一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝，所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的化學(xué)成分質(zhì)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，Nb：0.015~0.040，Ti：0.010~0.030，Cu：0.10~0.30，B：0.0008~0.0050，Als：0.010~0.050，其余為鐵和殘余的微量雜質(zhì)；所述車(chē)含鈮鈦高速列車(chē)軸的熱處理工藝為：（1）900-950℃正火；（2）880-930℃淬火；（3）620~680℃回火。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車(chē)軸鋼領(lǐng)域，尤其涉及高速列車(chē)車(chē)軸用合金結(jié)構(gòu)鋼及其熱處理工藝技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 車(chē)軸是車(chē)輛行走部分的關(guān)鍵零件，承受著車(chē)輛的自重和負(fù)荷，在車(chē)輛運(yùn)行和停車(chē) 時(shí)還承受沖擊力和制動(dòng)力，在高速和重載的狀態(tài)下受力情況就更為復(fù)雜，是鐵路建設(shè)的三 大關(guān)鍵零件(重軌、車(chē)軸和車(chē)輪）之一，火車(chē)軸屬于超大型軸對(duì)稱(chēng)階梯狀軸類(lèi)零件，其最大直 徑為200mm左右，長(zhǎng)度達(dá)2200mm左右。
[0003] 隨著我國(guó)高速鐵路的投入運(yùn)行，火車(chē)速度進(jìn)一步提高，作為鐵路列車(chē)關(guān)鍵部件之 一的高速車(chē)軸是鐵路列車(chē)重要的走行部件，其質(zhì)量直接關(guān)系到高速鐵路運(yùn)行安全。高速列 車(chē)車(chē)軸要保證在所規(guī)定的使用條件下，具有足夠的安全性、可靠性和長(zhǎng)使用壽命，這就對(duì)車(chē) 軸材料相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。高速列車(chē)車(chē)軸承受著源自車(chē)體及軌道的各種載荷，其 中主要是旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，在這些失效形式中，裂紋引起的失效占全 部失效車(chē)軸的90%以上，裂紋引起的車(chē)軸失效形式最終表現(xiàn)為疲勞斷裂，疲勞斷裂是一個(gè) 裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂的過(guò)程，其疲勞破壞直接危及運(yùn)輸安全。因此，對(duì)車(chē)軸鋼材而言，主 要是保證其良好的強(qiáng)度(特別是彎扭復(fù)合疲勞強(qiáng)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(tài)及尺寸效應(yīng)、鋼的耐腐蝕性等。
[0004] 世界各鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視高速車(chē)軸的研究工作，從材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處 理和運(yùn)用維護(hù)等方面不斷改善。由于各國(guó)的國(guó)情和技術(shù)觀點(diǎn)不同，選用的車(chē)軸材料也不相 同。目前，國(guó)內(nèi)外高速車(chē)軸用鋼大致可分為3類(lèi)：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、中合金結(jié)構(gòu)鋼、高合金結(jié) 構(gòu)鋼。
[0005] (1)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)處理熱處理工藝而言，日本高速車(chē)軸原材料成本低，但熱處理 工藝復(fù)雜，熱處理工藝參數(shù)控制精度要求高。
[0006] (2)中合金結(jié)構(gòu)鋼。歐洲高速車(chē)軸材料大多采用中合金結(jié)構(gòu)鋼（如EA4T)，通過(guò)采用 強(qiáng)化處理方法來(lái)提高車(chē)軸的強(qiáng)韌性指標(biāo)，熱處理工藝簡(jiǎn)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(duì)于大截面車(chē)軸來(lái)說(shuō)，存在淬不透的問(wèn)題，導(dǎo)致車(chē)軸 截面顯微組織和性能不均勻，影響了高速車(chē)軸的整體性能指標(biāo)。中國(guó)專(zhuān)利201210555924. 9 提供了一種車(chē)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(zhuān)利生產(chǎn)的大截面車(chē)軸來(lái)也存在淬不透的問(wèn)題。
