不同的是Mn在1.0%含量以內(nèi)，其對韌性 并無損害，但隨著Mn含量的進(jìn)一步增加，鋼的韌性逐漸降低。因此高速車軸鋼設(shè)計(jì)Mn含量 以不超過1. 0%為宜，范圍可控制在0. 609Γ0. 90%。
[0014] (4)鉻：Cr能夠增加鋼的淬透性，促使淬火及回火后工件整個(gè)截面上獲得較均勻 的組織。范圍可控制在0. 909Γ1. 20%。
[0015] (5)鑰：Mo能夠顯著的提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性；同時(shí)，Mo能使鋼 的晶粒細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)韌性，但Mo的成本較高。綜合考慮，范圍可控制在0. 159ΓΟ. 30%。
[0016] (6)鎳：Ni具有細(xì)化鋼的組織、改善鋼的低溫性能的作用，并具有固溶強(qiáng)化、提高 淬透性作用，但其價(jià)格昂貴。綜合考慮，范圍可控制在0. 15、. 30%。
[0017] (7)銅：Cu在固溶強(qiáng)化、提高淬透性方面與Ni相似；同時(shí)，在鋼中加入銅還可提高 鋼的抗疲勞性能，因?yàn)榧?xì)小的Cu沉淀阻滯了疲勞的初期階段脈狀結(jié)構(gòu)的形成，并且銅析 出物具有良好的塑性，可阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而提高鋼的疲勞強(qiáng)度；另外，Cu還有一定 的提高鋼耐蝕性作用，鋼中加入〇. l%Cu即可顯著提高其耐蝕性。但Cu含量過高，鋼在加熱 軋制或鍛造過程中容易引起熱脆。綜合考慮，范圍可控制在〇. 15、. 30%。
[0018] (8)鈮：Nb對車軸鋼的強(qiáng)韌化效果主要表現(xiàn)為晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化。Nb 在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，對位錯攀移產(chǎn)生 強(qiáng)烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，對再結(jié)晶具有強(qiáng)烈的阻止作用，提高了奧氏體的 再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的，晶粒細(xì)化不僅能提高鋼材的強(qiáng)韌性，而且改 善鋼材的低溫性能。但其價(jià)格昂貴。綜合考慮，Nb的范圍可控制在0.0159Π ). 040%。
[0019] (9)釩：V是強(qiáng)的碳氮化物形成元素之一。添加微量V即可產(chǎn)生顯著的沉淀強(qiáng)化作 用，同時(shí)由于其特有的細(xì)化晶粒作用，可以使鋼保持細(xì)晶粒組織，從而彌補(bǔ)了由于沉淀強(qiáng)化 帶來的塑性和韌性的損失，可以保證鋼具有良好的綜合力學(xué)性能；同時(shí)，V可提高鋼的回火 穩(wěn)定性，同時(shí)改善鋼的沖擊韌性及回火脆性。但其價(jià)格昂貴。綜合考慮，V的范圍可控制在 0. 029Γ0. 04%。
[0020] (10)硼：當(dāng)鋼中含有微量的（0. 0008~0. 005%)硼時(shí)，鋼的淬透性可以顯著提高， 對于C含量為0. 25、. 32%的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，加硼后其最大淬透直徑可提高50%以上。對 于大截面中合金車軸用結(jié)構(gòu)鋼，存在淬不透的問題，導(dǎo)致車軸截面顯微組織和性能不均勻， 影響了高速車軸的整體性能指標(biāo)，因此需要通過硼合金化來進(jìn)一步提高其淬透性。同時(shí)，硼 合金化成本低，且硼對鋼的淬裂敏感性影響很小。
[0021] 本發(fā)明含鈮釩高速列車車軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉一LF爐精 煉一RH或VD真空脫氣一連鑄一鑄坯加熱爐加熱一車軸坯軋制一車軸坯鍛造一毛坯車軸粗 車一車軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車軸外圓精車加工一車軸內(nèi)孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0022] 本發(fā)明關(guān)鍵的熱處理工藝步驟如下： (1)正火：將最大直徑為200mm左右、長度達(dá)2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸以 5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T950°C保溫，保溫時(shí)間按1. 2?I. 7min/mm計(jì)算，隨后空冷。經(jīng) 正火后不僅細(xì)化了晶粒，而且改善了組織的不均勻性，為隨后的最終熱處理做好組織準(zhǔn) 備。
[0023] (2)淬火：將最大直徑為200mm左右、長度達(dá)2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸 以5(Tl00°C /h的速度加熱至88(T930°C保溫，保溫時(shí)間按1. 5?2. Omin/mm計(jì)算，隨后進(jìn)行 水冷至室溫。
[0024] (3)回火：將最大直徑為200mm左右、長度達(dá)2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸 以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫，保溫時(shí)間按2?2. 5min/mm計(jì)算，隨后空冷 至室溫。經(jīng)過回火，可獲得均勻細(xì)密回火索氏體+下貝氏體的金相組織，從而可獲得良好的 韌塑性及合適的強(qiáng)度指標(biāo)。
