專利名稱：：一種車輪鋼及其制備方法和車輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種車輪鋼及其制備方法以及由該車輪鋼制成的車輪。
背景技術(shù)：
：車輪作為車輛行駛的重要部件，長期處于交變應(yīng)力作用下，其使用要求車輪鋼具有高的疲勞壽命和冷成形性能。因此，車輪鋼除了應(yīng)具有較高的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有良好的塑韌性。目前，國內(nèi)寶鋼、武鋼、鞍鋼、本鋼、攀鋼等鋼鐵企業(yè)先后成功開發(fā)出各自的汽車車輪用熱軋鋼板。對抗拉強(qiáng)度440兆帕級的汽車車輪用熱軋鋼板，除攀鋼外，其它廠家采用含碳較高或鈮微合金化生產(chǎn)。然而，對于含碳較高的汽車車輪用熱軋鋼板成型性能和焊接性能不理想，容易出現(xiàn)開裂，或需要增加退火工序來改善成型性能；對于采用含鈮汽車車輪用熱軋鋼板，必須采用控軋控冷及低溫下生產(chǎn)工藝，同時對其生產(chǎn)設(shè)備有較高的要求。攀鋼采用鈦微合金化生產(chǎn)汽車車輪用熱軋鋼板，現(xiàn)有工藝存在強(qiáng)度和塑性偏低等問題，其中，強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)下限尤為突出。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)提供的車輪鋼的強(qiáng)度和韌性較低的缺陷，提供一種具有較高強(qiáng)度和韌性的車輪鋼。本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)添加Ca并同時適當(dāng)調(diào)節(jié)Mn、酸溶Al和Ti的含量，制備的車輪鋼具有更高的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明提供了一種車輪鋼，其中，該車輪鋼含有以下化學(xué)成分以該車輪鋼總重量為基準(zhǔn)，以單質(zhì)計，C0.07-0.12重量％、Si0.01-0.15重量％、Mnl.1-13重量％、Ti0.01-0.04重量％、Ca0.001-0.004重量％、酸溶A10.015-0.065重量％、P《0.025重量X、S《0.015重量X、Fe97.31-98.87重量％。本發(fā)明還提供了一種車輪鋼的制備方法，其中，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中將碳質(zhì)材料、脫氧劑、錳鐵合金和鈦鐵合金加入到鐵水中，并且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準(zhǔn)，C0.05-0.11重量％、SiO.009-0.014重量％、Mn1.0-1.25重量％、Ti0.009-0.03重量％;在所述爐外精煉時加入鋁、碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種，之后加入硅_鈣合金和/或鈣_鐵合金，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量處于本發(fā)明提供的車輪鋼的范圍。本發(fā)明還提供了一種車輪，其中，該車輪由本發(fā)明所提供的車輪鋼制成。本發(fā)明提供的車輪鋼具有更高的適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性。例如實施例1提供的車輪鋼的屈服強(qiáng)度為440兆帕、抗拉強(qiáng)度Rm為525兆帕，伸長率A為38%;而對比例1提供的車輪鋼的屈服強(qiáng)度為365兆帕、抗拉強(qiáng)度Rm為465兆帕，伸長率A為34%。本發(fā)明提供的車輪鋼的制備方法，通過控制吹煉終點的碳含量以及過程酸溶鋁含量可保證鋼水中鈦不被過度氧化，以使鈦以單質(zhì)或TiC、TiN、Ti(CN)的形式存在制備的鋼中，發(fā)揮其優(yōu)異的性能，同時添加Ca并適當(dāng)調(diào)節(jié)Mn的含量，使制備的車輪鋼具有更高的強(qiáng)度和韌性。