[0007] (3)高合金結(jié)構(gòu)鋼。部分歐洲高速車(chē)軸材料選用30NiCrMoV12等高合金結(jié)構(gòu)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(lèi)鋼種有很多優(yōu)點(diǎn)諸如 淬透性好、可油淬、變形小、硬度高、屈強(qiáng)比高、耐腐蝕性能好等等，但是造價(jià)比較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工 藝，利用微量Nb、B及少量Ni、Cu復(fù)合合金化原理，結(jié)合對(duì)熱處理工藝優(yōu)化，在少量增加成本 的前提下，顯著提高高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗疲勞性和低溫韌性，進(jìn)而顯 著提高高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的生產(chǎn)工藝更 加簡(jiǎn)易、高效，從而生產(chǎn)出低成本高性能的高速列車(chē)車(chē)軸用鋼。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用鋼，其化學(xué)成分 的質(zhì)量百分比（wt % )為：C :0· 25?0· 32, Si :0· 15?0· 40, Μη :0· 60?0· 90, P :彡 0· 015， S ： ^ 0. 010, Cr ：1. 00^1. 20, Mo ：0. 20^0. 35, Ni ：0. 15^0. 30, Nb ：0. 015^0. 040, Ti ： 0· 01(Γ〇· 030, 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(zhì)；所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝為：（1)正火：將所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸 以5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T95(TC保溫，保溫時(shí)間按1. 2?1. 7min/mm計(jì)算，隨后空冷 至室溫；（2)淬火：將所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至88(T930°C保 溫，保溫時(shí)間按1. 5~2. Omin/mm計(jì)算，隨后進(jìn)行水冷至室溫；（3)回火：將所述含鈮鈦高速列 車(chē)車(chē)軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫，保溫時(shí)間按2?2. 5min/mm計(jì)算，隨 后空冷至室溫。
[0010] 本發(fā)明鋼以多元少量的合金化原則進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)。
[0011] (1)碳：C是主要強(qiáng)化元素，對(duì)鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性有很大影響，C過(guò)高會(huì)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(yīng)適當(dāng)降低，損失的強(qiáng)度則由其它合 金元素和微合金元素來(lái)彌補(bǔ)。綜合考慮，高速車(chē)軸鋼的C含量范圍應(yīng)在0. 259Γ0. 32%為宜。
[0012] (2)硅：Si是固溶強(qiáng)化作用最明顯的元素，同時(shí)也是對(duì)韌性損失最大的元素。車(chē)軸 鋼強(qiáng)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(qiáng)化元素，因此Si含量控 制在一般較低的水平，以不超過(guò)〇. 4%為宜，范圍考慮在0. 159ΓΟ. 40%。
[0013] (3)錳：Μη主要起固溶強(qiáng)化作用。與Si不同的是Μη在1.0%含量以?xún)?nèi)，其對(duì)韌性 并無(wú)損害，但隨著Μη含量的進(jìn)一步增加，鋼的韌性逐漸降低。因此高速車(chē)軸鋼設(shè)計(jì)Μη含量 以不超過(guò)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(gè)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(qiáng)性，防止回火脆性；同時(shí)，Mo能使鋼 的晶粒細(xì)化，提高鋼的強(qiáng)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(xì)化鋼的組織、改善鋼的低溫性能的作用，并具有固溶強(qiáng)化、提高 淬透性作用，但其價(jià)格昂貴。綜合考慮，范圍可控制在0. 15、. 30%。
