專利名稱：一種耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼及熱處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于合金鋼領域，特別提供了一種優異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧 鋼的成分設計和熱處理工藝。
背景技術：
為了滿足國內日益增長的快速鐵路客運服務需要，全面實現鐵路裝備現代化和裝 備制造業現代化和中國鐵路跨越式發展，我國全面引進了國外高速鐵路動車組相關設計和 制造技術，時速200km及以上的動車組首次于2007年4月18日在全國鐵路第六次大面積 提速之后開始運行。轉向架是鐵路列車實現高速的關鍵部件之一，是高速列車的關鍵構件，在動車組 運行中起著承載、牽引、緩沖、轉向和制動等作用，轉向架技術是動車組的關鍵技術之一。而 高速列車用彈簧鋼是一種用于制造高速列車轉向架用鋼彈簧的關鍵材料，是承載車廂的安 全器件，其服役性能對高速列車安全運行非常重要。目前我國新造鐵路車輛車體全部采用 耐候鋼，采用耐候鋼配合其它措施會使貨車廠修期延長2年以上，耐候鋼耐蝕性能比熱鍍 鋅零件壽命延長50%以上。而且我國西南部酸雨及全國范圍內大氣污染問題已威脅到了 零部件使用壽命。據車輛企業統計，目前鋼彈簧因腐蝕引起的破壞占其破壞總數的20%以 上。因此，提高彈簧鋼材料的耐大氣腐蝕性能，對于提高彈簧壽命和使用安全性具有非常重 要的意義。對于高速列車的安全而言，彈簧疲勞破壞脆斷造成的事故危害很大。Al2O3等脆 性夾雜物對彈簧的疲勞性能非常有害，因此彈簧鋼材料必須嚴格控制Al以及雜質元素等 含量，以避免彈簧脆斷造成事故。在高速列車用鋼彈簧的生產過程中，熱處理工藝，主要是淬火和回火溫度以及保 溫時間等關鍵工藝參數對鋼彈簧的性能影響很大，回火溫度波動10°c會造成洛氏硬度波動 1HRC，對拉伸性能、沖擊性能也會產生影響。因此，優化鋼彈簧材料成分設計，選用合適的淬 火處理溫度、回火工藝溫度以及保溫時間，對高速列車鋼彈簧的生產具有重要意義。

發明內容
本發明的目的在于提供了一種優異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧鋼的成 分設計和熱處理工藝。采用本發明生產的高速列車用鋼彈簧除了具備高的屈服強度 (彡1400MPa)、抗拉強度(彡1500MPa)、延伸率(^ 9. 5% )和高的室溫沖擊功(彡20J)， 良好的疲勞性能等，還具有優異的耐大氣腐蝕性能。本發明的技術方案是—種高速列車用彈簧鋼的成分設計，在常規彈簧鋼主合金元素C、Mn、Cr、V等的基 礎上，加入0. 15 0. 25%的Cu，以獲得優異的耐大氣腐蝕性能；同時嚴格控制Al、S、P、0、 N等含量，以保證彈簧的優良疲勞性能。按重量百分比計，本發明的化學成分范圍為C :0· 47 % 0. 55 %，Si ^ 0. 40%, Mn 0. 70 1. 10 %，Cr 0. 90 1. 20 %，V 0. 10 0. 25 %，Cu :0. 15 0. 25 %，Al 彡 0. 030 %，S 彡 0. 015 %，P 彡 0. 015 %，0 (0. 005%, N 彡 0. 010%, Fe 其余。 在本發明上述彈簧鋼的化學成分范圍內，熱處理工藝主要特點為(1)淬火溫度850 900°C，淬火方式為油淬；(2)回火溫度460 480°C，保溫時間30 60分鐘，隨后空冷或水冷。除了上述的關鍵工藝參數外，其他工藝參數為鐵路列車用鋼彈簧的常規工藝技 術。本發明的有益效果是采用這種設計的化學成分和熱處理工藝，可以生產出優良綜合力學性能、良好疲 勞性能、優異耐大氣腐蝕性能的高速列車用鋼彈簧，對于提高我國高速列車用鋼彈簧的壽 命和使用安全性具有重要意義。


圖1為本發明高速列車用鋼彈簧材料的截面硬度分布與回火溫度關系圖。其中， (a)實施例1 ； (b)實施例2。圖2為本發明高速列車用鋼彈簧材料和對比材料周期浸潤腐蝕實驗的掃描電鏡 形貌。其中，(a)實施例1 ； (b)實施例2 ； (c)對比材料。圖3為本發明高速列車用鋼彈簧材料周期浸潤腐蝕實驗腐蝕產物的掃描電鏡能 譜分析結果。圖4為本發明高速列車用鋼彈簧材料和對比材料模擬酸雨干濕交替腐蝕實驗的 掃描電鏡形貌。其中，(a)實施例1 ;(b)對比材料。圖5為本發明高速列車用鋼彈簧材料模擬酸雨干濕交替腐蝕實驗腐蝕產物的掃 描電鏡能譜分析結果。