具體實施例方式本發(fā)明提供了一種車輪鋼，其中，該車輪鋼含有以下化學(xué)成分以該車輪鋼總重量為基準(zhǔn)，以單質(zhì)計，C0.07-0.12重量％、Si0.01-0.15重量％、Mnl.1-1.3重量％、Ti0.01-0.04重量％、Ca0.001-0.004重量％、酸溶A10.015-0.065重量％、P《0.025重量X、S《0.015重量X、Fe97.31-98.87重量％。在本發(fā)明的車輪鋼中還含有正常范圍內(nèi)的伴生元素或常見雜質(zhì)，如N、V、Cu、Cr、Ni等。所謂酸溶Al是指鋼中可以被酸溶解的鋁。鋼中的鋁分為兩種，一種是來不及上浮到渣中的脫氧產(chǎn)物八1203中的鋁，由于八1203不能溶于酸中，所以將與氧結(jié)合的鋁稱為酸不溶鋁，將其余可被酸溶解的鋁稱為酸溶鋁，酸溶鋁常用"Als"表示，鋼中酸溶鋁和酸不溶鋁之和稱為全鋁，常用"Al"或"Alt"表示。本發(fā)明所稱的酸溶鋁指如以上所描述的存在于鋼中可以被酸溶解的鋁(Als)，所涉及的對酸溶鋁的量的表述也指上述可以被酸溶解的酸溶鋁中鋁元素的量。鋼中加入鋁的目的主要是為了脫除鋼中的氧，避免在凝固過程中形成非金屬夾雜物，鋁還有細(xì)化晶粒的作用。如果酸溶鋁的含量低于0.01重量％，則脫氧效果不充分，如果酸溶鋁的含量超過0.1重量％，則不經(jīng)濟(jì)，并且對鋼板的疲勞和焊接性能不利。因此，本發(fā)明中將酸溶鋁控制為0.015-0.065重量％。作為一種優(yōu)選的實施方式，所述車輪鋼含有以下化學(xué)成分以該車輪鋼總重量為基準(zhǔn)，C0.07-0.09重量X、Si0.04-0.10重量X、Mn1.15-1.25重量％、Ti0.015-0.025重量％、Ca0.002-0.003重量％、酸溶Al0.025-0.045重量％、P《0.020重量％、S《0.008重量％、Fe98.53-98.69重量％。本發(fā)明提供的440MPa級車輪鋼的強(qiáng)度高于現(xiàn)有技術(shù)提供的該強(qiáng)度級別車輪鋼的強(qiáng)度，例如，使屈服強(qiáng)度R^平均增加34兆帕以上，抗拉強(qiáng)度Rm平均增加26兆帕以上，同時伸長率A平均增加3X以上。本發(fā)明還提供了一種車輪鋼的制備方法，其中，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中將碳質(zhì)材料、脫氧劑、錳鐵合金和鈦鐵合金加入到鐵水中，并且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準(zhǔn)，C0.05-0.11重量％、SiO.009-0.014重量X、Mn1.0-1.25重量％、Ti0.009-0.03重量％;在所述爐外精煉時加入鋁、碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種，之后加入硅_鈣合金和/或鈣_鐵合金，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量處于本發(fā)明提供的車輪鋼的范圍。通常，本發(fā)明硅的含量可以通過添加如錳鐵合金和鈦鐵合金或硅-鈣合金所含有的硅雜質(zhì)實現(xiàn)；在特定情況下，如原料鐵水中的硅含量極低，而添加的合金如錳鐵合金和鈦鐵合金或硅-鈣合金中的硅雜質(zhì)含量很低的情況下，可以通過加入硅鐵合金或者硅錳鐵合金實現(xiàn)。作為一種優(yōu)選的實施方式，在所述合金化步驟中將碳質(zhì)材料、脫氧劑、錳鐵合金和鈦鐵合金加入到鐵水中，并且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準(zhǔn)，C0.065-0.085重量X、Si0.035-0.09重量％、Mn1.05-1.2重量％、Ti0.01-0.02重量％;在爐外精煉時加入鋁、碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種，之后加入硅_鈣合金和/或鈣_鐵合金，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量處于本發(fā)明提供的車輪鋼的范圍。