高速车轴钢材料及其热处理方法与流程

本发明涉及一种用于高铁车轴的新材料及其热处理方法。

背景技术：

高铁车轴新材料的研制是针对国外车轴技术垄断、国内外车轴需求量持续增加的状况而提出的。根据我国《中长期铁路网规划》，高速铁路已经成为我国经济运行的大动脉，同时国家已将高铁推向海外市场作为产业发展战略之一，产业化前景广阔。但国内高铁车轴车轴钢却一直依赖进口，为满足配套生产，尽快实现国产化，高铁车轴钢技术研发已迫在眉睫。

车轴是铁路运行的三大关键基础件之一，也是车辆承受动载荷的关键零件，主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并受到一定冲击。所以，车轴钢研制要保证车轴在工作中不发生因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，重点是防止车轴的疲劳裂纹。

控制夹杂物尺寸及热处理工艺可以有效地控制车轴钢的疲劳极限。随着夹杂物尺寸的减小，车轴的疲劳寿命和疲劳强度均逐渐提高，其中氧化铝夹杂对疲劳性能影响最大。在冶炼生产过程中应尽量控制氧化铝夹杂含量及尺寸，同时辅以合理的热处理工艺最大限度细化晶粒，提高车轴的疲劳极限。

国内现行货车车轴钢LZ50，执行标准TB/T 2945-1999，疲劳强度要求≥290MPa，其在生产、使用过程中会出现如下问题：

1)疲劳极限较低，无法保证提速、高速条件下的安全行车；

2)钢坯轧制后出现混晶、粗晶，需经热处理后才能消除；

3)成分偏析较大。

技术实现要素：

针对国外车轴技术垄断，国内外车轴需求量持续增加的状况，本发明提供了一种高速车轴钢材料及其热处理方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高速车轴钢材料，包含以下成分：0.22～0.29wt％的C、0.17～0.38wt％的Si、0.53～0.77wt％的Mn、≦0.015wt％的P、≦0.010wt％的S、0.20～0.27wt％的Ni、0.95～1.15wt％的Cr、≦0.15wt％的Cu、0.20～0.29wt％的Mo、0.02～0.05wt％的V、0.015～0.045wt％的Al、0.01～0.03wt％的Nb、≦15PPm的O、≦1.5PPm的H，余量为Fe及其他不可避免的元素。

一种上述高速车轴钢材料的热处理方法，其热处理要求如下：正火加热温度为880～920℃，淬火加热温度为870～900℃、保温时间为4～9h，回火加热温度为630～660℃。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明高速车轴钢材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性比LZ50普通车轴高，晶粒度等级更高，夹杂物尺寸更小，成分偏析指数更低，疲劳极限在403MPa以上，比LZ50高103MPa。

2、本发明新设计出的高速车轴新材质车轴钢钢种是在国外实物质量的基础上进行的全新设计，钢种命名为DZ1。高速车轴的质量达到设计要求，车轴半径1/2处铁素体组织≤5％。

3、现行货车车轴钢LZ50与设计高速车轴钢DZ1性能对比如表1所示。

表1现行货车车轴钢LZ50与设计高速车轴钢DZ1性能对比

4、本发明高速车轴钢材料可直接打破高铁车轴的技术垄断，实现国产化，同时实现国内高铁的配套生产。

附图说明

图1为边缘截取试样、回火索氏体500×金相检验结果；

图2为距边缘10mm、回火索氏体+贝氏体(回火)500×截取试样金相检验结果；

图3为距边缘20mm、回火索氏体+贝氏体(回火)+块状铁素体(少量)500×截取试样金相检验结果；

图4为距边缘50mm回火索氏体+贝氏体(回火)+块状铁素体500×截取试样金相检验结果；

图5为心部、珠光体+铁素体+贝氏体(回火)500×截取试样金相检验结果；

图6为力学性能样坯及试样取样位置示意图，“1”为纵向冲击试样，距表面60nm处，共3个；“2”为横向冲击试样，距表面60nm处，共3个；“3”为纵向拉伸试样，距表面60nm处，共1个；

