高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺的制作方法

1.本发明属于金属材料及其热处理技术领域，具体涉及一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺。


背景技术：

2.aar m101 f级车轴钢是一种普通碳素钢，其具有下列质量比的化学成分c:0.45~0.59wt%，si:≥0.15wt%，mn:0.70~1.00wt%，v:0.02~0.08wt%，s:≤0.050 wt%，p:≤0.045 wt%。 其锻件一般采用二次正火+回火的热处理工艺，可以获得性能指标：抗拉强度≥645mpa，屈服强度≥362mpa，延伸率≥20%，断面收缩率≥35%，常温下冲击功仅为8j~10j(u型缺口，缺口深度5mm)。
3.该aar m101 f级车轴钢经过热处理工艺后可以获得较高的强度，但是塑韧性一般，冲击韧性会降低。如何让此车轴钢锻件在获得高强度的同时，也可以获得高塑性、高韧性，是机车类车轴亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，解决aar m101 f级车轴钢强度高、塑韧性差的技术问题，本发明提供一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺，通过化学成分设计以及调整后续锻件的热处理工艺，实现aar m101 f级车轴钢高强、高韧、高塑性的要求。
5.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
6.一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢，其化学成分及其质量比为：c:0.47~0.52wt%，si: 0.20~0.35wt%，mn:0.70~0.80wt%，v:0.45~0.08wt%，al：0.020~0.040wt%，s:≤0.015 wt%，p:≤0.015 wt%。
7.本发明采用c、mn、si、v、al含量优化组合，避免了mo、ni等贵重合金的加入，保留其碳素钢本质的前提下，未提高原材料成本。
8.其中：c：0.47~0.52wt%，si: 0.20~0.35wt%，mn:0.70~0.80wt%，在降低车轴钢组分中的碳含量的同时降低si、mn元素含量的上限，可提高钢的韧性；v:0.45~0.08wt%，al：0.020~0.040wt%，可以避免因晶粒度粗化，车轴在正火时出现粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够细小、弥散分布的难熔化合物-aln(氮化铝)，和细小、弥散的碳、氮化物v(c、n)，二者一起阻止奥氏体晶粒的长大；对al元素含量进行控制，保证了钢水的脱氧量，同时保证了钢水中适量的氮化铝，细化晶粒的同时又不影响钢的韧性；v元素可以提高钢的强度和韧性；s:≤0.015 wt%；p:≤0.015 wt%，降低p、s含量，有利于降低钢的脆性倾向。
9.一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的锻件的热处理工艺，即采用“一次正火+回火”代替传统“二次正火+回火
”ꢀ
的热处理工艺，包括以下步骤：
s1、车轴碳素钢压力加工成锻件后进行正火处理：正火时奥氏体化温度为820℃~830℃，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷；s2、正火处理后的锻件重新加热至560℃~580℃进行回火处理，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷。
10.根据本发明车轴碳素钢的化学成分，其锻件经“一次正火+回火”热处理工艺，金相组织为珠光体和铁素体，既能降低制造成本又能获得良好的综合机械性能，使车轴车轴碳素钢碳素钢锻件在具有高强度的同时塑性指标不降低，并且冲击韧性依然很好。
11.进一步的，步骤s2正火处理后车轴碳素钢锻件的力学性能为：抗拉强度645mpa~710 mpa，屈服强度≥362mpa，延伸率≥22%，冲击功≥30j。
12.与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明提供的车轴碳素钢优点在于其同时具有高强度、高塑性、高韧性，相对于现有铁路客货车用车轴lz50钢、aar m101 f级车轴钢具有更优的强韧性匹配，更有利于提高车轴的抗疲劳等综合服役性能。不仅满足且更优于aar m101 f级机车类车轴要求。
13.采用本发明的车轴碳素钢制备的车轴，可以运用到国内外机车类、轻轨类、地铁类车轴。
附图说明
14.图1为具体实施方式中车轴结构示意图。
具体实施方式
15.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
16.本实施例中高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：c:0.49wt%，si: 0.25wt%，mn:0.77wt%，v:0.06wt%，al：0.030wt%，s:0.001 wt%，p:0.008wt%。
17.针对上述化学成分及其质量比的车轴碳素钢，生产a型机车轴(如图1所示)。本实施例中采用正交试验设计出六种试验方案。
18.（1）试验目的：通过正交试验，确定合理的热处理工艺参数。
19.（2）确定考察的指标：抗拉强度、延伸率、冲击功(常温，u型缺口中，缺口深度5mm)。（3）挑因素，选位级，制定因素位级表，如表1所示。
20.（4）设计正交试验方案如表2所示。
21.注：每一行代表所要试验的一种条件。
22.（5）实施实验方案4个车轴碳素钢冶炼炉(8个车轴热处理组)采用一种试验方案，每个热处理组取2支车轴轴颈延长体1/2半径处进行性能检测，六个试验的结果如下表3。
23.（6）力学性能对比如下表4。
24.从试验结果及对比分析来看，一次正火温度为关键，回火温度560℃与580℃对性能影响不明显，保温时间则可以根据车轴锻件实际的直径、长度进行调整。
25.通过上述实验最终确定正确的热处理工艺参数为：
①
采用锻后正火处理，正火时奥氏体化温度为830℃~820℃，保温时间5h，保温结束后实施强冷；
②
采用560℃~580℃进行回火处理，保温时间5h，保温结束后实施空冷。
26.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。


技术特征：
1.高强、高韧、高塑性车轴碳素钢，其特征在于：车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：c:0.47~0.52wt%，si: 0.20~0.35wt%，mn:0.70~0.80wt%，v:0.45~0.08wt%，al：0.020~0.040wt%，s:≤0.015 wt%，p:≤0.015 wt%。2.如权利要求1所述高强、高韧、高塑性车轴碳素钢的锻件的热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：s1、车轴碳素钢压力加工成锻件后进行正火处理：正火时奥氏体化温度为820℃~830℃，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷；s2、正火处理后的锻件重新加热至560℃~580℃进行回火处理，保温时间3.5~5h，保温结束后实施强冷。3.根据权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于：步骤s2正火处理后车轴碳素钢锻件的力学性能为：抗拉强度645mpa~710 mpa，屈服强度≥362mpa，延伸率≥22%，冲击功≥30j。

技术总结
一种高强、高韧、高塑性车轴碳素钢及其锻件的热处理工艺，属于金属材料及其热处理技术领域，解决AAR M101 F级车轴钢强度高、塑韧性差的技术问题，解决方案为：车轴碳素钢的化学成分及其质量比为：C:0.47~0.52wt%，Si:0.20~0.35wt%，Mn:0.70~0.80wt%，V:0.45~0.08wt%，Al：0.020~0.040wt%，S:≤0.015 wt%，P:≤0.015 wt%。车轴碳素钢的锻件采用“一次正火+回火”的热处理工艺，热处理后的锻件同时具有高强度、高塑性、高韧性，相对于现有铁路客货车用车轴钢具有更优的强韧性匹配，更有利于提高车轴的抗疲劳等综合服役性能。抗疲劳等综合服役性能。抗疲劳等综合服役性能。


技术研发人员：郭鸿梅 麻义忠 程栋柱 康锋 武月英 李晋峰
受保护的技术使用者：晋西车轴股份有限公司
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/5/17