专利名称：：一种车轴钢及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种车轴钢及其制备方法。
背景技术：
：车轴作为铁道车辆的重要部件，长期处于交变应力作用下，因此，车轴除了应具有较高的强度外，还应具有良好的塑韧性。目前，国内外使用的车轴普遍采用优质中碳碳素钢制造，如美国AARM101标准规定车轴钢的化学成分:C0.45%-0.59%、Si>0.15%、Mn0.60%-0.90%、P《0.045%、S《0.050。日本JISE4502-1规定车轴钢的成分为C0.30%-0.50%、Si《0.50%、Mn《1.20%、P《0.040%、S《0.040、Cr《0.30%、Cu《0.30%、Mo《0.08%、V《0.05%。欧洲UIC811-1标准规定车轴用C45钢的成分为C0.42%-0.50%、SiO.15%-0.40%、Mn0.50%-0.80%、P《0.035%、S《0.035、Cr《0.30%、Ni《0.30%、Cu《0.30%、Mo《0.08%、V《0.05%。我国目前通常使用含碳量为O.50X的LZ50钢。LZ50车轴钢的化学成分C0.47%-0.57%、Si0.17%-0.40%、MnO.60%-0.90%、P《0.020%、S《0.020%、A1>0.020%、Cr《0.30%、Ni《0.30%、Cu《0.25%、H《0.00025%，0《0.0020%，N《0.0070%。这种车轴钢的屈服强度ReL约为345兆帕，抗拉强度Rm约为610兆帕，伸长率A约为20%，端面收縮率Z约为37%，冲击功Aku2约为25焦耳。目前，我国铁路运输向高速、重载方向发展，对车轴钢的强韧性提出了更高的要求。要提高LZ50车轴钢的强度，最简单的方法是提高钢中C、Si、Mn元素的含量，即将C、Si、Mn元素的含量按钢种上限控制，但这将使钢的塑韧性降低，尤其是延伸率A可能满足不了标准要求。例如，《冶金标准化与质量》杂志(2001年5月，第39巻第3期，第51-53页)报道了为了使钢的ReL达到345Mpa，Rm达到610Mpa，A达到20%，Z达到37%，必须将C控制在0.47%-0.52%范围；《特殊钢》杂志(2005年11月，第26巻6期，第61-62页)报道了为了使钢的力学性能满足ReL达到345Mpa，Rm达到6腦pa，A达到20%，Z达到37%，必须将钢的C含量控制在0.47%-0.50%，SiO.20%-0.35%，MnO.71%-0.85%。因此，通过提高钢中C、Si、Mn元素的含量以提高钢的强度并同时又不损失钢的塑韧性的方法基本无法实现。在实践中，为了提高LZ50车轴钢的强度和韧性，一般通过多次热处理(即反复进行"2次正火+1次回火"的工艺)来实现，但是这种方法增加的强度和韧性是有限的，并且导致生产成本增加。
发明内容本发明为了克服现有技术提供的车轴钢的强度和韧性较低，生产成本较高的缺陷，提供一种新的具有较高强度和韧性的车轴钢，并且生产该钢的成本较低。在本发明的发明人意外地发现在适当调整C、Si、Mn的含量的同时，适当提高微量元素V和Cr的含量后，制备的车轴钢具有更高的适当的强度和韧性。因此，本发明提供了一种车轴钢，其中，该车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，以单质计，C0.47-0.54重量X、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、附《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，余量为铁和杂质。本发明还提供了一种车轴钢的制备方法，其中，该方法包括冶炼钢水和炉外精炼，所述冶炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该合金化步骤中依次将碳质材料、脱氧剂、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钒铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中以所述钢水总重量为基准，CO.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述炉外精炼在真空条件下进行，精炼的温度为1590-1625t:，精炼的时间为12-15分钟，其中，在所述炉外精炼时加入碳质材料、铁硅合金和铁锰硅合金中的一种或几种以及铝，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量处于本发明提供的车轴钢的范围。本发明提供的车轴钢不仅具有更高的适当的强度和韧性，而且其生产成本也低于现有技术通过多次热处理制备的车轴钢的生产成本。例如实施例1提供的车轴钢在经过1次热处理后的屈服强度ReL为405兆帕、抗拉强度Rm为748兆帕，伸长率A为24.0%、端面收縮率Z为48.0%、冲击功Aku2为38焦耳；而对比例1提供的车轴钢在经过1次热处理后的屈服强度ReL为360兆帕、抗拉强度Rm为650兆帕，伸长率A为21.5%、端面收縮率Z为41.5%、冲击功Aku2为28焦耳。