本发明涉及一种机械制造用结构钢及其生产方法，具体涉及一种添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢及其生产方法。
背景技术：
铁路车辆车轴是保证铁路车辆安全的重要部件，其质量状态与铁路运输安全密切相关。随着中国铁路运输的高速发展，对铁道车辆车轴的质量要求也越来越高。在铁路车辆运行过程中，车轴承受着弯曲力、扭转力、冲击力，并且长期在交变应力条件下使用，其受力情况很复杂。车轴在使用时其表面的受力状况最为恶劣，因此，在保证其综合性能合格的前提下，提高其表面质量尤为重要。
铁路车辆车轴在轧制、锻造过程中，由于夹杂物的取向分布及带状组织会导致性能产生方向性，使横向的韧性显著降低，横向冲击功一般比纵向冲击功低30％～50％，甚至更低。因此，提高铁路车辆车轴横向的韧性对保证其使用安全性非常重要。
目前中国行业标准tb/t2945～1999《铁道车辆用lz50钢车轴及钢坯技术条件》中，车轴钢的主要化学成分(重量百分比)为：c0.47～0.57％、si0.17～0.40％、mn0.60～0.90％、p≤0.030％、s≤0.030％、t·al≥0.020％，其余为铁和杂质元素。但是目前按此标准生产出来的车轴钢大多存在表面磁痕缺陷，且横向冲击功较低。
为了减少现有铁路车辆车轴表面磁痕废品，提高其综合力学性能，尤其是提高其横向冲击功，很有必要开发一种新的铁路车辆用车轴钢及其生产方法，以克服现有铁道车辆用车轴的缺点，提高车轴的使用安全性。
技术实现要素：
本发明提供了一种添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢及其生产方法，可以明显减少铁路车辆车轴表面磁痕废品，提高其综合力学性能，尤其是提高其横向冲击功，从而提高车轴的使用安全性。
本发明采取的技术方案为：
一种添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢，包含以下重量百分比的化学成分：c0.47～0.57％、si0.15～0.40％、mn0.60～0.90％、p≤0.030％、s≤0.030％、cr0.15～0.40％、v0.020～0.040％、als0.015～0.035％、n0.0040～0.0090％，钢水中re加入量0.021～0.056％，其余为铁和不可避免的杂质元素。
进一步地，优选为包含以下重量百分比的化学成分：c0.48～0.55％、si0.18～0.35％、mn0.70～0.90％、p≤0.030％、s≤0.030％、cr0.20～0.30％、v0.022～0.030％、als0.015～0.035％、n0.0050～0.0080％，钢水中re加入量0.021～0.040％，其余为铁和不可避免杂质元素。
更进一步地，优选为包含以下重量百分比的化学成分：c0.49～0.53％、si0.18～0.35％、mn0.75～0.85％、p≤0.030％、s≤0.030％、cr0.23～0.28％、0.022～0.030％、als0.015～0.035％、n0.0060～0.0080％，钢水中re加入量0.021～0.025％，其余为铁和不可避免杂质元素。
各化学成分的作用如下：
碳是钢中提高强度的重要元素，合适的碳含量范围是0.47～0.57％，过低则会降低强度和硬度，过高则会降低塑性和韧性。
硅在钢中主要以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，能提高钢的强度，也是炼钢的脱氧元素，但含量不宜过高，以免降低钢的韧性。故控制在0.15～0.40％。
锰是提高强度的重要元素，合适的锰含量范围是0.60～0.90％。
铬提高强度的重要元素，它还增加正火相变时钢奥氏体的过冷度、增加相变驱动力而细化钢的组织，加入0.15～0.40％cr对细化钢的组织是必要的。
加入v是为了细化正火后的组织，适当提高回火稳定性，控制n有利于更好的发挥v的作用。
铝是钢中的脱氧剂，并能细化钢的组织。
适量加入稀土元素(re)可净化钢质，减少夹杂物总量，使得夹杂物变细小、分散分布，能明显改善各向异性，提高横向冲击性能。并且能大幅度减少因沿纵向分布夹杂物引起的表面磁痕废品。
本发明还提供了所述添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢的生产方法，包括以下工艺步骤：冶炼→lf+rh精炼→保护浇注→压力加工→粗机加工→热处理→精机加工→检验入库。
