一种钒氮微合金化碳素钢及其热处理工艺,生产方法和用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及重载车轴用钒氮微合金化碳素钢及其热处理工艺，具体涉及一种钒氮 微合金化碳素钢及其热处理工艺，生产方法和用途。
【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，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200_左右，长度达2200mm左右。
[0003] 随着铁路高速、重载技术的快速发展，为了提高运输效率、减轻车箱重量、节约运 输成本以及延长车箱使用寿命，对制造高速重载车轴用钢的强度级别和延伸性能、塑性、疲 劳性能等的要求不断提高，这就对车轴材料相关技术提出了更高的要求。目前，常用的车轴 材料主要有35钢和50钢，其中，前者强度级别偏低，后者延伸性能、塑性不足，不能满足30t 以上轴重车轴制造要求。因此，很有必要开发出新型重载车轴用钢，使其既具有50钢的强 度级别，又拥有35钢的延伸性能、塑性指标。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种钒氮微合金化碳素钢及其热处理工艺，生产方法和用 途，在少量增加成本的前提下，通过合适的热处理工艺，利用钒氮化物的第二相析出，提高 重载列车车轴用钢的强度、延伸性能、塑性、抗疲劳性和低温韧性，进而显著提高重载列车 车轴用钢的整体性能、寿命和安全性，使重载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重载列车车轴用钢。具体技术方案如下：
[0005] 一种钒氮微合金化碳素钢，按照质量百分比含有如下组分：C:0. 39~0. 45,Si: 0? 15 ~0? 40,Mn:0? 60 ~0? 90,P:彡 0? 015,S:彡 0? 010,V:0? 12 ~0? 16，[N] :0? 012 ~ 0. 016,Als:0. 015~0. 050,其余为铁和残余的微量杂质。
[0006] 进一步地，热处理后钢材的组织为珠光体+铁素体，实际晶粒度彡7.0级；其纵向 力学性能为：匕彡670MPa，ReL或RpQ2> 375MPa，A彡22%，Z彡40%，20°C纵向冲击吸收功 KU2> 50J，表面光滑试样的疲劳极限Rfl彡320MPa。
[0007] 上述钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，包括如下步骤：
[0008] (1) -次正火：加热至温度870~920°C，加热保温时间按1. 2~1. 7min/mm计算， 冷却；
[0009] (2)二次正火：加热至温度790~820°C，加热保温时间按1. 2~1. 7min/mm计算， 冷却；
[0010] (3)回火：加热至温度520~560°C，加热保温时间按2~2. 5min/mm计算，冷却。
[0011] 进一步地，步骤（1)中，采用风冷或气雾冷却。
[0012] 进一步地，步骤（2)中，采用风冷或气雾冷却。
[0013] 进一步地，步骤（3)中，空冷至室温。
[0014] 进一步地，包括如下步骤：
[0015] (1) -次正火：加热温度900°C，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
[0016] (2)二次正火：加热温度800°C，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
[0017] (3)回火：加热温度540°C，加热保温时间450min，空冷。
[0018] 上述钒氮微合金化碳素钢的生产方法，包括如下步骤：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锻造一毛坯车轴粗 车一车轴齐端面加工一热处理：一次正火+二次正火+回火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。
[0019] 上述钒氮微合金化碳素钢的用途，用于重载车轴。
[0020] 进一步地，含钒氮碳素列车车轴用钢最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右。
[0021] 与目前现有技术相比，本发明通过采用钒氮微合金化原理，结合对热处理工艺优 化，用细晶强化、析出强化机制，得到具有均匀珠光体+铁素体金相组织的重载车轴用钒氮 微合金化碳素钢组织状态，开发出了屈服强度为375MPa级的重载车轴用含钒氮碳素钢，在 少量增加成本的前提下，显著提高重载列车车轴用钢的强度、延伸性能、塑性、抗疲劳性和 低温韧性，进而显著提高重载列车车轴用钢的整体性能、寿命和安全性，使重载列车车轴用 钢的生产工艺更加简易、高效，从而生产出低成本高性能的重载列车车轴用钢。该技术生产 的产品完全满足相关标准的要求，增强了企业的竞争力。
【具体实施方式】
[0022] 下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实 施例。
[0023] 在一个优选实施例中，一种重载车轴用钒氮微合金化碳素钢及其热处理工艺，含 钒氮重载列车车轴用钢化学成分的质量百分比（wt% )为：C:0. 39~0. 45,Si:0. 15~ 0.40，Mn:0.60~0.90，P:<0.015，S:<0.010，V:0.12~0.16，[N]:0.012~0.016，Als: 0. 015~0. 050,其余为铁和残余的微量杂质。本发明钢以多元少量的合金化原则进行了成 分设计：
[0024] (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，新型碳素车轴钢的C含量范围应在0.39%~ 0. 45%为宜。
[0025] (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. 15%~0. 40%。
[0026] (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。因此车轴钢设计Mn含量以不 超过1. 0%为宜，范围可控制在0. 60%~0. 90%。
[0027] (4)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? 12%~0? 16%〇
[0028] (5)氮：含钒钢中增氮促进了碳氮化钒在奥氏体、铁素体中的析出，钒氮钢中不 仅析出相数量显著增加，而且析出相的尺寸也明显细化（析出相尺寸越细小，其析出强化 作用就越强）；同时，含钒钢中增氮有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒 的作用。二者共同作用，有效提高了钢的强度和韧塑性。综合考虑，[N]的范围可控制在 0. 012%~0. 016%。
[0029] 钒氮微合金化碳素钢重载车轴