由于现有车轴钢对屈服强度ReL的最低要求是365兆帕，因此对比例1提供的车轴钢在经过1次热处理后没有达到最低要求；对比例1提供的车轴钢经过2次热处理后钢的屈服强度ReL为375兆帕，抗拉强度Rm为670兆帕，伸长率A为22.5X、端面收縮率Z为43.0%、冲击功Aku2为30.0焦耳。此外，与由对比例l提供的车轴钢经1次热处理后的钢需要的生产成本相比，生产1吨由实施例1提供的车轴钢需增加成本约100元；而生产1吨由对比例1提供的车轴钢经2次热处理后的钢需增加成本300元，因此本发明能明显节约成本。具体实施例方式本发明提供了一种车轴钢，其中，该车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，以单质计，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、A10.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、Ni《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，余量为铁和杂质。所述杂质为现有车轴钢的标准中没有明确指出的杂质，主要与铁水的来源有关。作为一种优选的实施方式，所述车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，C0.50-0.54重量X、Si0.3-0.4重量％、Mn0.75-0.85重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.025-0.06重量％、Cr0.15-0.25重量％、Ni《0.2重量％、Cu《0.2重量％、H《0.00025重量％，0《0.002重量％，N《0.007重量％，余量为铁和杂质。本发明提供的车轴钢的强度高于现有技术提供的车轴钢的强度，例如，使屈服强度ReL增加40兆帕以上，且使车轴钢的韧性不低于现有技术所提供的车轴钢的韧性；作为一种优选的实施方式，本发明的车轴钢的屈服强度ReL可以为400-500兆帕、抗拉强度Rm可以为700-800兆帕，伸长率A可以为22-30%、端面收縮率Z可以为43-55%、冲击功Aku2可以为30-42焦耳。所述冲击功是在常温下产生"U"型缺口冲击时所需要的功。本发明还提供了一种车轴钢的制备方法，其中，该方法包括冶炼钢水和炉外精炼，所述冶炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该合金化步骤中依次将碳质材料、脱氧剂、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钒铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中以所述钢水总重量为基准，CO.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述炉外精炼在真空条件下进行，精炼的温度为1590-1625t:，精炼的时间为12-15分钟，其中，在所述炉外精炼时加入碳质材料、铁硅合金和铁锰硅合金中的一种或几种以及铝，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量处于本发明提供的车轴钢的范围。通过控制真空度和精炼的时间，使H和N的含量处于本发明提供的车轴钢的范围；通过控制真空度和精炼的时间以及铝的添加量使O的含量处于本发明提供的车轴钢的范围；为了控制本发明通过的车轴钢中杂质Ni和Cu的含量，可以选择含有符合本发明提供的车轴钢中Ni和Cu的含量的铁水作为原料。为了控制入炉铁水P和S的含量分别小于或等于入炉铁水总重量的0.020%和0.020%，可以采用脱硫、脱磷后的铁水冶炼车轴钢。为了控制钢水的氧化程度，降低钢水中的含氧量，应对吹炼终点进行控制，以吹炼步骤中铁水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C控制在0.03-0.1重量％时，停止吹炼。所述炉外精炼可以是能实现本发明目的的各种公知的炉外精炼方法，优选为真空循环脱气法(RH)。所述吹炼是向铁水中通入氧气使铁水中的一些杂质，如碳、磷、硅氧化的过程。吹炼按照为本领域常规的方法进行。在所述吹炼结束后，加入碳质材料调节所述钢水中的含碳量，使钢水中的含碳量符合本发明提供的车轴钢中碳的含量。加入硅铁合金(Fe-Si)、硅锰合金(Fe-Mn-Si)、铬铁合金(Fe-Cr)和钒铁合金(Fe-V)进行合金化以调节铁水中的Si、Mn、Cr和V的含量以及调节车轴钢的成分结构。碳质材料与Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-V可以同时加入，优选在加入碳质材料后加入Fe-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Cr和Fe-V。为了进一步降低钢水中的含氧量，优选在合金化前加入脱氧剂对钢水进行处理，所述脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量，优选为3.0-4.0千克/吨钢水；所述脱氧剂为本领域常规的脱氧剂，优选为铝铁或其他复合脱氧剂；所述复合脱氧剂可以为硅钙钡、铝锰铁中的一种或几种。