在所述吹煉結(jié)束時控制終點碳在0.03-0.06，出鋼時進(jìn)行預(yù)脫氧及合金化，加入碳質(zhì)材料調(diào)節(jié)所述鋼水中的含碳量，使鋼水中的含碳量符合本發(fā)明提供的車輪鋼中碳的含量。加入錳鐵合金(Fe-Mn)和鈦鐵合金(Fe-Ti)進(jìn)行合金化以調(diào)節(jié)鐵水中的Mn和Ti的含量以及調(diào)節(jié)車輪鋼的成分結(jié)構(gòu)。碳質(zhì)材料與Fe-Mn和Fe-Ti可以同時加入，優(yōu)選在加入碳質(zhì)材料后依次加入Fe-Mn和Fe-Ti。為了控制入爐鐵水P和S的含量分別小于或等于入爐鐵水總重量的0.025%和0.015%，可以采用脫硫、脫磷后的鐵水冶煉車輪鋼。為了控制鋼水的氧化程度，降低鋼水中的含氧量，應(yīng)對吹煉終點進(jìn)行控制，以吹煉步驟中鐵水總重量為基準(zhǔn)，所述吹煉步驟終點的C控制在0.03-0.06重量％時，停止吹煉。所述吹煉是向鐵水中通入氧氣使鐵水中的一些雜質(zhì)，如碳、磷、硅氧化的過程。吹煉按照本領(lǐng)域常規(guī)的方法進(jìn)行。此外，為了進(jìn)一步控制鋼水的氧化程度，作為一種優(yōu)選的實施方式，可以在合金化前加入脫氧劑對鋼水進(jìn)行處理，所述脫氧劑的加入量可以為本領(lǐng)域的常規(guī)加入量，優(yōu)選為3.0-4.0千克/噸鋼水。在本發(fā)明提供的車輪鋼制備方法中，通過嚴(yán)格控制終點碳及脫氧劑的添加量使氧在鋼水中的含量為25ppm以下，使盡可能防止鈦的氧化，從而保證在制備的車輪鋼中鈦有一定的含量，并以單質(zhì)或碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦中的一種或幾種存在，而不是以氧化物或者鹽的形式存在，以充分發(fā)揮鈦的功能。所述脫氧劑為本領(lǐng)域常規(guī)的脫氧劑，優(yōu)選為鋁、鋁錳鐵和鋁鐵中的一種或多種。本發(fā)明所述的碳質(zhì)材料為本領(lǐng)域公知的碳質(zhì)材料，優(yōu)選為瀝青焦、無煙煤和碳粉中的一種或幾種。所述爐外精煉可以是能實現(xiàn)本發(fā)明目的的各種公知的爐外精煉方法，如鋼包精煉爐法(LF法)、真空罐內(nèi)鋼包吹氧除氣法(V0D法)和真空循環(huán)脫氣法(RH法)。所述爐外精煉的精煉溫度可以為常規(guī)的溫度，優(yōu)選為1590-1625C;精煉的時間可以為常規(guī)的精煉時間，優(yōu)選為12-15分鐘。在所述爐外精煉時，測定鋼水的溫度，并檢測鋼水中的氧的濃度；根據(jù)鋼水中酸溶鋁含量或氧濃度決定是否需要添加鋁。如果需要添加鋁，則加入鋁，并加入碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種對C、Si、Mn和Ti的含量進(jìn)行微調(diào)，并且加入硅鈣鐵合金(Fe-Si-Ca)或鈣鐵合金(Fe-Ca)進(jìn)行進(jìn)一步微合金化及夾雜物變性處理。在精煉過程中，為了使鋼水中的各種成分分布均勻，并使夾雜物上浮，優(yōu)選情況下，攪動鋼水。攪動鋼水的方式可以為本領(lǐng)域常規(guī)的任何方式，優(yōu)選采用通入氬氣攪動鋼水，通氬氣的強(qiáng)度以鋼水不裸露為原則。為了防止在爐外精煉過程中金屬元素，尤其是鈦元素的氧化，作為一種優(yōu)選的實施方式，可以在真空條件下進(jìn)行所述的爐外精煉，所述真空條件的真空度可以為不大于800帕。所述真空度為相對的真空度，即一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與密閉空間中的氣壓的差值。本發(fā)明提供的方法還包括在所述爐外精煉后進(jìn)行澆鑄，澆鑄可以按照常規(guī)方法進(jìn)行。例如，澆鑄時可以控制鋼水過熱度為15-3(TC，如鋼水的溫度為1540-1565°C;澆鑄后，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行冷卻，如水冷和在室溫下自然冷卻。本發(fā)明提供的方法還包括在所述澆鑄后進(jìn)行軋制，本發(fā)明的軋制可以按照常規(guī)的方法進(jìn)行；作為一種優(yōu)選的實施方式，該方法還包括在所述爐外精煉后進(jìn)行澆鑄，在1220-125(TC下進(jìn)行加熱1.5-2小時，然后進(jìn)行軋制，其中，所述軋制的開軋溫度保持在980-1050°C。