具體實施例方式實施例實施例1、實施例2和對比材料的化學成分如表1所示，其常規熔煉和軋制過程如 下鐵水預處理一電爐冶煉一LF精煉一VD真空脫氣一連軋成方坯一緩冷一加熱爐加 熱一軋制成圓棒料一冷卻一矯直一磨光。實施例1和實施例2采用850°C /油淬+460 480°C /保溫30分鐘/回火/空 冷后的硬度分布如圖1所示，結果表明，實施例的表面附近硬度為45 51HRC，且心部與表 面硬度差不大于3HRC。實施例1和實施例2經850°C /油淬+460 480°C /保溫30分鐘/回火/空冷后的 室溫拉伸和沖擊性能的平均值見表2，可以看出，實施例具有高的屈服強度(彡1400MPa)、 抗拉強度(彡1500MPa)、延伸率(彡9. 5% )和高的室溫沖擊功(彡20J)。表1實施例和對比材料的化學成分(重量百分比) 表2實施例的室溫拉伸性能和沖擊性能 注室溫沖擊樣品尺寸為10_X10_X55mm，U型缺口。采用本發明實施例1和實施例2的化學成分以及熱處理工藝生產的高速列車用鋼 彈簧疲勞性能良好，通過了 200萬次疲勞試驗。根據GB 10561-2005和DIN 50602:1985夾 雜物評級標準，其夾雜物評級結果如表3所示。結果表明，其夾雜物等級均很小；夾雜物主 要為硫化物夾雜。表3實施例的夾雜物等級評定結果 將實施例1、實施例2和對比材料進行850°C油淬+475°C /30分鐘/回火/空冷熱 處理。參考TB/T 2375-93，線切割取樣并在磨床上將表面磨光，加工成表面粗糙度滿足實驗 要求，尺寸為30mmX20mmX2. 5mm的試樣。進行周期浸潤腐蝕實驗，實驗條件如下溫度45士2°C，循環周期60士3分鐘，浸漬時間6分鐘，潤濕時間6分鐘，烘烤后表 面最高溫度70士 10°C。浸潤介質采用NaHS03溶液，初始濃度為0. Olmol/1，補給液濃度為 0. 02mol/l，連續實驗100小時。每組材料均準備了 6個樣品，其中5個樣品用來計算腐蝕 失重率，另外1個樣品用于腐蝕形貌的觀察。實驗結果表明，實施例1、實施例2和對比材料的腐蝕速率分別為1. 91g/(m2 h)、1. 73g/(m2 · h)和1. 99g/(m2 · h)，實施例1和實施例2的腐蝕速率均低于對比材料。利用掃描電鏡對實施例1、實施例2和對比材料的腐蝕形貌進行了觀察，如圖2所 示，結果表明，對比材料的腐蝕較嚴重，實施例1和實施例2的腐蝕較輕。掃描電鏡能譜分 析結果表明，見圖3，腐蝕產物主要為Fe、Cr、V的氧化物和硫化物。另外，選用經850°C油淬+475°C /30分鐘/回火/空冷熱處理的實施例1和對比 材料，進行了模擬酸雨干濕交替實驗，樣品的加工流程和尺寸等與上述周期浸潤腐蝕實驗 樣品相同，實驗條件如下浸漬(40°C /2分鐘)一濕潤(40°C /2分鐘)一干燥(50°C /11分鐘)一循環；浸 漬介質0· 005mol/l NaHS03+0 . 00 5mol/l (NH4) 2S04+0 . 001mol/l H2SO4 溶液；連續實驗 72 小 時。每組材料均準備6個樣品，其中5個樣品用來計算腐蝕速率，另1個樣品用于腐蝕形貌 的觀察。實驗測得實施例1的平均腐蝕速率為2. 82g/(m2 -h)，對比材料的平均腐蝕速率為 3. 13g/(m2 · h)，即實施例1在模擬酸雨環境下的腐蝕速率比對比材料低10%左右，表明其 具有相對優異的耐大氣腐蝕能力。利用掃描電鏡對實施例1 和對比材料的腐蝕形貌進行觀察，見圖4，結果表明，對 比材料的腐蝕比實施例1的腐蝕明顯嚴重。掃描電鏡能譜分析見圖5，結果表明，腐蝕產物 主要為Fe、Cr的氧化物和硫化物。
權利要求
一種耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼，其特征在于，按重量百分比計，其化學成分范圍如下C0.47％～0.55％，Si≤0.40％，Mn0.70～1.10％，Cr0.90～1.20％，V0.10～0.25％，Cu0.15～0.25％，Al≤0.030％，S≤0.015％，P≤0.015％，O≤0.005％，N≤0.010％，Fe其余。
2.一種如權利要求1所述的耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼的熱處理工藝，其特征在 于，熱處理工藝如下(1)淬火溫度850 900°C，淬火方式為油淬；(2)回火溫度460 480°C，保溫時間30 60分鐘，隨后空冷或水冷。
全文摘要
本發明屬于合金鋼領域，特別提供了一種優異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧鋼的成分設計和熱處理工藝。所述彈簧鋼的化學成分(重量百分比)為C0.47％～0.55％，Si≤0.40％，Mn0.70～1.10％，Cr0.90～1.20％，V0.10～0.25％，Cu0.15～0.25％，Al≤0.030％，S≤0.015％，P≤0.015％，O≤0.005％，N≤0.010％，Fe其余。其熱處理工藝為850～900℃/油淬+460～480℃/保溫30～60分鐘/回火。采用本發明生產的高速列車用鋼彈簧除了具備高的屈服強度(≥1400MPa)、抗拉強度(≥1500MPa)、延伸率(≥9.5％)和高的室溫沖擊功(≥20J)，良好的疲勞性能等，還具有優異的耐大氣腐蝕性能。
文檔編號C21D1/58GK101864539SQ20091001115
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者單以銀, 楊柯, 王偉, 王松濤 申請人:中國科學院金屬研究所