一種含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種含鈮釩高速列車車軸用鋼，其化學成分的質量百分比（wt％）為：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；采用上述成分制備的車軸熱處理后，晶粒度大于等于8.5級，組織為回火索氏體+貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量約在70~90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在40~60%。
【專利說明】一種含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝
【技術領域】
[0001] 本發明屬于車軸鋼領域，尤其涉及高速列車車軸用合金結構鋼及其熱處理工藝技 術領域。
【背景技術】
[0002] 車軸是車輛行走部分的關鍵零件，承受著車輛的自重和負荷，在車輛運行和停車 時還承受沖擊力和制動力，在高速和重載的狀態下受力情況就更為復雜，是鐵路建設的三 大關鍵零件(重軌、車軸和車輪）之一，火車軸屬于超大型軸對稱階梯狀軸類零件，其最大直 徑為200mm左右，長度達2200mm左右。
[0003] 隨著我國高速鐵路的投入運行，火車速度進一步提高，作為鐵路列車關鍵部件之 一的高速車軸是鐵路列車重要的走行部件，其質量直接關系到高速鐵路運行安全。高速列 車車軸要保證在所規定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長使用壽命，這就對車 軸材料相關技術提出了更高的要求。高速列車車軸承受著源自車體及軌道的各種載荷，其 中主要是旋轉彎曲載荷和扭轉載荷。據統計資料，在這些失效形式中，裂紋引起的失效占全 部失效車軸的90%以上，裂紋引起的車軸失效形式最終表現為疲勞斷裂，疲勞斷裂是一個 裂紋產生、擴展導致斷裂的過程，其疲勞破壞直接危及運輸安全。因此，對車軸鋼材而言，主 要是保證其良好的強度(特別是彎扭復合疲勞強度)及韌性。影響鋼材疲勞性能的因素主要 有：鋼的潔凈度、鋼的成分和組織、鋼的表面狀態及尺寸效應、鋼的耐腐蝕性等。
[0004] 世界各鐵路發達國家都非常重視高速車軸的研究工作，從材料、設計、生產、熱處 理和運用維護等方面不斷改善。由于各國的國情和技術觀點不同，選用的車軸材料也不相 同。目前，國內外高速車軸用鋼大致可分為3類：優質碳素結構鋼、中合金結構鋼、高合金結 構鋼。
[0005] (1)優質碳素結構鋼。日本采用普通碳素鋼（S38C)加表面中頻淬火熱處理工藝， 相比歐洲采用合金鋼加調質處理熱處理工藝而言，日本高速車軸原材料成本低，但熱處理 工藝復雜，熱處理工藝參數控制精度要求高。
[0006] (2)中合金結構鋼。歐洲高速車軸材料大多采用中合金結構鋼（如EA4T)，通過采用 強化處理方法來提高車軸的強韌性指標，熱處理工藝簡單。但EA4T鋼只含CrO. 9(Tl. 20%、 Μ〇0. 15~0. 30%，鋼的淬透性不是太好，對于大截面車軸來說，存在淬不透的問題，導致車軸 截面顯微組織和性能不均勻，影響了高速車軸的整體性能指標。中國專利201210555924. 9 提供了一種車軸鋼，其成分為 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。采用該專利生產的大截面車軸來也存在淬不透的問題。
[0007] (3)高合金結構鋼。部分歐洲高速車軸材料選用30NiCrMoV12等高合金結構鋼，鋼 中含 CrO. 6(Tl. 00%、Ni2. 70?3. 30%、M〇0. 4(T〇. 60%、V0. 08?0. 13%，該類鋼種有很多優點諸如 淬透性好、可油淬、變形小、硬度高、屈強比高、耐腐蝕性能好等等，但是造價比較高。
【發明內容】
[0008] 為克服現有技術存在的問題，本發明提供一種含鈮釩高速列車車軸的熱處理工 藝，利用微量V、Nb、B及少量Ni、Cu復合合金化原理，結合對熱處理工藝優化，在少量增加 成本的前提下，顯著提高高速列車車軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗疲勞性和低溫韌性，進 而顯著提高高速列車車軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速列車車軸用鋼的生產工 藝更加簡易、高效，從而生產出低成本高性能的高速列車車軸用鋼。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明提供一種含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝，所述 含鈮釩高速列車車軸化學成分的質量百分比（wt%)為：C :0. 25、. 32, Si :0. 15、. 40, Μη : 0· 6(Γ〇· 90, Ρ :彡 0· 015, S :彡 0· 010, Cr :1· 0(Γ?· 20, Mo :0· 2(Γ〇· 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 為鐵和殘余的微量雜質；所述含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝為：（1)正火：將所述含鈮 釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T950°C保溫，保溫時間按1. 2?1. 7min/mm 計算，隨后空冷至室溫；（2)淬火：將所述含鈮釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱 至88(T930°C保溫，保溫時間按1. 5?2. Omin/mm計算，隨后進行水冷至室溫；（3)回火：將 所述含鈮釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫，保溫時間按2? 2. 5min/mm計算，隨后空冷至室溫。
