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CN110284063A - 一种寒带高速动车车轴钢及其制备方法 - Google Patents

一种寒带高速动车车轴钢及其制备方法 Download PDF

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CN110284063A CN201910631756.9A CN201910631756A CN110284063A CN 110284063 A CN110284063 A CN 110284063A CN 201910631756 A CN201910631756 A CN 201910631756A CN 110284063 A CN110284063 A CN 110284063A
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张刚
王军
李文双
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Xi Wang Metal Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种寒带高速动车车轴钢用钢热处理及其制备方法，钢牌号EA4T，包含：碳0.23～0.28％，硅0.17～0.37％，锰0.60～0.77％，铬0.95～1.20％，钼0.20～0.30％，钒0.02～0.04％，铜≤0.20％，镍0.10～0.25％,铝0.010～0.040％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，RE 0.01～0.05％。本发明依据钢的化学成分，计算出钢的相变转变温度AC1、AC3、Ms点，依据钢的相变转化温度，设计出9组车轴钢的热处理工艺，并最终优选出最佳热处理工艺，解决了寒带高速动车车轴钢低温‑40℃横向、纵向，缺口深度为5mm的冲击韧性≥30J的技术难题。

Description

一种寒带高速动车车轴钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢的制备领域，尤其涉及一种寒带高速动车车轴钢其制备方法，钢牌号EA4T的热处理及其制备方法。
背景技术
列车车轴，是列车运行十分重要的关键部件，直接决定列车的运行速度和运输安全。在高速行驶过程中，列车车轴承受车身自重的同时，还受到巨大的扭转。近年来，随着我国高速列车运行速度的大幅提升，对列车车轴的综合性能，提出了更高的要求，给列车车轴的生产提出了严峻挑战，尤其是寒带地区，气温≤-40℃的冲击韧性不足，使得列车在寒带地区的运行危险性增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中寒带地区，气温≤-40℃，车轴的综合运行安全状况，设计出适应寒带地区车轴的横向、纵向，缺口深度为5mm冲击韧性≥30J的车轴钢，本发明提供了种寒带高速动车车轴钢及其制备方法，本发明所述车轴钢的钢牌号为EA4T，通过重新优化成分配比、设计钢的热处理工艺，解决了低温-40℃横向、纵向，缺口深度为5mm冲击韧性≥30J的技术难题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种寒带高速动车车轴钢，包括按重量百分比计的如下组分：
碳0.23～0.28％，硅0.17～0.37％，锰0.60～0.77％，铬0.95～1.20％，钼0.20～0.30％，钒0.02～0.04％，铜≤0.20％，镍0.10～0.25％,铝0.010～0.040％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，RE 0.01～0.05％，其余为铁及不可避免的杂质。
优化的，上所述车轴钢包括按重量百分比计的如下组分：碳0.24～0.26％，硅0.22～0.26％，锰0.68～0.73％，铬1.08～1.12％，钼0.24～0.26％，钒0.02～0.04％，铜≤0.05％，镍0.16～0.18％铝0.018～0.29％，磷≤0.008％，硫≤0.001％，RE 0.01～0.05％，其余为铁及不可避免的杂质。
进一步的，上述不可避免的杂质中T[O]≤12ppm，[H]＜1ppm。
进一步的，上述车轴钢的硬化指数为10.2-12.8。
进一步的，上述车轴钢的AC1温度为739-741℃，AC3温度为827-829℃，Ms温度为377-409℃。
进一步的，上述车轴钢中夹杂物评级为其夹杂物评级为A粗系≤0.5,A细系≤0.5；B粗系≤0.5,B细系≤0.5；C粗系≤0.5,C细系≤0.5；D粗系≤0.5,D细系≤0.5；DS≤0.5。
作为本发明的另一个发明目的，上述一种寒带高速动车车轴钢的制备方法，包括如下步骤：
S1电炉钢水初炼，后进行LF精炼和VD真空炉脱气；
S2根据硬化指数计算公式，添加微合金元素V、Ni，添加微合金元素V、Ni后，硬化指数为10.2-12.8，与原钢种EA4T硬化指数为9.3-12.8比较，钢的基体组织没有改变。
具体的，钢的硬化指数的计算公式：
硬化指数：
S3根据钢的相变点计算公式，计算钢的AC1温度、AC3温度和Ms温度；
具体的，根据安德鲁斯(K.W.Andrews)计算公式，钢的相变点计算公式：
AC1＝723-10.7Mn％-16.9Ni％+29.1Si％+16.9Cr％+290As％+6.38W％(℃)
Ms＝539-423C％-30.4Mn％-17.7Ni％-12.1Cr％-7.5Mo％(℃)
S4热处理。
进一步的，上述钢水初炼过程中采用“泡沫渣”埋弧操作，采用新出钢口出钢，控制下渣量在0.5公斤/吨钢，确保钢水的终点C＞0.12％，终点P＜0.003％；
所述LF精炼过程选用低熔点、吸附能力强的精炼渣系，所配的精炼渣分布于Al脱氧的低熔点区，渣的熔点＜1400℃，确保钢中的溶解氧控制在3ppm以内，S≤0.002％；
所述VD真空精炼过程，通过负压下的钢渣充分混合，将钢中的H控制在1-1.5ppm。
进一步的，上述热处理工艺为880-900℃×3-4h正火；860-880℃×3-4.5h淬火,630-650℃×3-4h回火。
本发明的有益效果是：
(1)相比于传统的EA4T钢中V、Ni作为残余元素，本设计中添加了钒0.02～0.04％，镍0.10～0.25％；
微量合金元素钒的作用：在众多微合金化元素中，V具有最高的溶解度，是微合金钢中最常用也是最有效的强化元素之一，其在钢中的加入量一般在0.02～0.10％之间。V在钢中主要通过形成碳氮化物来影响钢的组织与性能。V(C，N)颗粒大部分在先共析铁素体内弥散析出，在珠光体内的铁素体区也有析出，因此析出相的沉淀强化作用可同时强化铁素体和珠光体。此外，在晶界处也会有V(C，N)颗粒析出，通过钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而细化铁素体晶粒，强度显著提高。
