一种含铌钒高速列车车轴用钢的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种含铌钒高速列车车轴用钢，其化学成分的质量百分比（wt％）为：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；采用上述成分制备的车轴热处理后，晶粒度大于等于8.5级，组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量约在70~90%，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在40~60%。
【专利说明】一种含铌钒高速列车车轴用钢
【技术领域】
[0001] 本发明属于车轴钢领域，尤其涉及高速列车车轴用合金结构钢及其热处理工艺技 术领域。
【背景技术】
[0002] 车轴是车辆行走部分的关键零件，承受着车辆的自重和负荷，在车辆运行和停车 时还承受冲击力和制动力，在高速和重载的状态下受力情况就更为复杂，是铁路建设的三 大关键零件(重轨、车轴和车轮）之一，火车轴属于超大型轴对称阶梯状轴类零件，其最大直 径为200mm左右，长度达2200mm左右。
[0003] 随着我国高速铁路的投入运行，火车速度进一步提高，作为铁路列车关键部件之 一的高速车轴是铁路列车重要的走行部件，其质量直接关系到高速铁路运行安全。高速列 车车轴要保证在所规定的使用条件下，具有足够的安全性、可靠性和长使用寿命，这就对车 轴材料相关技术提出了更高的要求。高速列车车轴承受着源自车体及轨道的各种载荷，其 中主要是旋转弯曲载荷和扭转载荷。据统计资料，在这些失效形式中，裂纹引起的失效占全 部失效车轴的90%以上，裂纹引起的车轴失效形式最终表现为疲劳断裂，疲劳断裂是一个 裂纹产生、扩展导致断裂的过程，其疲劳破坏直接危及运输安全。因此，对车轴钢材而言，主 要是保证其良好的强度(特别是弯扭复合疲劳强度)及韧性。影响钢材疲劳性能的因素主要 有：钢的洁净度、钢的成分和组织、钢的表面状态及尺寸效应、钢的耐腐蚀性等。
[0004] 世界各铁路发达国家都非常重视高速车轴的研究工作，从材料、设计、生产、热处 理和运用维护等方面不断改善。由于各国的国情和技术观点不同，选用的车轴材料也不相 同。目前，国内外高速车轴用钢大致可分为3类：优质碳素结构钢、中合金结构钢、高合金结 构钢。
[0005] (1)优质碳素结构钢。日本采用普通碳素钢（S38C)加表面中频淬火热处理工艺， 相比欧洲采用合金钢加调质处理热处理工艺而言，日本高速车轴原材料成本低,但热处理 工艺复杂，热处理工艺参数控制精度要求高。
[0006] (2)中合金结构钢。欧洲高速车轴材料大多采用中合金结构钢（如EA4T)，通过采用 强化处理方法来提高车轴的强韧性指标，热处理工艺简单。但EA4T钢只含CrO. 9(Tl. 20%、 MoO. 15、. 30%，钢的淬透性不是太好，对于大截面车轴来说，存在淬不透的问题，导致车轴 截面显微组织和性能不均匀，影响了高速车轴的整体性能指标。中国专利201210555924. 9 提供了一种车轴钢，其成分为 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。采用该专利生产的大截面车轴来也存在淬不透的问题。
[0007] (3)高合金结构钢。部分欧洲高速车轴材料选用30NiCrMoV12等高合金结构钢，钢 中含 CrO. 6(Tl. 00%、Ni2. 70?3. 30%、M〇0. 4(T〇. 60%、V0. 08?0. 13%，该类钢种有很多优点诸如 淬透性好、可油淬、变形小、硬度高、屈强比高、耐腐蚀性能好等等，但是造价比较高。
【发明内容】
[0008] 为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种含铌钒高速列车车轴用钢并利用微 量V、Nb、B及少量Ni、Cu复合合金化原理，结合对热处理工艺优化，在少量增加成本的前提 下，显著提高高速列车车轴用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高 高速列车车轴用钢的整体性能、寿命和安全性，使高速列车车轴用钢的生产工艺更加简易、 高效,从而生产出低成本高性能的高速列车车轴用钢。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供一种含铌钒高速列车车轴用钢，其化学成分 的质量百分比（界七％)为：(：：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,其余为铁和残余的微量杂质；采用上 述成分制备的车轴热处理后，晶粒度大于等于8. 5级，组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车 轴近表面回火索氏体含量约在7(Γ90%，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在4(Γ60%。
[0010] 本发明钢以多元少量的合金化原则进行了成分设计。