[0025] 采用本發(fā)明的化學(xué)成分、工藝流程和熱處理工藝工藝參數(shù)生產(chǎn)的含鈮釩高速列 車車軸用鋼，測定鋼材的縱向力學(xué)性能可達(dá)到=R pa2彡576MPa，Rm彡729MPa，A彡21%， Z彡68%，-40°C縱向沖擊吸收功Kv2彡185J，表面光滑試樣的疲勞極限Rfl彡368MPa，表面 帶有缺口試樣的疲勞極限R fE彡296MPa，Ra/RfE彡1. 24。車軸鋼材的晶粒度大于等于8. 5 級。高速列車車軸"正火+淬火+高溫回火"熱處理后鋼的組織為回火索氏體+貝氏體，其 中，車軸近表面回火索氏體含量約在7(Γ90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在4(Γ60%。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：通過采用微量V、Nb、B及少量Ni、Cu復(fù)合合金化 原理，結(jié)合對熱處理工藝優(yōu)化，用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化機(jī)制，得到具有均勻細(xì)密 索氏體+下貝氏體金相組織的高速車軸鋼組織狀態(tài)，開發(fā)出了屈服強(qiáng)度為450MPa級的高速 車軸鋼，在少量增加成本的前提下，顯著提高了高速列車車軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗 疲勞性和低溫韌性，進(jìn)而顯著提高了高速列車車軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速 列車車軸用鋼的生產(chǎn)工藝更加簡易、高效，從而生產(chǎn)出了低成本高性能的高速列車車軸用 鋼。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下的實(shí)施例用于闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí)施例。
[0028] 本發(fā)明含鈮釩高速列車車軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉一LF爐精 煉一RH或VD真空脫氣一連鑄一鑄坯加熱爐加熱一車軸坯軋制一車軸坯鍛造一毛坯車軸粗 車一車軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車軸外圓精車加工一車軸內(nèi)孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0029] 本發(fā)明含鈮釩高速列車車軸用鋼的熔煉化學(xué)成分、主要熱處理工藝參數(shù)與性能的 實(shí)施例如下： 熱處理工藝步驟及參數(shù)為： (1)正火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至900-950°C保溫，保溫時(shí)間240-340min，隨后空 冷至室溫。
[0030] (2)淬火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至880-930°C保溫，保溫時(shí)間300-400min，隨 后水冷至室溫。
[0031] (3)回火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至620-680°C，保溫時(shí)間400-500min，隨后空 冷至室溫。
[0032] 最大直徑為Φ200·ι、長度達(dá)2200mm高速列車車軸的熔煉化學(xué)成分質(zhì)量百分比 (wt % )見表1，高速列車車軸經(jīng)過以上熱處理后的性能指標(biāo)見表2。
[0033] 表1高速列車車軸鋼的熔煉化學(xué)成分質(zhì)量百分比（wt % ) 〇 c S1 Mo. P S Cr Mo Ni Cu B V 級' ""O""01""?β""OOO""?〇0""Γ?O""〇1 OJ""〇04?〇""OM~~0.04 見 9 9 2fi IlOfil 8 2 5 7 S -02OJ""07~~OJO""oioU"""02""02~~〇1""0003?〇""002""0.02 見 6 6 9 7 3 9 7 1 9 7 43 5 注 "Τ~~〇1 ~~ο~~Ε?~~〇〇〇~~Eoo~~Γο~~〇1 ~~〇3~~ai~~?ο?ο~~Eo~~ioi~~〇'〇3 見 1 7 6 4 5 3 3 0 8 9 2 9 3 S ~~~~OJ~~02~~OJ~~OJl~~Eoi~~?Λ~~OJ""OJ~~OJ""0002~~0^0~~0J3~~?〇?~~W ? 6 4 2 4 2 4 5 1 0 3 沴 7 注 注：其余為鐵和殘余的微簠雜質(zhì)。_ 表2高速列車車軸熱處理后性能指標(biāo) 序丨屈fli強(qiáng)度I抗拉強(qiáng)度I斷后伸長率I斷面收縮率I 縱向沖擊功KV2ZJ 號 Rij0aMPa EwZMPa PJ% ZJ% (深度 ^ranV 型缺口) ~1 576 736 21 61 ?85 M 752 23 70 214 "I W 744 21 BP ?Μ ~1 60S 72P S 70 2?Ι 續(xù)表2高速列車車軸熱處理后性能指標(biāo)

【權(quán)利要求】
1. 一種含鈮釩高速列車車軸用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（Wt%)為： C :0· 25?0· 32, Si :0· 15?0· 40, Μη :0· 6(Γ〇· 90, P :彡 0· 015, S :彡 0· 010, Cr :1· 00?1· 20， Mo :0· 20?0· 35, Ni :0· 15?0· 30, V :0· 02?0· 04, Nb :0· 015?0· 040, Cu :0· 1(Γ〇· 30, Β : 0.0008?0. 0050, Als :0. 01(Γ〇. 050,其余為鐵和殘余的微量雜質(zhì)；采用上述成分制備的車 軸熱處理后，晶粒度大于等于8. 5級，組織為回火索氏體+貝氏體，其中，車軸近表面回火索 氏體含量約在7(Γ90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在4(Γ60%。
2. 如權(quán)利要求1所述的含鈮釩高速列車車軸用鋼，其特征在于，采用上述成分制備的 車軸力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度Rp〇. 2彡576MPa，抗拉強(qiáng)度Rm彡729MPa，延伸率Α彡21%，斷面收 縮率Z彡68%，-40°C縱向沖擊吸收功KV 2彡185J，表面光滑試樣的疲勞極限心彡368MPa， 表面帶有缺口試樣的疲勞極限RfE彡296MPa，R a/RfE彡1. 24。
【文檔編號】C21D1/28GK104264066SQ201410532097
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】孫維, 汪開忠, 高海潮, 杜松林, 于文壇, 許興, 謝世紅 申請人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司