微量合金元素镍的作用：镍能强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度，不显著影响钢的塑性；另外镍的加入能降低钢的低温脆化转变温度。含镍3.5％的钢可在-100℃时使用，含镍9％的钢可在-196℃时使用，经过测算，当钢中加入0.1％的镍，可以将钢的低温脆化温度降低约10℃，目前的车轴钢已满足-20℃的冲击性能要求，设计成分时加入0.10-0.25，目标值选取0.20％，正满足-40℃的冲击性能要求。
(2)通过热处理工艺，车轴的组织为贝氏体+马氏体的回火组织，均匀细晶粒，抑制了车轴半径1/2处铁素体的析出，使车轴的组织均匀性得到了良好的控制，最终解决了低温-40℃横向、纵向，缺口深度为5mm的横、纵向冲击韧性≥30J的技术难题。
附图说明
图1为本发明实施例1中渣系分布图；
图2为本发明热处理第一组：900℃×3h正火；880℃×3h淬火,630℃×3h回火工艺所制作车轴的金相组织图，50％铁素体+贝氏体/马氏体；
图3为本发明热处理第七组：880℃×3.5h正火；880℃×3.5h淬火,650℃×3.5h回火工艺所制作车轴的金相组织图，15％铁素体+贝氏体/马氏体；
图4为本发明热处理第八组：880℃×4h正火；870℃×4h淬火,630℃×4h回火工艺所制作车轴的金相组织图，贝氏体+马氏体组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以便本领域技术人员可以更好的了解本发明，但并不因此限制本发明。
实施例1
一种寒带高速动车车轴钢，其具体包含以下成分：
碳0.24～0.26％，硅0.22～0.26％，锰0.68～0.73％，铬1.08～1.12％，钼0.24～0.26％，钒0.02～0.04％，铜≤0.05％，镍0.16～0.18％铝0.018～0.29％，磷≤0.008％，硫≤0.001％，T[O]≤12ppm，[H]＜1ppm。
上述车轴钢的制备方法如下：
S1，寒带高速动车车轴钢采用80吨超高功率电弧炉进行钢水的初炼，初炼过程中采用“泡沫渣”埋弧操作，采用新出钢口出钢，控制下渣量在0.5公斤/吨钢，确保钢水的终点C＞0.12％，终点P＜0.003％。
F精炼过程选用低熔点、吸附能力强的精炼渣系，具体的渣成分见表1，渣系分布图1；可以看出，所配的精炼渣分布于Al脱氧的低熔点区，渣的熔点＜1400℃，化渣速度快，并且渣中组员易于形成12CaO·7Al2O3,便于上浮吸收，确保钢中的溶解氧控制在3ppm以内，S≤0.002％。
表1精炼渣样成分
批号 SiO<sub>2</sub> CaO MgO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe MnO TiO<sub>2</sub> P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
E11901179 9.38 56.4 6.23 26.89 0.33 0.24 0.21 0
E11901219 7.87 56.73 5.47 28.88 0.36 0.12 0.19 0
E11901394 14.85 56.82 5.24 21.69 0.47 0.15 0.27 0
E11901427 11.14 56.34 5.92 25.25 0.58 0.16 0.25 0
E11901826 11.22 54.73 7.18 25.69 0.4 0.15 0.1 0.06
E11901838 9.05 58.08 6.2 25.25 0.6 0.15 0.09 0.04
VD真空精炼过程，通过负压下的钢渣充分混合，将钢中的H控制在1-1.5ppm。
通过精密的冶炼控制，得到寒带动车车轴钢的成分为：碳0.24～0.26％，硅0.22～0.26％，锰0.68～0.73％，铬1.08～1.12％，钼0.24～0.26％，钒0.02～0.04％，铜≤0.05％，镍0.16～0.18％铝0.018～0.29％，磷≤0.008％，硫≤0.001％，T[O]≤12ppm，[H]＜1ppm。
钢的夹杂物控制级别见表2，可以看出，通过选择和配制合理的讲练渣系，钢中的夹杂物均稳定控制在0.5级以内，证明钢的纯净度良好。
表2寒带动车车轴钢夹杂物实测值
S2，根据硬化指数计算公式，添加微合金元素V、Ni后，硬化指数为10.2-12.8，与原钢种EA4T硬化指数为9.3-12.8比较，钢的基体组织没有改变。
具体的，钢的硬化指数的计算公式：
硬化指数：
计算出所设计的钢与原始钢的集体组织没有改变，均为珠光体钢，适用于正回火处理，基体的硬化指数计算值见表3。
表3钢的硬化指数
S3，根据钢的相变点计算公式，钢的AC1温度739-741℃，钢的AC3温度827-829℃，钢的Ms温度377-409℃。
具体的，根据安德鲁斯(K.W.Andrews)计算公式，钢的相变点计算公式：
AC1＝723-10.7Mn％-16.9Ni％+29.1Si％+16.9Cr％+290As％+6.38W％(℃)
Ms＝539-423C％-30.4Mn％-17.7Ni％-12.1Cr％-7.5Mo％(℃)
计算出所设计的钢的相变点，见表4。
表4钢的相变点
S4、根据正交试验，见表4，设计出九组热处理试验方案：第一组：900℃×3h正火；880℃×3h淬火,630℃×3h回火；第二组：900℃×3.5h正火；870℃×3.5h淬火,640℃×3.5h回火；第三组：900℃×4h正火；860℃×45h淬火,650℃×4h回火；第四组：890℃×4h正火；880℃×4h淬火,640℃×4h回火；第五组：890℃×3h正火；870℃×3h淬火,650℃×3h回火；第六组：890℃×3.5h正火；860℃×3.5h淬火,630℃×3.5h回火；第七组：880℃×3.5h正火；880℃×3.5h淬火,650℃×3.5h回火；第八组：880℃×4h正火；870℃×4h淬火,630℃×4h回火；第九组：880℃×3h正火；860℃×3h淬火,640℃×3h回火。
表4正交试验设计方案
对寒带高速动车车轴，进行力学性能取样检测。具体的检测结果见表5。可以看出第八组热处理后的试验效果最优，并解决了车轴-40℃横向、纵向，缺口深度为5mm冲击韧性≥30J的难题。
表5热处理对应的性能实测值
对第八组热处理后的金相组织金相观察，见图3，可以看出组织为贝氏体+马氏体的回火组织，车轴的半径1/2未发现铁素体组织。

