CN114086062B

CN114086062B - 一种高铁车轴用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN114086062B
Application number: CN202111267330.3A
Authority: CN
Inventors: 左辉; 郑力宁; 张洪才; 林鹏; 韩翔宇; 吕亮; 石可伟
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN114086062A

Abstract

本发明公开了一种高铁车轴用钢及其制备方法，化学成分质量百分比为：C：0.25%‑0.27%、Si：0.30%‑0.37%、Mn：0.66%‑0.74%、Cr：1.05%‑1.15%、Ni：0.35%‑0.45%、Mo：0.20%‑0.24%、V：0.035%‑0.055%、Al：0.020%‑0.035%；Cu：0.31%‑0.35%、P≤0.018%，S≤0.010%，余量为Fe。本发明从材质上提高高铁车轴的强韧性、耐候性，同时通过轧后控冷的免去正火处理的过程，减少能源消耗和环境污染，提高生产效率，降低生产成本。本发明的生产方法，生产出高铁车轴用钢组织更均匀，性能更稳定。

Description

一种高铁车轴用钢及其生产方法

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的特种合金钢，具体涉及一种高铁车轴用钢及其生产方法。

背景技术：

高铁是设计标准高、能让列车高速运行的铁路系统。高铁是现代立体交通体系中不可或缺的一部分，尤其适用于国土面积大，人口分布广的国家和地区。目前我国拥有高铁里程近40000km，超过世界高铁总里程的60%。我国高铁从无到有经历了整车进口、合作生产、零部件国产化、系统集成取得整车知识产权四个阶段的发展。2002年，在现有电力机车的基础上自主研发了最高时速321.5km/h的“中华之星”电力动车组；2004年至2005年，研发了时速200~250km/h的CRH动车组；2008年国铁集团（原铁道部）与科技部签署计划，共同研发时速380km/h的新一代高速列车，2008年8月1日，中国第一条具有完全自主知识产权、世界水平的时速350km高速铁路京津城际铁路通车运营；2012年由中国铁路总公司主导，铁道科学院技术牵头，中车所属企业设计制造，开展了中国标准动车组设计研制工作，2017年6月25日，中国标准动车组被正式命名为“复兴号”。虽然我国高铁技术已经达到世界领先水平，但是限于基础材料的发展，高铁机车轮轴、轴承等重要零部件钢材依然依赖进口，如何攻克相关材料技术，实现高铁轮轴、轴承完全国产化已迫在眉睫。

欧标EN13261《铁路应用-轮对和转向架-车轴-产品要求》中对高铁车轴材质EA4T规定如下：C：0.22%-0.29%、Si：0.15%-0.40%、Mn：0.50%-0.80%、Cr：0.90%-1.20%、Mo：0.15%-0.30%、P≤0.020%、S≤0.015%、Cu≤0.30%、Ni≤0.30%、V≤0.06%；Rel≥420MPa、Rm：650MPa-800MPa、A5≥18%、KU2（纵向）≥50J、KU2（横向）≥25J。随着高铁不断提速，目前铁路机车对车轴的性能和使用寿命要求越来越高，提升的关键还在高铁车轴用钢材，因此急需一种高强度、高韧性、高寿命的车轴用钢。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高铁车轴用钢及其生产方法。提高材料的强韧性和疲劳寿命，通过一次正火+淬火+高温回火，最终达到车轴所需的性能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高铁车轴用钢，化学成分质量百分比为：C：0.25%-0.27%、Si：0.30%-0.37%、Mn：0.66%-0.74%、Cr：1.05%-1.15%、Ni：0.35%-0.45%、Mo：0.20%-0.24%、V：0.035%-0.055%、Al：0.020%-0.035%；Cu：0.31%-0.35%、P≤0.018%，S≤0.010%，余量为Fe。

本发明从材质上提高高铁车轴的强韧性、耐候性，同时通过轧后控冷的免去正火处理的过程，减少能源消耗和环境污染，提高生产效率，降低生产成本。本发明的生产方法，生产出高铁车轴用钢组织更均匀，性能更稳定。

下面具体说明本发明高铁车轴用钢化学成分的限定理由：

C：能提高钢的强度和淬透性，考虑材质强韧性及其稳定性的要求，本发明C含量控制在0.25%-0.27%之间；

Si：是一种脱氧剂，能固溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度；在本发明中，对强度起到提升作用，因此本发明Si含量控制在0.30%-0.37%之间；

