CN101864539A - 一种耐大气腐蚀的高速列车用弹簧钢及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金钢领域，特别提供了一种优异耐大气腐蚀性能的高速列车用弹簧钢的成分设计和热处理工艺。所述弹簧钢的化学成分(重量百分比)为C：0.47％～0.55％，Si：≤0.40％，Mn：0.70～1.10％，Cr：0.90～1.20％，V：0.10～0.25％，Cu：0.15～0.25％，Al：≤0.030％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，O：≤0.005％，N：≤0.010％，Fe：其余。其热处理工艺为：850～900℃/油淬+460～480℃/保温30～60分钟/回火。采用本发明生产的高速列车用钢弹簧除了具备高的屈服强度(≥1400MPa)、抗拉强度(≥1500MPa)、延伸率(≥9.5％)和高的室温冲击功(≥20J)，良好的疲劳性能等，还具有优异的耐大气腐蚀性能。

Description

一种耐大气腐蚀的高速列车用弹簧钢及热处理工艺

技术领域：

本发明属于合金钢领域，特别提供了一种优异耐大气腐蚀性能的高速列车用弹簧钢的成分设计和热处理工艺。

技术背景：

为了满足国内日益增长的快速铁路客运服务需要，全面实现铁路装备现代化和装备制造业现代化和中国铁路跨越式发展，我国全面引进了国外高速铁路动车组相关设计和制造技术，时速200km及以上的动车组首次于2007年4月18日在全国铁路第六次大面积提速之后开始运行。

转向架是铁路列车实现高速的关键部件之一，是高速列车的关键构件，在动车组运行中起着承载、牵引、缓冲、转向和制动等作用，转向架技术是动车组的关键技术之一。而高速列车用弹簧钢是一种用于制造高速列车转向架用钢弹簧的关键材料，是承载车厢的安全器件，其服役性能对高速列车安全运行非常重要。目前我国新造铁路车辆车体全部采用耐候钢，采用耐候钢配合其它措施会使货车厂修期延长2年以上，耐候钢耐蚀性能比热镀锌零件寿命延长50％以上。而且我国西南部酸雨及全国范围内大气污染问题已威胁到了零部件使用寿命。据车辆企业统计，目前钢弹簧因腐蚀引起的破坏占其破坏总数的20％以上。因此，提高弹簧钢材料的耐大气腐蚀性能，对于提高弹簧寿命和使用安全性具有非常重要的意义。对于高速列车的安全而言，弹簧疲劳破坏脆断造成的事故危害很大。Al₂O₃等脆性夹杂物对弹簧的疲劳性能非常有害，因此弹簧钢材料必须严格控制Al以及杂质元素等含量，以避免弹簧脆断造成事故。

在高速列车用钢弹簧的生产过程中，热处理工艺，主要是淬火和回火温度以及保温时间等关键工艺参数对钢弹簧的性能影响很大，回火温度波动10℃会造成洛氏硬度波动1HRC，对拉伸性能、冲击性能也会产生影响。因此，优化钢弹簧材料成分设计，选用合适的淬火处理温度、回火工艺温度以及保温时间，对高速列车钢弹簧的生产具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供了一种优异耐大气腐蚀性能的高速列车用弹簧钢的成分设计和热处理工艺。采用本发明生产的高速列车用钢弹簧除了具备高的屈服强度(≥1400MPa)、抗拉强度(≥1500MPa)、延伸率(≥9.5％)和高的室温冲击功(≥20J)，良好的疲劳性能等，还具有优异的耐大气腐蚀性能。

本发明的技术方案是：

一种高速列车用弹簧钢的成分设计，在常规弹簧钢主合金元素C、Mn、Cr、V等的基础上，加入0.15～0.25％的Cu，以获得优异的耐大气腐蚀性能；同时严格控制Al、S、P、O、N等含量，以保证弹簧的优良疲劳性能。按重量百分比计，本发明的化学成分范围为：

C：0.47％～0.55％，Si：≤0.40％，Mn：0.70～1.10％，Cr：0.90～1.20％，V：0.10～0.25％，Cu：0.15～0.25％，Al：≤0.030％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，O：≤0.005％，N：≤0.010％，Fe：其余。

在本发明上述弹簧钢的化学成分范围内，热处理工艺主要特点为：

(1)淬火温度850～900℃，淬火方式为油淬；

(2)回火温度460～480℃，保温时间30～60分钟，随后空冷或水冷。

除了上述的关键工艺参数外，其他工艺参数为铁路列车用钢弹簧的常规工艺技术。

本发明的有益效果是：

采用这种设计的化学成分和热处理工艺，可以生产出优良综合力学性能、良好疲劳性能、优异耐大气腐蚀性能的高速列车用钢弹簧，对于提高我国高速列车用钢弹簧的寿命和使用安全性具有重要意义。