在所述炉外精炼时，所述真空条件的真空度为本领域常规的真空度，优选为不大于500帕，以降低钢水中的H和0的含量。所述真空度为相对的真空度，即一个标准大气压与密闭空间中的气压的差值。本发明所述的碳质材料为本领域公知的碳质材料，优选为沥青焦、无烟煤和碳粉中的一种或几种。本发明提供的方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，浇铸按照常规方法进行。作为一种优选的实施方式，所述浇铸在保护性气体氛围中进行。所述保护性气体为零族气体，优选为氩气。浇铸时可以控制钢水过热度为20-4(TC，如钢水的温度为1505-1525t:;浇铸后，可以按照常规方法进行冷却，如在室温下自然冷却。本发明提供的方法还包括在所述浇铸后进行钢坯轧制，本发明的轧制可以按照常规的方法进行；作为一种优选的实施方式，所述钢坯轧制包括在温度为1250°C-1280°C下进行加热，然后在1230°C_12501:下保温1.5-2.0小时后进行轧制。开始轧制温度为115(TC-120(TC，终轧温度为90(rC以上。钢坯轧制后，采用常规的方法冷却即可，如采用堆垛空冷方式冷却。实施例1-7:这些实施例用于说明本发明提供的车轴钢。(1)冶炼钢水采用脱硫、脱磷铁水冶炼车轴钢，当钢水中C含量在0.03%-0.10%(各实施例控制的具体数值如表l所示)时立即出钢到钢包中。出钢时先加沥青焦(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)或无烟煤(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，出钢1/3后加入预脱氧剂铝铁(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)3千克/吨，控制钢水中的氧浓度为100X10一6以下，加入铝铁后，在钢包中加入Fe-Si-Mn(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)、Fe-Si(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)、Fe-Cr(攀枝花攀宏冶金制品有限公司)、Fe-V(攀枝花攀宏冶金制品有限公司)，进行Si、Mn、Cr、V元素的合金化，控制钢水中各成分的含量，以钢水的总重量为基准，C0.4-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％(各实施例控制的具体数值如表1所示)。(2)炉外精炼钢水送到LF炉后，加热钢水到1590-1625°C，立即送到RH真空装置进行真空处理，真空度控制在不大于500帕，钢水真空处理5分钟后，补加适量Al丸、碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量，以钢水的总重量为基准，C0.47-0.54重量％、Si0.20-0.40重量X、Mn0.70-0.90重量X、A10.03-0.06重量％，各实施例控制的具体数值如表1所示。钢水真空处理时间12-15分，钢水温度为1590-1625°C。(3)浇铸在氩气保护条件下进行，钢水浇铸温度控制在1505-1525t:之间。(4)钢坯轧制采用推钢式加热炉加热钢坯到1250-128(TC，然后在1230_1250°C温度下保温1.5-2.0小时后开始轧制车轴钢坯，终轧温度控制在900°C以上。轧后采用堆垛空冷方式进行冷却。最后锻造车轴及热处理采用上述车轴钢坯锻造制成车轴，然后进行热处理，取样检验性能。热处理工艺第一次正火850-88(TC，第二次正火800-82(TC，回火500-540°C。各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧、氮含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融_红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。对比例1该对比例用于说明现有技术提供的车轴钢。(1)冶炼钢水按照实施例1-7步骤(1)进行，不同的是，不加入Fe-Cr、Fe-V。(2)炉外精炼按照实施例l-7步骤(2)进行，不同的是，加入的碳粉、Fe-Si、Fe-Mn以控制各成分的含量，使以钢水的总重量为基准，C、Si、Mn分别为0.54%、0.32%和0.75%。(3)浇铸按照实施例1-7步骤(3)进行。(4)钢坯轧制按照实施例1-7步骤(4)进行。车轴的锻造与实施例1-7相同；并按照实施例1-7所述的热处理方法分别进行1次热处理和两次热处理。各成分的检测方法按照实施例1-7的方法进行。性能测试将实施例1-7和对比例1制备的车轴钢在车轴轴颈1/2半径处取样，进行机械性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度ReL，抗拉强度Rm，伸长率A及端面收縮率Z。按照GB/T229金属夏比缺口冲击试验方法检测冲击功Aku2。检测的结果列在表2中。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>1515注表1中的百分比均为重量百分比。