进一步地，在rh精炼处理末期破空前加入纯度≥95％的镧铈稀土合金块；或者，在rh精炼处理破空后喂入纯度≥98％的镧铈稀土合金线。
所述压力加工步骤中的终锻温度为800～950℃。终锻温度过高则不利于组织细化和均匀，终锻温度过低则形变抗力过大、不利于压力加工，且已经发生相变。
所述压力加工步骤中进一步包括轧制开坯和快锻机锻造工艺。
所述热处理步骤为：终锻后利用锻造余热进行等温退火处理，即立即将车轴于580℃～710℃保温3～5小时，出炉后在空气中自然冷却，这样处理可获得平衡态组织，为后续热处理做好组织上的准备，有利于最终得到均匀的组织；然后进行2次正火+1次回火处理。
第1次正火加热温度850～890℃，保温3～5小时；第2次正火加热温度790～830℃，保温3～5小时。第1次正火是为了第2次正火做好组织上的准备，为了减轻组织遗传造成的组织不均匀性，第1次正火相对于第2次正火的温度较高，但加热温度不宜高于890℃，以免正火后组织过于粗大，也不宜低于850℃，否则减轻组织遗传的效果不好。第2次正火为了热处理后最终获得细小的组织，加热温度不宜高于830℃，但不宜低于790℃，以免造成加热时奥氏体化不完全。
优选的第一次正火加热温度870～880℃；第2次正火加热温度800～810℃。
回火加热温度500～600℃，保温3～5小时。回火加热温度高于600℃会导致强度明显下降，而低于500℃则回火不充分，对消除应力、改善韧性不利。
优选的回火加热温度为510～520℃。
现有铁路车辆用车轴钢大多存在以下问题：
1、车轴在精加工后磁粉表面探伤时，常发现表面0.5～30mm长细小的磁痕缺陷，比例可达1～5％，会造成车轴报废，参见图1，经过分析，磁痕主要是沿纵向分布的夹杂物引起的，参见图2，而采取一般冶炼措施很难完全消除这种磁痕缺陷。
2、在对车轴性能进行检验时，发现纵向冲击功(u型5mm缺口)一般能≥39j，平均45j，但横向冲击功往往只有18～30j，比较低。
根据本发明公开的方法得到的所述添加稀土元素的铁路车辆用车轴的主要组织为铁素体+珠光体，按gb/t6394检验的晶粒度等级细于6.5级，力学性能为：屈服强度≥399mpa、抗拉强度≥700mpa、纵向冲击功≥55j、横向冲击功≥38j。
本发明提供的一种添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢及其生产方法，可以明显减少铁路车辆车轴表面磁痕废品，降低生产成本。而且可提高其综合力学性能，尤其是提高其横向冲击功，从而提高车轴的使用安全性。
附图说明
图1为现有铁路车辆车轴在精加工后磁粉表面探伤时发现的磁痕缺陷；
图2为磁痕缺陷的扫描电镜图片，可见磁痕主要是沿纵向分布的夹杂物引起的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1～6及对比例1～2的车轴钢的化学成分及重量百分比如表1所示。
表1
生产工艺步骤如下：
110吨电炉冶炼→lf+rh精炼→保护浇注→压力加工(轧制开坯→快锻机锻造)→粗机加工→热处理→精机加工→检验入库。其中，实施例1～4在rh精炼处理末期破空前加入纯度99％的镧铈稀土合金块。实施例5～6在rh精炼处理破空后喂入纯度99％的镧铈稀土合金线，弱吹氩软吹。
各实施例和对比例的热处理工艺参数如表2所示。
表2
各实施例与对比例制成的车轴夹杂物评级情况(执行gb/t10561)见表3
表3
从表3可见，实施例的夹杂物级别明显降低。
表4列出了实施例和对比例的车轴精加工后表面磁粉探伤检验结果。从表3可见，实施例车轴表面磁粉探伤全都合格，而对比例的车轴有不合格现象，显然本发明技术方案具有优势，可减少废品率。
表4
各实施例与对比例制成的车轴的力学性能和显微组织情况见表5，晶粒度按gb/t6394检验。
表5
*注：f为铁素体；p为珠光体。
实施例1～6分别与对比例1、2比较可见，实施例1～6制成的车轴冲击功有提高，尤其是横向冲击功提高较多。实施例1～6和比例1、2制成的车轴组织均为f+p，但实施例1～6制成的车轴晶粒度较细。
上述参照实施例对一种添加稀土元素的铁路车辆用车轴钢及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。