附图说明：

图1为本发明高速列车用钢弹簧材料的截面硬度分布与回火温度关系图。其中，(a)实施例1；(b)实施例2。

图2为本发明高速列车用钢弹簧材料和对比材料周期浸润腐蚀实验的扫描电镜形貌。其中，(a)实施例1；(b)实施例2；(c)对比材料。

图3为本发明高速列车用钢弹簧材料周期浸润腐蚀实验腐蚀产物的扫描电镜能谱分析结果。

图4为本发明高速列车用钢弹簧材料和对比材料模拟酸雨干湿交替腐蚀实验的扫描电镜形貌。其中，(a)实施例1；(b)对比材料。

图5为本发明高速列车用钢弹簧材料模拟酸雨干湿交替腐蚀实验腐蚀产物的扫描电镜能谱分析结果。

具体实施方式：

实施例：

实施例1、实施例2和对比材料的化学成分如表1所示，其常规熔炼和轧制过程如下：

铁水预处理→电炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→连轧成方坯→缓冷→加热炉加热→轧制成圆棒料→冷却→矫直→磨光。

实施例1和实施例2采用850℃/油淬+460～480℃/保温30分钟/回火/空冷后的硬度分布如图1所示，结果表明，实施例的表面附近硬度为45～51HRC，且心部与表面硬度差不大于3HRC。

实施例1和实施例2经850℃/油淬+460～480℃/保温30分钟/回火/空冷后的室温拉伸和冲击性能的平均值见表2，可以看出，实施例具有高的屈服强度(≥1400MPa)、抗拉强度(≥1500MPa)、延伸率(≥9.5％)和高的室温冲击功(≥20J)。

表1实施例和对比材料的化学成分(重量百分比)

表2实施例的室温拉伸性能和冲击性能

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	面缩率(％)	冲击功(J)
						实施例1	1420～1480	1500～1590	11.5～12.5	47.5～50.5	32～42
实施例2	1520～1620	1600～1700	9.5～12.0	44.0～51.0	21～24

注：室温冲击样品尺寸为10mm×10mm×55mm，U型缺口。

采用本发明实施例1和实施例2的化学成分以及热处理工艺生产的高速列车用钢弹簧疲劳性能良好，通过了200万次疲劳试验。根据GB 10561-2005和DIN 50602：1985夹杂物评级标准，其夹杂物评级结果如表3所示。结果表明，其夹杂物等级均很小；夹杂物主要为硫化物夹杂。

表3实施例的夹杂物等级评定结果

将实施例1、实施例2和对比材料进行850℃油淬+475℃/30分钟/回火/空冷热处理。参考TB/T 2375-93，线切割取样并在磨床上将表面磨光，加工成表面粗糙度满足实验要求，尺寸为30mm×20mm×2.5mm的试样。进行周期浸润腐蚀实验，实验条件如下：

温度45±2℃，循环周期60±3分钟，浸渍时间6分钟，润湿时间6分钟，烘烤后表面最高温度70±10℃。浸润介质采用NaHSO₃溶液，初始浓度为0.01mol/l，补给液浓度为0.02mol/l，连续实验100小时。每组材料均准备了6个样品，其中5个样品用来计算腐蚀失重率，另外1个样品用于腐蚀形貌的观察。

实验结果表明，实施例1、实施例2和对比材料的腐蚀速率分别为1.91g/(m²·h)、1.73g/(m²·h)和1.99g/(m²·h)，实施例1和实施例2的腐蚀速率均低于对比材料。

利用扫描电镜对实施例1、实施例2和对比材料的腐蚀形貌进行了观察，如图2所示，结果表明，对比材料的腐蚀较严重，实施例1和实施例2的腐蚀较轻。扫描电镜能谱分析结果表明，见图3，腐蚀产物主要为Fe、Cr、V的氧化物和硫化物。

另外，选用经850℃油淬+475℃/30分钟/回火/空冷热处理的实施例1和对比材料，进行了模拟酸雨干湿交替实验，样品的加工流程和尺寸等与上述周期浸润腐蚀实验样品相同，实验条件如下：

浸渍(40℃/2分钟)→湿润(40℃/2分钟)→干燥(50℃/11分钟)→循环；浸渍介质：0.005mol/l NaHSO₃+0.005mol/l(NH₄)₂SO₄+0.001mol/l H₂SO₄溶液；连续实验72小时。每组材料均准备6个样品，其中5个样品用来计算腐蚀速率，另1个样品用于腐蚀形貌的观察。

实验测得实施例1的平均腐蚀速率为2.82g/(m²·h)，对比材料的平均腐蚀速率为3.13g/(m²·h)，即实施例1在模拟酸雨环境下的腐蚀速率比对比材料低10％左右，表明其具有相对优异的耐大气腐蚀能力。

利用扫描电镜对实施例1和对比材料的腐蚀形貌进行观察，见图4，结果表明，对比材料的腐蚀比实施例1的腐蚀明显严重。扫描电镜能谱分析见图5，结果表明，腐蚀产物主要为Fe、Cr的氧化物和硫化物。

Claims (2)

1.一种耐大气腐蚀的高速列车用弹簧钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分范围如下：

C：0.47％～0.55％，Si：≤0.40％，Mn：0.70～1.10％，Cr：0.90～1.20％，V：0.10～0.25％，Cu：0.15～0.25％，Al：≤0.030％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，O：≤0.005％，N：≤0.010％，Fe：其余。

2.一种如权利要求1所述的耐大气腐蚀的高速列车用弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，热处理工艺如下：

(1)淬火温度850～900℃，淬火方式为油淬；

(2)回火温度460～480℃，保温时间30～60分钟，随后空冷或水冷。

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