[0011] (1)碳：C是主要强化元素，对钢的强度、塑性和韧性有很大影响，C过高会引起钢 的塑性和韧性的降低。为保证钢的塑性和韧性，C含量应适当降低，损失的强度则由其它合 金元素和微合金元素来弥补。综合考虑，高速车轴钢的C含量范围应在0. 259Γ0. 32%为宜。
[0012] (2)硅：Si是固溶强化作用最明显的元素，同时也是对韧性损失最大的元素。车轴 钢强度水平要求不是太高，从综合性能考虑，不采用Si作为主要强化元素，因此Si含量控 制在一般较低的水平，以不超过〇. 4%为宜，范围考虑在0. 159ΓΟ. 40%。
[0013] (3)锰：Mn主要起固溶强化作用。与Si不同的是Mn在1.0%含量以内，其对韧性 并无损害，但随着Mn含量的进一步增加，钢的韧性逐渐降低。因此高速车轴钢设计Mn含量 以不超过1. 0%为宜，范围可控制在0. 609Γ0. 90%。
[0014] (4)铬：Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀 的组织。范围可控制在0. 909Γ1. 20%。
[0015] (5)钥：Mo能够显著的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性；同时，Mo能使钢 的晶粒细化，提高钢的强韧性，但Mo的成本较高。综合考虑，范围可控制在0. 159ΓΟ. 30%。
[0016] (6)镍：Ni具有细化钢的组织、改善钢的低温性能的作用，并具有固溶强化、提高 淬透性作用，但其价格昂贵。综合考虑，范围可控制在0. 15、. 30%。
[0017] (7)铜：Cu在固溶强化、提高淬透性方面与Ni相似；同时，在钢中加入铜还可提高 钢的抗疲劳性能，因为细小的Cu沉淀阻滞了疲劳的初期阶段脉状结构的形成，并且铜析 出物具有良好的塑性，可阻碍疲劳裂纹的扩展，从而提高钢的疲劳强度；另外，Cu还有一定 的提高钢耐蚀性作用，钢中加入〇. l%Cu即可显著提高其耐蚀性。但Cu含量过高，钢在加热 轧制或锻造过程中容易引起热脆。综合考虑，范围可控制在〇. 15、. 30%。
[0018] (8)铌：Nb对车轴钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb 在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生 强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的 再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改 善钢材的低温性能。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.0159Π ). 040%。
[0019] (9)钒：V是强的碳氮化物形成元素之一。添加微量V即可产生显著的沉淀强化作 用，同时由于其特有的细化晶粒作用，可以使钢保持细晶粒组织，从而弥补了由于沉淀强化 带来的塑性和韧性的损失，可以保证钢具有良好的综合力学性能；同时，V可提高钢的回火 稳定性，同时改善钢的冲击韧性及回火脆性。但其价格昂贵。综合考虑，V的范围可控制在 0. 029Γ0. 04%。
[0020] (10)硼：当钢中含有微量的（0. 0008~0. 005%)硼时，钢的淬透性可以显著提高， 对于C含量为0. 25、. 32%的中碳合金结构钢，加硼后其最大淬透直径可提高50%以上。对 于大截面中合金车轴用结构钢，存在淬不透的问题，导致车轴截面显微组织和性能不均匀， 影响了高速车轴的整体性能指标，因此需要通过硼合金化来进一步提高其淬透性。同时，硼 合金化成本低，且硼对钢的淬裂敏感性影响很小。
[0021] 本发明含铌钒高速列车车轴用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼一LF炉精 炼一RH或VD真空脱气一连铸一铸坯加热炉加热一车轴坯轧制一车轴坯锻造一毛坯车轴粗 车一车轴齐端面加工一正火+淬火+高温回火热处理一车轴外圆精车加工一车轴内孔镗削 加工一外圆磨削一探伤。
[0022] 本发明关键的热处理工艺步骤如下： (1)正火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含铌钒高速列车车轴以 5(Tl00°C /h的速度加热至90(T950°C保温，保温时间按1. 2?I. 7min/mm计算，随后空冷。经 正火后不仅细化了晶粒，而且改善了组织的不均匀性，为随后的最终热处理做好组织准 备。
[0023] (2)淬火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含铌钒高速列车车轴 以5(Tl00°C /h的速度加热至88(T930°C保温，保温时间按1. 5?2. Omin/mm计算，随后进行 水冷至室温。
[0024] (3)回火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含铌钒高速列车车轴 以5(Tl00°C /h的速度加热至62(T680°C保温，保温时间按2?2. 5min/mm计算，随后空冷 至室温。经过回火，可获得均匀细密回火索氏体+下贝氏体的金相组织，从而可获得良好的 韧塑性及合适的强度指标。