Mn能够提高钢的硬度和耐磨性，显著提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn还有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性；本发明将Mn含量控制在0.66%-0.74%之间；

Cr：能显著提高钢的强度、硬度和淬透性，鉴于高铁车轴一般采用淬火+回火工艺制造，为提高淬火后的强韧性，本发明添加1.05%-1.15%的Cr元素；

Ni：能够降低钢材临界转变温度，降低合金元素的扩散速度，显著提高钢的低温冲击韧性，Ni含量越高对冲击韧性越好。Ni还能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。但是由于Ni是稀缺资源，价格昂贵，考虑到成本问题，所以本发明中Ni含量控制在0.35%-0.45%，尤其是添加0.45%的Ni起到的强韧性效果最佳；

Mo：能够强化铁素体，提高钢的强度和硬度，还能降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，根据车轴外径，为确保车轴淬火后性能均匀性，本发明添加0.20%-0.24%的Mo；

V：在钢中主要以碳化物、氮化物形态存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，提高钢的强韧性，本发明将V含量控制在0.035%-0.055%；当V含量为0.054%时，V起到细化晶粒的作用，在钢中形成V的碳化物，提高车轴的强韧性效果最佳；

Al：在钢中主要作为脱氧剂，钢中添加0.015%以上的Al就可以达到脱氧的效果；同时Al作为合金元素可以起到细化晶粒的作用，为确保钢中Al能够用于细化晶粒，所以本发明将Al含量下限控制在0.020%；当钢中Al含量过高时，会给冶炼和浇注带来困难，影响钢的可浇性，一般Al含量上限控制不超过0.035%。研究表明，添加0.035%的Al在车轴钢中还可以提高车轴的抗扭强度，鉴于车轴工作时主要受扭力，提高抗扭强度大幅度可以提高车轴的疲劳寿命，提高其运行的安全性。

Cu：能提高钢的强度，改善钢的抗大气腐蚀能力，当Cu含量大于0.20%时，其耐腐蚀性是不含Cu钢的2-5倍，但是Cu不利于热加工，易于钢或钢件表面富集，在晶界析出，在加热时熔化，形成裂纹源，导致钢出现表面裂纹。本发明添加了0.35%-0.45%的Ni，可以有效抑制含Cu钢的表面裂纹倾向，但是由于Ni含量有限，对Cu含量设定了0.35%的安全上限。Cu含量达到0.25%以上时，还可以起到细化晶粒的作用，提高车轴的强韧性。最终Cu含量限定为0.30%-0.35%，0.35%的Cu含量对车轴的耐候性提升幅度最大。

P：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，P元素还是一种极易偏析元素，会增加钢的回火脆性，降低疲劳寿命，一般钢中P含量不大于0.035%。为减轻钢的偏析，防止车轴在低温环境下产生冷脆断裂，提高车轴的疲劳寿命，本发明将P含量控制在0.018％以下；

S：是一种易偏析元素，在钢中一般以FeS形式存在，当钢凝固时，FeS在原生晶界处析出使钢产生热脆性，S还影响钢材性能的均匀性，且S在钢中主要以非金属夹杂物的形态存在，影响钢的纯净度，降低车轴的疲劳寿命。所以本发明对S含量进行了严格限定，必须≤0.010%。

一种高铁车轴用钢的生产方法，包括下列步骤：按上述组分的质量百分比，

（1）KR脱硫：选用S≤0.05%、P≤0.12%的低硫、低磷铁水生产本发明钢种；在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂（CaO+CaF2（9：1））进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；

（2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制脱硫后铁水温度≥1260℃，转炉采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.011%，出钢温度1610℃~1650℃；出钢加入铝饼、低氮增碳剂、石灰、预熔精炼渣、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、金属锰进行预脱氧及成分初调；采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%；

（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化；精炼前期加入200kg石灰，采用450NL/min大搅拌脱硫，精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；在精炼中期分别加入3.5kg/t的钼铁、0.7kg/t的钒铁、1.8kg/t的镍板调整Mo、V、Ni达到目标成分；精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧，脱氧时采用多次分批加入的方式，避开搅拌位置。