图7为非金属夹杂物取样位置(试样在轴横截面上半长中部切取，金相磨面通过轴心线)；

图8为化学成分取样位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种高速车轴钢材料，其所要解决的技术问题如下：

1)设计满足车轴性能的化学成分；

2)探索细化轴坯晶粒的热处理制度；

3)研发减小夹杂物尺寸的冶炼工艺；

4)寻找降低成分偏析的生产方法；

5)提高高速车轴钢的疲劳极限。

为了解决上述技术问题，本实施方式采取的技术方案如下：

一、新材料设计目标

1)提高合金含量，调高屈服强度、抗拉强度、冲击韧性；

2)晶粒度等级6.0-8.0级，比LZ50高1.0级；

3)夹杂物评级0-1.0级，比LZ50优1.0级；

4)成分偏析指数在±0.03％以内，比LZ50低0.02％；

5)疲劳极限在403MPa以上，比LZ50高103MPa。

二、成分设计

根据各种合金元素的特性，高速车轴新材料的成分设计如表3所示，相较于普通车轴(LZ50)的成分有明显改动，碳含量从0.50％调至0.25％，铬含量增加至1.10％，并添加了镍、钼、铌、钒等合金元素来提高车轴整体的耐腐蚀性、耐磨性等，钢种命名为DZ25CrNiMoVNb。各合金元素在车轴钢中所起到的作用如表2所示。

表2各合金元素在车轴钢中所起到的作用

根据设计标准，实际冶炼高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料试验炉号成分检测值如表4所示。各炉号的成分控制均在标准要求内。

表3高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料成分设计标准及试验炉号成分检测值

三、高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料CCT曲线计算

计算公式如式1、式2、式3所示：

AC1＝723-10.7Mn％-16.9Ni％+29.1Si％+16.9Cr％+290As％+6.38W％(℃)……(式1)

AC3＝910-203-15.2Ni％+44.7Si％+104V％+31.5Mo％+13.1W％(℃)…………(式2)

Ms＝539-423C％-30.4Mn％-17.7Ni％-12.1Cr％-7.5Mo％(℃)…………………(式3)

表4高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料各临界点计算值

四、高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料硬化指数

硬化指数计算公式如式4所示

表5高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料硬化指数计算值

五、高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料气体含量检测

表6 DZ25CrNiMoVNb新材料气体含量检测

六、高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料调质热处理试验

通过4组不同热处理试验，检验不同组别下各组的抗拉强度、屈服强度、伸长率、收缩率和冲击功的差异性。

试验1(优选的热处理制度)

试验2

试验3

试验4

通过以上4组试验进行综合对比后，选取试验1的热处理制度作为高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料调质热处理制度。

七、高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料质量检测试验

钢坯加工、热处理后取样分析，3炉钢坯的非金属夹杂物、晶粒度及低倍组织如表7所示，各检验项目均符合标准要求。

表7高速车轴DZ25CrNiMoVNb新材料高倍、低倍检验

金相组织由200方试样经过900℃正火(空冷)、890℃水淬(水冷)、650℃回火(空冷)后，按照不同部位截取试样进行金相检验，结果如图1～图5所示。

机械性能检验250mm×250mm方坯的性能指标，其结果如表8所示。

表8 DZ25CrNiMoVNb车轴热处理工艺试验结果数据

八、试样检验规定

1)取样规定

对于模铸车轴钢坯，应在A节钢坯相当于钢锭头部的标记端切取样坯；对于连铸车轴钢坯，应在任一流次钢坯相当于头部的标记端锯切样坯，样坯的长度不小360mm。对于截面尺寸大于230mm×230mm的车轴钢坯，应按附录A所示锯切200mm×200mm的样坯；对于截面尺寸小于或等于230mm×230mm的车轴钢坯，样坯截面尺寸与原车轴钢坯截面尺寸相同。

2)力学性能、非金属夹杂物检验试样坯的尺寸、试样切取部位见图6～图8。