[0025] 采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺工艺参数生产的含铌钒高速列 车车轴用钢，测定钢材的纵向力学性能可达到=R pa2彡576MPa，Rm彡729MPa，A彡21%， Z彡68%，-40°C纵向冲击吸收功Kv2彡185J，表面光滑试样的疲劳极限Rfl彡368MPa，表面 带有缺口试样的疲劳极限R fE彡296MPa，Ra/RfE彡1. 24。车轴钢材的晶粒度大于等于8. 5 级。高速列车车轴"正火+淬火+高温回火"热处理后钢的组织为回火索氏体+贝氏体，其 中，车轴近表面回火索氏体含量约在7(Γ90%，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在4(Γ60%。
[0026] 与现有技术相比,本发明优点是：通过采用微量V、Nb、B及少量Ni、Cu复合合金化 原理，结合对热处理工艺优化，用细晶强化、析出强化和相变强化机制，得到具有均匀细密 索氏体+下贝氏体金相组织的高速车轴钢组织状态，开发出了屈服强度为450MPa级的高速 车轴钢，在少量增加成本的前提下，显著提高了高速列车车轴用钢的淬透性、耐腐蚀性、抗 疲劳性和低温韧性，进而显著提高了高速列车车轴用钢的整体性能、寿命和安全性，使高速 列车车轴用钢的生产工艺更加简易、高效，从而生产出了低成本高性能的高速列车车轴用 钢。
【具体实施方式】
[0027] 以下的实施例用于阐述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
[0028] 本发明含铌钒高速列车车轴用钢生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼一LF炉精 炼一RH或VD真空脱气一连铸一铸坯加热炉加热一车轴坯轧制一车轴坯锻造一毛坯车轴粗 车一车轴齐端面加工一正火+淬火+高温回火热处理一车轴外圆精车加工一车轴内孔镗削 加工一外圆磨削一探伤。
[0029] 本发明含铌钒高速列车车轴用钢的熔炼化学成分、主要热处理工艺参数与性能的 实施例如下： 热处理工艺步骤及参数为： (1)正火：以5(Tl00°C /h的速度加热至900-950°C保温，保温时间240-340min，随后空 冷至室温。
[0030] (2)淬火：以5(Tl00°C /h的速度加热至880-930°C保温，保温时间300-400min，随 后水冷至室温。
[0031] (3)回火：以5(Tl00°C /h的速度加热至620-680°C，保温时间400-500min，随后空 冷至室温。
[0032] 最大直径为Φ200·ι、长度达2200mm高速列车车轴的熔炼化学成分质量百分比 (wt % )见表1，高速列车车轴经过以上热处理后的性能指标见表2。
[0033] 表1高速列车车轴钢的熔炼化学成分质量百分比（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 见 9 9 2fi IlOfil 8 2 5 7 S -02OJ""07~~OJO""oioU"""02""02~~〇1""0003?〇""002""0.02 见 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 见 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：其余为铁和残余的微簠杂质。_ 表2高速列车车轴热处理后性能指标 序丨屈fli强度I抗拉强度I断后伸长率I断面收缩率I 纵向冲击功KV2ZJ 号 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 续表2高速列车车轴热处理后性能指标
【权利要求】
1. 一种含铌钒高速列车车轴用钢，其特征在于，其化学成分的质量百分比（Wt%)为： 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,其余为铁和残余的微量杂质；采用上述成分制备的车 轴热处理后，晶粒度大于等于8. 5级，组织为回火索氏体+贝氏体，其中，车轴近表面回火索 氏体含量约在7(Γ90%，车轴1/2半径处回火索氏体含量约在4(Γ60%。
2. 如权利要求1所述的含铌钒高速列车车轴用钢，其特征在于，采用上述成分制备的 车轴力学性能为：屈服强度Rp〇. 2彡576MPa，抗拉强度Rm彡729MPa，延伸率Α彡21%，断面收 缩率Z彡68%，-40°C纵向冲击吸收功KV 2彡185J，表面光滑试样的疲劳极限心彡368MPa， 表面带有缺口试样的疲劳极限RfE彡296MPa，R a/RfE彡1. 24。
【文档编号】C21D1/28GK104264066SQ201410532097
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】孙维, 汪开忠, 高海潮, 杜松林, 于文坛, 许兴, 谢世红 申请人:马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山钢铁股份有限公司