（4）真空脱气：控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min，采用VD真空脱气，VD处理前将精炼渣倒出30%~40%，防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物；在真空度≤100pa的真空条件下保持18min，确保钢水破空H≤1.5ppm。

（5）软吹及变性处理：VD破空后、软吹前通过喂丝机喂入30m~80m的硅钙线进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为30min~40min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分聚集长大，上浮去除；

（6）连铸：采用Φ600mm弧形大圆坯连铸机3~4流浇注，控制过热度为20℃~30℃，采用0.30m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在5300L/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置，充分均匀组织，提高内部质量。

（7）连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h，控制空燃比0.90~1.00，控制加热温度，尤其是高温段温度1260℃~1280℃，确保开轧温度1150℃~1180℃；经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯，每道次压下量≥50mm，在确保轧制压下量的前提下，加2架连轧机成形，提高尺寸精度。

（8）精整：采用逐支人工检查修磨进行精整，确保钢材的尺寸、外形和表面质量；采用抛丸+超声波探伤（探伤当量≤φ2.0mm），确保车轴方钢内部质量。

本发明针对高铁车轴国产化的要求，使用创新的化学成分设计和特有的生产工艺，方钢经用户锻造加工、热处理后可满足高铁的使用，实现替代进口的目标。

按照本发明生产的高铁车轴用钢，具有高强韧性、耐候性、长寿命等特点，材料性能达到如下水平：抗拉强度Rm：750~820Mpa，屈服强度Rel≥650Mpa，断后伸长率≥24%、冲击吸收能量KU2≥190J。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明相较EA4T车轴钢，Cu的加入量为0.30%~0.35%，Ni加入量为0.35%-0.45%，V的加入量为0.035%~0.050%，Al元素的加入量为0.020%~0.035%，可以提高车轴的抗扭强度，在细化钢组织的同时，提高钢的强度、塑性和冲击韧性，还提高其耐大气腐蚀性2倍以上。

（2）针对高铁车轴用钢的性能和使用要求，本发明将C、Si、Mn、Cr、Mo元素进行精确控制（在较小范围内调整），充分发挥合金元素的作用，提升钢的强韧性，确保运行稳定、安全。

（3）本发明采用以下工艺措施，确保了钢的纯净度和均匀性：采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂（CaO+CaF2（9：1））进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；精炼前期加入200kg石灰，采用450NL/min大搅拌脱硫，精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧，脱氧时采用多次分批加入的方式，避开搅拌位置；控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min，采用VD真空脱气，VD处理前将精炼渣倒出30%~40%，防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物；连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热12h~15h，控制空燃比0.90~1.00，控制加热温度，尤其是高温段温度1260℃~1280℃，确保开轧温度1150℃~1180℃；经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯，每道次压下量≥50mm，在确保轧制压下量的前提下，加2架连轧机成形，提高尺寸精度。

具体实施方式：

目前使用的EA4T车轴用钢与本发明的化学成分对比情况如表1所示。

表1 化学成分对比 wt%

采用以下生产工艺制备：

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

所得高铁车轴用钢的化学成分如表2所示，力学性能、非金属夹杂物、晶粒度与现有技术对比情况如表3、4、5所示。

表2 车轴钢成分 wt%

化学成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	Al	V
												实施例1	0.25	0.30	0.66	0.014	0.008	1.05	0.20	0.35	0.26	0.020	0.036
实施例2	0.26	0.34	0.70	0.011	0.004	1.09	0.22	0.41	0.28	0.027	0.042
												实施例3	0.27	0.37	0.74	0.009	0.003	1.15	0.24	0.45	0.35	0.035	0.054
现有EA4T	0.25	0.28	0.65	0.015	0.010	1.10	0.23	0.01	0.04	0.010	0.004

表3 本发明力学性能与现有技术对比

表4 本发明非金属夹杂物与现有技术对比

钢种	A粗	A细	B粗	B细	C粗	C细	D粗	D细	Ds
										实施例1	1.0	1.0	0.5	0	0	0	0.5	0.5	0
实施例2	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0.5	1.0	0
										实施例3	0.5	1.0	0	0.5	0	0	0.5	0.5	0.5
现有EA4T	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0