[0010] 本發明鋼以多元少量的合金化原則進行了成分設計。
[0011] (1)碳：C是主要強化元素，對鋼的強度、塑性和韌性有很大影響，C過高會引起鋼 的塑性和韌性的降低。為保證鋼的塑性和韌性，C含量應適當降低，損失的強度則由其它合 金元素和微合金元素來彌補。綜合考慮，高速車軸鋼的C含量范圍應在0. 259Γ0. 32%為宜。
[0012] (2)硅：Si是固溶強化作用最明顯的元素，同時也是對韌性損失最大的元素。車軸 鋼強度水平要求不是太高，從綜合性能考慮，不采用Si作為主要強化元素，因此Si含量控 制在一般較低的水平，以不超過〇. 4%為宜，范圍考慮在0. 159ΓΟ. 40%。
[0013] (3)錳：Μη主要起固溶強化作用。與Si不同的是Μη在1.0%含量以內，其對韌性 并無損害，但隨著Μη含量的進一步增加，鋼的韌性逐漸降低。因此高速車軸鋼設計Μη含量 以不超過1. 0%為宜，范圍可控制在0. 609Γ0. 90%。
[0014] (4)鉻：Cr能夠增加鋼的淬透性，促使淬火及回火后工件整個截面上獲得較均勻 的組織。范圍可控制在0. 909Γ1. 20%。
[0015] (5)鑰：Mo能夠顯著的提高鋼的淬透性和熱強性，防止回火脆性；同時，Mo能使鋼 的晶粒細化，提高鋼的強韌性，但Mo的成本較高。綜合考慮，范圍可控制在0. 159ΓΟ. 30%。
[0016] (6)鎳：Ni具有細化鋼的組織、改善鋼的低溫性能的作用，并具有固溶強化、提高 淬透性作用，但其價格昂貴。綜合考慮，范圍可控制在0. 15、. 30%。
[0017] (7)銅：Cu在固溶強化、提高淬透性方面與Ni相似；同時，在鋼中加入銅還可提高 鋼的抗疲勞性能，因為細小的Cu沉淀阻滯了疲勞的初期階段脈狀結構的形成，并且銅析 出物具有良好的塑性，可阻礙疲勞裂紋的擴展，從而提高鋼的疲勞強度；另外，Cu還有一定 的提高鋼耐蝕性作用，鋼中加入〇. l%Cu即可顯著提高其耐蝕性。但Cu含量過高，鋼在加熱 軋制或鍛造過程中容易引起熱脆。綜合考慮，范圍可控制在〇. 15、. 30%。
[0018] (8)鈮：Nb對車軸鋼的強韌化效果主要表現為晶粒細化、析出強化和相變強化。Nb 在鋼中以置換溶質原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯線上偏聚，對位錯攀移產生 強烈的拖曳作用，使再結晶形核受到抑制，對再結晶具有強烈的阻止作用，提高了奧氏體的 再結晶溫度，從而達到細化奧氏體晶粒的目的，晶粒細化不僅能提高鋼材的強韌性，而且改 善鋼材的低溫性能。但其價格昂貴。綜合考慮，Nb的范圍可控制在0.0159Π ). 040%。
[0019] (9)釩：V是強的碳氮化物形成元素之一。添加微量V即可產生顯著的沉淀強化作 用，同時由于其特有的細化晶粒作用，可以使鋼保持細晶粒組織，從而彌補了由于沉淀強化 帶來的塑性和韌性的損失，可以保證鋼具有良好的綜合力學性能；同時，V可提高鋼的回火 穩定性，同時改善鋼的沖擊韌性及回火脆性。但其價格昂貴。綜合考慮，V的范圍可控制在 0. 029Γ0. 04%。
[0020] (10)硼：當鋼中含有微量的（0. 0008~0. 005%)硼時，鋼的淬透性可以顯著提高， 對于C含量為0. 25、. 32%的中碳合金結構鋼，加硼后其最大淬透直徑可提高50%以上。對 于大截面中合金車軸用結構鋼，存在淬不透的問題，導致車軸截面顯微組織和性能不均勻， 影響了高速車軸的整體性能指標，因此需要通過硼合金化來進一步提高其淬透性。同時，硼 合金化成本低，且硼對鋼的淬裂敏感性影響很小。
[0021] 本發明含鈮釩高速列車車軸用鋼生產工藝流程為：電弧爐或轉爐冶煉一LF爐精 煉一RH或VD真空脫氣一連鑄一鑄坯加熱爐加熱一車軸坯軋制一車軸坯鍛造一毛坯車軸粗 車一車軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車軸外圓精車加工一車軸內孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0022] 本發明關鍵的熱處理工藝步驟如下： (1)正火：將最大直徑為200mm左右、長度達2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸以 5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T950°C保溫，保溫時間按1. 2?1. 7min/mm計算，隨后空冷至室 溫。經正火后不僅細化了晶粒，而且改善了組織的不均勻性，為隨后的最終熱處理做好 組織準備。
[0023] (2)淬火：將最大直徑為200mm左右、長度達2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸 以5(Tl00°C /h的速度加熱至88(T930°C保溫，保溫時間按1. 5?2. Omin/mm計算，隨后進行 水冷至室溫。