[0017] (7)銅：Cu在固溶強(qiáng)化、提高淬透性方面與Ni相似；同時(shí)，在鋼中加入銅還可提高 鋼的抗疲勞性能，因?yàn)榧?xì)小的Cu沉淀阻滯了疲勞的初期階段脈狀結(jié)構(gòu)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(kuò)展，從而提高鋼的疲勞強(qiáng)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(guò)高，鋼在加熱 軋制或鍛造過(guò)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(duì)車(chē)軸鋼的強(qiáng)韌化效果主要表現(xiàn)為晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化。 Nb在鋼中以置換溶質(zhì)原子存在，Nb原子比鐵原子尺寸大，易在位錯(cuò)線(xiàn)上偏聚，對(duì)位錯(cuò)攀移 產(chǎn)生強(qiáng)烈的拖曳作用，使再結(jié)晶形核受到抑制，對(duì)再結(jié)晶具有強(qiáng)烈的阻止作用，提高了奧氏 體的再結(jié)晶溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的，晶粒細(xì)化不僅能提高鋼材的強(qiáng)韌性，而 且改善鋼材的低溫性能。但其價(jià)格昂貴。綜合考慮，Nb的范圍可控制在0.0159Π ). 040%。
[0019] (9)鈦：在鋼中加入微合金元素 Ti能起到固溶、偏聚和沉淀作用，當(dāng)它們與碳、 氮、硫等交互作用能產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化、析出物彌散強(qiáng)化以及夾雜物改性等，使鋼的強(qiáng)度和韌性 加強(qiáng)，并可提高鋼的回火穩(wěn)定性。綜合考慮，Ti的范圍可控制在0. 0159Γ0. 030%。
[0020] (10)硼：當(dāng)鋼中含有微量的（0. 0008~0. 005%)硼時(shí)，鋼的淬透性可以顯著提高， 對(duì)于C含量為0. 25、. 32%的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，加硼后其最大淬透直徑可提高50%以上。對(duì) 于大截面中合金車(chē)軸用結(jié)構(gòu)鋼，存在淬不透的問(wèn)題，導(dǎo)致車(chē)軸截面顯微組織和性能不均勻， 影響了高速車(chē)軸的整體性能指標(biāo)，因此需要通過(guò)硼合金化來(lái)進(jìn)一步提高其淬透性。同時(shí)，硼 合金化成本低，且硼對(duì)鋼的淬裂敏感性影響很小。
[0021] 本發(fā)明含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)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(chē)軸坯軋制一車(chē)軸坯鍛造一毛坯車(chē)軸粗 車(chē)一車(chē)軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車(chē)軸外圓精車(chē)加工一車(chē)軸內(nèi)孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0022] 本發(fā)明關(guān)鍵的熱處理工藝步驟如下： (1)正火：將最大直徑為200mm左右、長(zhǎng)度達(dá)2200mm左右的含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用鋼 加熱至溫度90(T95(TC，加熱保溫時(shí)間按1. 2~1. 7min/mm計(jì)算，空冷至室溫。經(jīng)正火后不僅 細(xì)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(zhǔn)備。
[0023] (2)淬火：將最大直徑為200mm左右、長(zhǎng)度達(dá)2200mm左右的含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸 用鋼加熱至溫度88(T930°C，加熱保溫時(shí)間按1. 5?2. Omin/mm計(jì)算，隨后進(jìn)行水冷至室溫。
[0024] (3)回火：將最大直徑為200mm左右、長(zhǎng)度達(dá)2200mm左右的含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸 用鋼至加熱溫度62(T680°C，加熱保溫時(shí)間按2?2. 5min/mm計(jì)算，隨后空冷至室溫。經(jīng)過(guò) 回火，可獲得均勻細(xì)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(qiáng)度指標(biāo)。