表5 本发明晶粒度与现有技术对比

钢种	晶粒度
		实施例1	7.5
实施例2	7.5
		实施例3	8.0
现有EA4T	6.0

Claims

1.一种高铁车轴用钢，其特征在于：化学成分质量百分比为：C：0.25%-0.27%、Si：0.30%-0.37%、Mn：0.66%-0.74%、Cr：1.05%-1.15%、Ni：0.35%-0.45%、Mo：0.20%-0.24%、V：0.035%-0.055%、Al：0.020%-0.035%；Cu：0.31%-0.35%、P≤0.018%，S≤0.010%，余量为Fe；

制备包括如下步骤：冶炼原料依次经过：KR脱硫、转炉冶炼、LF精炼、软吹、VD真空脱气、连铸、开坯+精轧，得到230mm×230mm、250mm×250mm的高铁车轴钢；

其中，所述KR脱硫：选用S≤0.05%、P≤0.12%的低硫、低磷铁水；在脱硫前扒净铁水渣，采用KR脱硫方法，在搅拌铁水过程中添加脱硫剂CaO：CaF2为9：1进行脱硫，扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；

所述精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水脱氧、脱硫及合金化；精炼前期加入200kg石灰，采用450NL/min大搅拌脱硫，精炼35min后采用250NL/min的弱搅拌，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；在精炼中期分别加入3.5kg/t的钼铁、0.7kg/t的钒铁、1.8kg/t的镍板调整Mo、V、Ni达到目标成分；精炼过程使用120kg高纯碳化硅+铝粒进行渣面脱氧，脱氧时采用多次分批加入的方式，避开搅拌位置；

所述软吹及变性处理：VD破空后、软吹前通过喂丝机喂入30m ~ 80m的硅钙线进行变性处理；软吹要求渣面微动，钢液不裸露，软吹时间为30min ~ 40min，在保证生产节奏的前提下，确保夹杂物充分聚集长大，上浮去除；

所述连铸：采用Φ600mm弧形大圆坯连铸机3 ~ 4流浇注，控制过热度为20℃ ~ 30℃，采用0.30m/min的拉速进行恒拉速浇注；一冷水量控制在5300L/min，使用低硅中间包覆盖剂、专用结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；采用M-EMS+F-EMS两段电磁搅拌装置，充分均匀组织，提高内部质量。

2.如权利要求1所述一种高铁车轴用钢，其特征在于：C：0.27%、Si：0.37%、Mn：0.74%、P：0.009%、S：0.003%、Cr：1.15%、Ni：0.45%、Mo：0.24%、V：0.054%、Cu：0.35%、Al：0.035%；整体热处理后力学性能抗拉强度Rm：820Mpa，屈服强度：Rel：696Mpa，断后伸长率24%，冲击吸收能量KU2：199J。

3.如权利要求1所述一种高铁车轴用钢，其特征在于：所述转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，控制脱硫后铁水温度≥1260℃，转炉采用双渣法操作实现预脱P，确保转炉终点P≤0.011%，出钢温度1610℃ ~ 1650℃；出钢加入铝饼、低氮增碳剂、石灰、预熔精炼渣、低钛低铝硅铁、低钛高碳铬铁、金属锰进行预脱氧及成分初调；采用滑板挡渣机构控制下渣，确保出钢下渣回P≤0.002%。

4.如权利要求1所述一种高铁车轴用钢，其特征在于：所述真空脱气：控制精炼结束到真空脱气时间间隔不超过15min，采用VD真空脱气，VD处理前将精炼渣倒出30% ~40%，防止VD处理钢渣混冲过程形成大颗粒夹杂物；在真空度≤100pa的真空条件下保持18min，确保钢水破空H≤1.5ppm。

5.如权利要求1所述一种高铁车轴用钢，其特征在于：所述轧制：连铸坯采用冷装，在蓄热式步进加热炉中加热12h ~ 15h，控制空燃比0.90 ~ 1.00，控制加热温度，高温段温度1260℃ ~ 1280℃，确保开轧温度1150℃ ~ 1180℃；经φ1100mm×2500mm锻钢辊开坯机15道开坯，每道次压下量≥50mm，在确保轧制压下量的前提下，加2架连轧机成形，提高尺寸精度；精整：采用逐支人工检查修磨进行精整，确保钢材的尺寸、外形和表面质量；采用抛丸+超声波探伤,探伤当量≤φ2.0mm，确保车轴方钢内部质量。