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表2可以看出本发明提供的车轴钢与现有技术提供的车轴钢相比，其强度和韧性显著提高。例如，实施例l提供的车轴钢的屈服强度ReL为405兆帕、抗拉强度Rm为748兆帕，伸长率A为24.OX、端面收縮率Z为48.0%、冲击功Aku2为38焦耳；而对比例1提供的车轴钢的屈服强度ReL为360兆帕、抗拉强度Rm为650兆帕，伸长率A为21.5%、端面收縮率Z为41.5%、冲击功Aku2为28焦耳。此外，与由对比例1提供的车轴钢经1次热处理后的钢需要的生产成本相比，生产1吨实施例1提供的车轴钢需要增加成本约100元；而生产1吨由对比例1提供的车轴钢经2次热处理后的钢需增加成本300元，因此本发明能明显节约成本。权利要求一种车轴钢，其特征在于，该车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，以单质计，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P≤0.02重量％、S≤0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、Cr0.15-0.3重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、H≤0.00025重量％，O≤0.002重量％，N≤0.007重量％，余量为铁和杂质。2.根据权利要求l所述的车轴钢，其中，该车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，C0.50-0.54重量％、Si0.3-0.4重量X、Mn0.75-0.85重量％、P《0.02重量％、S《0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.025-0.06重量％、Cr0.15-0.25重量％、Ni《0.2重量X、Cu《0.2重量X、H《0.00025重量％，0《0.002重量X，N《0.007重量％，余量为铁和杂质。3.权利要求1所述的车轴钢的制备方法，其特征在于，该方法包括冶炼钢水和炉外精炼，所述冶炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该合金化步骤中依次将碳质材料、脱氧剂、硅铁合金、硅锰合金、铬铁合金和钒铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中:以所述钢水总重量为基准，C0.40-0.47重量X、Si0.17-0.3重量X、Mn0.65-0.75重量X、V0.02-0.06重量X、Cr0.15-0.3重量％;所述炉外精炼在真空条件下进行，精炼的温度为1590-1625t:，精炼的时间为12-15分钟，其中，在所述炉外精炼时加入碳质材料、铁硅合金和铁锰硅合金中的一种或几种以及铝，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、V、Cr、Al和0的含量处于权利要求1所述的范围。4.根据权利要求3所述的方法，其中，以吹炼步骤中铁水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C控制在0.03-0.1重量％。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述真空条件的真空度为不大于500帕。6.根据权利要求3所述的方法，其中，碳质材料为沥青焦、无烟煤和碳粉中的一种或几种。7.根据权利要求3所述的方法，其中，该方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，其中，该浇铸在保护性气体氛围中进行。8.根据权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括在所述浇铸后进行钢坯轧制，其中，所述钢坯轧制包括在温度为1250°C_12801:下进行加热，然后在1230°C-125(rC下保温1.5-2.0小时后进行轧制。全文摘要本发明提供了一种车轴钢，其中，该车轴钢的化学成分为以该车轴钢总重量为基准，以单质计，C0.47-0.54重量％、Si0.2-0.4重量％、Mn0.7-0.9重量％、P≤0.02重量％、S≤0.02重量％、Al0.02-0.04重量％、V0.02-0.06重量％、CrO.15-O.3重量％、Ni≤0.2重量％、Cu≤0.2重量％、H≤0.00025重量％，O≤0.002重量％，N≤O.007重量％，余量为铁和杂质。本发明还提供了一种车轴钢的制备方法。本发明提供的车轴钢不仅具有更高的适当的强度和韧性，而且其生产成本也低于现有技术通过多次热处理制备的车轴的生产成本。文档编号C21C7/10GK101724787SQ20081017156公开日2010年6月9日申请日期2008年10月21日优先权日2008年10月21日发明者代华云,杨素波,柯晓涛,江南红,程兴德,雷秀华申请人:攀钢集团研究院有限公司;攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司;攀枝花新钢钒股份有限公司