[0025] 采用本發(fā)明的化學(xué)成分、工藝流程和熱處理工藝工藝參數(shù)生產(chǎn)的含鈮鈦高速列 車(chē)車(chē)軸用鋼，測(cè)定鋼材的縱向力學(xué)性能可達(dá)到：R pQ.2彡574MPa，Rm彡728MPa，A彡21%， Z彡69%，-40°C縱向沖擊吸收功Kv2彡189J，表面光滑試樣的疲勞極限心彡369MPa，表面 帶有缺口試樣的疲勞極限R fE彡301MPa，Ra/RfE彡1. 23。車(chē)軸鋼材的晶粒度大于等于8. 5 級(jí)。高速列車(chē)車(chē)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(chē)軸近表面回火索氏體含量約在7(Γ90%，車(chē)軸1/2半徑處回火索氏體含量約在4(Γ60%。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)采用微量Nb、Ti、B及少量Ni、Cu復(fù)合合金化 原理，結(jié)合對(duì)熱處理工藝優(yōu)化，用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化機(jī)制，得到具有均勻細(xì)密 索氏體+下貝氏體金相組織的高速車(chē)軸鋼組織狀態(tài)，開(kāi)發(fā)出了屈服強(qiáng)度為574MPa的高速車(chē) 軸鋼，在少量增加成本的前提下，顯著提高了高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的淬透性、耐腐蝕性、抗疲 勞性和低溫韌性，進(jìn)而顯著提高了高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的整體性能、壽命和安全性，使高速列 車(chē)車(chē)軸用鋼的生產(chǎn)工藝更加簡(jiǎn)易、高效，從而生產(chǎn)出了低成本高性能的高速列車(chē)車(chē)軸用鋼。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下的實(shí)施例用于闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí)施例。
[0028] 本發(fā)明含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)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(chē)軸坯軋制一車(chē)軸坯鍛造一毛坯車(chē)軸粗 車(chē)一車(chē)軸齊端面加工一正火+淬火+高溫回火熱處理一車(chē)軸外圓精車(chē)加工一車(chē)軸內(nèi)孔鏜削 加工一外圓磨削一探傷。
[0029] 本發(fā)明含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用鋼的熔煉化學(xué)成分、主要熱處理工藝參數(shù)與性能的 實(shí)施例如下： 熱處理工藝步驟及參數(shù)為： (1)正火：以5(Tl00°C /h的速度加熱至900-950°C保溫，保溫時(shí)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(shí)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，保溫時(shí)間400-500min，隨后空 冷至室溫。
[0032] 最大直徑為Φ200·ι、長(zhǎng)度達(dá)2200mm高速列車(chē)車(chē)軸的熔煉化學(xué)成分質(zhì)量百分比 (wt % )見(jiàn)表1，高速列車(chē)車(chē)軸經(jīng)過(guò)以上熱處理后的性能指標(biāo)見(jiàn)表2。
[0033] 表1高速列車(chē)車(chē)軸鋼的熔煉化學(xué)成分質(zhì)量百分比（wt % )

【權(quán)利要求】
1. 一種含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝，其特征在于，所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸用 鋼的化學(xué)成分的質(zhì)量百分比（Wt%)為：C :0. 25?0. 32, Si :0. 15?0. 40, Mn :0. 6(Γ〇. 90, P : ^ 0. 015, S 0. 010,Cr ：1. 00^1. 20,Mo ：0. 20^0. 35,Ni ：0. 15^0. 30,Nb ：0. 015^0. 040,Ti ： 0· 01(Πλ 030, Cu :0· 1(Πλ 30, B :0· 0008?0050, Als :0· 01(Πλ 050,其余為鐵和殘余的微 量雜質(zhì)；所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸的熱處理工藝為： (1) 正火：將所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至90(T950°C保溫， 保溫時(shí)間按1. 2~1. 7min/mm計(jì)算，隨后空冷至室溫； (2) 淬火：將所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至88(T930°C保溫， 保溫時(shí)間按1. 5~2. Omin/mm計(jì)算，隨后進(jìn)行水冷至室溫； (3) 回火：將所述含鈮鈦高速列車(chē)車(chē)軸以5(Tl00°C /h的速度加熱至62(T680°C保溫， 保溫時(shí)間按2?2. 5min/mm計(jì)算，隨后空冷至室溫。
【文檔編號(hào)】C21D9/28GK104233112SQ201410532110
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】汪開(kāi)忠, 蘇世懷, 杜松林, 孫維, 于文壇, 許興, 謝世紅 申請(qǐng)人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司