Claims (9)

1.一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于，所述车轴钢包括按重量百分比计的如下组分：
碳0.23～0.28％，硅0.17～0.37％，锰0.60～0.77％，铬0.95～1.20％，钼0.20～0.30％，钒0.02～0.04％，铜≤0.20％，镍0.10～0.25％,铝0.010～0.040％，磷≤0.015％，硫≤0.010％，RE0.01～0.05％，其余为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于：所述车轴钢包括按重量百分比计的如下组分：碳0.24～0.26％，硅0.22～0.26％，锰0.68～0.73％，铬1.08～1.12％，钼0.24～0.26％，钒0.02～0.04％，铜≤0.05％，镍0.16～0.18％铝0.018～0.29％，磷≤0.008％，硫≤0.001％，RE0.01～0.05％，其余为铁及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于：所述不可避免的杂质中T[O]≤12ppm，[H]＜1ppm。
4.根据权利要求1所述的一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于：所述车轴钢的硬化指数为10.2-12.8。
5.根据权利要求1所述的一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于：所述车轴钢的AC1温度为739-741℃，AC3温度为827-829℃，Ms温度为377-409℃。
6.根据权利要求1所述的一种寒带高速动车车轴钢，其特征在于：所述车轴钢中夹杂物评级为其夹杂物评级为A粗系≤0.5,A细系≤0.5；B粗系≤0.5,B细系≤0.5；C粗系≤0.5,C细系≤0.5；D粗系≤0.5,D细系≤0.5；DS≤0.5。
7.根据权利要求1或2所述的一种寒带高速动车车轴钢的制备方法，包括如下步骤：
S1电炉钢水初炼，后进行LF精炼和VD真空炉脱气；
S2根据硬化指数计算公式，添加微合金元素V、Ni；
S3根据钢的相变点计算公式，计算钢的AC1温度、AC3温度和Ms温度；
S4热处理。
8.根据权利要求7所述的一种寒带高速动车车轴钢的制备方法：其特征在于：所述钢水初炼过程中采用“泡沫渣”埋弧操作，采用新出钢口出钢，控制下渣量在0.5公斤/吨钢，确保钢水的终点C＞0.12％，终点P＜0.003％；
所述LF精炼过程精炼渣分布于Al脱氧的低熔点区，渣的熔点＜1400℃，确保钢中的溶解氧控制在3ppm以内，S≤0.002％；
所述VD真空精炼过程，通过负压下的钢渣充分混合，将钢中的H控制在1-1.5ppm。
9.根据权利要求7所述的一种寒带高速动车车轴钢的制备方法：其特征在于：所述热处理工艺为880-900℃×3-4h正火；860-880℃×3-4.5h淬火,630-650℃×3-4h回火。
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