[0024] (3)回火：將最大直徑為200mm左右、長度達2200mm左右的含鈮釩高速列車車軸 以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫，保溫時間按2?2. 5min/mm計算，隨后空冷 至室溫。經過回火，可獲得均勻細密回火索氏體+下貝氏體的金相組織，從而可獲得良好的 韌塑性及合適的強度指標。
[0025] 采用本發明的化學成分、工藝流程和熱處理工藝工藝參數生產的含鈮釩高速列 車車軸用鋼，測定鋼材的縱向力學性能可達到：R pQ.2彡576MPa，Rm彡729MPa，A彡21%， Z彡68%，-40°C縱向沖擊吸收功Kv2彡185J，表面光滑試樣的疲勞極限心彡368MPa，表面 帶有缺口試樣的疲勞極限R fE彡296MPa，Ra/RfE彡1. 24。車軸鋼材的晶粒度大于等于8. 5 級。高速列車車軸"正火+淬火+高溫回火"熱處理后鋼的組織為回火索氏體+貝氏體，其 中，車軸近表面回火索氏體含量約在7(Γ90%，車軸1/2半徑處回火索氏體含量約在4(Γ60%。
[0026] 與現有技術相比，本發明優點是：通過采用微量V、Nb、B及少量Ni、Cu復合合金化 原理，結合對熱處理工藝優化，用細晶強化、析出強化和相變強化機制，得到具有均勻細密 索氏體+下貝氏體金相組織的高速車軸鋼組織狀態，開發出了屈服強度為450MPa級的高速 車軸鋼，在少量增加成本的前提下，顯著提高了高速列車車軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗 疲勞性和低溫韌性，進而顯著提高了高速列車車軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速 列車車軸用鋼的生產工藝更加簡易、高效，從而生產出了低成本高性能的高速列車車軸用 鋼。
【具體實施方式】
[0027] 以下的實施例用于闡述本發明，但本發明的保護范圍并不僅限于以下實施例。
[0028] 本發明含鈮釩高速列車車軸用鋼生產工藝流程為：電弧爐或轉爐冶煉一LF爐精 煉一RH或VD真空脫氣一連鑄一鑄坯加熱爐加熱一車軸坯軋制一車軸坯鍛造一毛坯車軸粗 車一車軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車軸外圓精車加工一車軸內孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0029] 本發明含鈮釩高速列車車軸用鋼的熔煉化學成分、主要熱處理工藝參數與性能的 實施例如下： 熱處理工藝步驟及參數為： (1)正火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至900-950°C保溫，保溫時間240-340min，隨后空 冷至室溫。
[0030] (2)淬火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至880-930°C保溫，保溫時間300-400min，隨 后水冷至室溫。
[0031] (3)回火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至620-680°C保溫，保溫時間400-500min，隨 后空冷至室溫。
[0032] 最大直徑為Φ200·ι、長度達2200mm高速列車車軸的熔煉化學成分質量百分比 (wt % )見表1，高速列車車軸經過以上熱處理后的性能指標見表2。
[0033] 表1高速列車車軸鋼的熔煉化學成分質量百分比（wt % )
【權利要求】
1. 一種含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝，其特征在于，所述含鈮釩高速列車車軸用 鋼的化學成分的質量百分比（Wt%)為：C :0. 25?0. 32, Si :0. 15?0. 40, Mn :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?(λ 040, Cu :0· 1(Πλ 30, B :0· 0008?(λ 0050, Als :0· 01(Πλ 050,其余為鐵和殘余的微 量雜質；所述含鈮釩高速列車車軸的熱處理工藝為： (1) 正火：將所述含鈮釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T950°C保溫， 保溫時間按1. 2~1. 7min/mm計算，隨后空冷至室溫； (2) 淬火：將所述含鈮釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至88(T930°C保溫， 保溫時間按1. 5~2. Omin/mm計算，隨后進行水冷至室溫； (3) 回火：將所述含鈮釩高速列車車軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫， 保溫時間按2?2. 5min/mm計算，隨后空冷至室溫。
【文檔編號】C22C38/54GK104233109SQ201410532094
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】孫維, 汪開忠, 高海潮, 杜松林, 于文壇, 許興, 謝世紅 申請人:馬鋼(集團)控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司