終軋溫度-巻取溫度-軋后可以按照常規(guī)方法冷卻，優(yōu)選冷卻平均速度為10.5-25.0°C/秒。本發(fā)明還提供了一種車輪，其中，該車輪由本發(fā)明所提供的車輪鋼制成。車輪的制備方法為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的任何制備車輪的方法。實施例1-6:這些實施例用于說明本發(fā)明提供的車輪鋼。(1)冶煉鋼水采用脫硫鐵水冶煉車輪鋼，當(dāng)鋼水中C含量在0.03-0.08重量％(各實施例控制的具體數(shù)值如表l所示)時立即出鋼到鋼包中。出鋼時先在鋼包底部加50千克的脫氧劑鋁塊，然后加入脫氧劑鋁錳鐵或鋁鐵(安陽市恒旺冶金耐材有限公司)，控制鋼水中的氧濃度為25卯m以下，出鋼1/3后在鋼包中加入中碳Fe-Mn(安陽市恒旺冶金耐材有限公司)和Fe-Ti(攀鋼集團(tuán)北海特種鐵合金公司或攀枝花金鈦山工貿(mào)有限責(zé)任公司)進(jìn)行Mn、Ti元素的合金化，再加瀝青焦(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)或無煙煤(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)進(jìn)行增碳，控制鋼水中各成分的含量，以鋼水的總重量為基準(zhǔn)，C0.05-0.11重量X、Si0.009-0.014重量X、Mn1.0-1.25重量％、Ti0.009-0.03重量％(各實施例控制的具體數(shù)值如表l所示)。(2)爐外精煉鋼水通過LF爐加熱到1590-1625t:，全程吹氬，并根據(jù)鋼水中酸溶Al含量或氧濃度補喂Al線(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)，根據(jù)C、Mn含量補加適量碳粉(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)、Fe-Mn(安陽市恒旺冶金耐材有限公司)，喂完鋁線后再喂硅-鈣線(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)或者鈣-鐵線(攀枝花陽城冶金輔料有限公司)以控制各成分的含量，以鋼水的總重量為基準(zhǔn)，C0.07-0.12重量X、Si0.01-0.15重量X、Mn1.l-1.3重量X、Ti0.01-0.04重量％、Ca0.001-0.004重量％、酸溶A10.015-0.065重量X、P《0.025重量X、S《0.015重量X、Fe97.31-98.87重量％;鋼水處理時間12-15分，鋼水溫度為1590-1625°C;各實施例控制的具體數(shù)值如表1所示。(3)澆鑄鋼水澆鑄溫度控制在1540-1565t:之間。(4)鋼坯軋制將200X(750-1300)X11000毫米的連鑄板坯送至1450毫米熱連軋機(jī)進(jìn)行軋制。先將連鑄板坯加熱至1220°C_12501:，加熱1.5-2小時，使鋼坯受熱均勻；出爐初軋，再將厚度為30毫米-40毫米的中間板坯進(jìn)行熱巻；使精軋開軋溫度保持在980°C-1050°C;使終軋溫度保持在850°C_890°C;使軋后平均冷卻速度為10.5°C/s-25.0°C/s;根據(jù)成品厚度，使巻取溫度保持在590°C-660°C。試驗鋼在軋制過程中的工藝控制值見表2，各實施例控制的具體數(shù)值如表2所示。各成分的檢測方法分別為碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法，國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4336。氧含量的檢測方法為脈沖加熱惰氣熔融_紅外線吸收法，國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T11261。對比例1該對比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)提供的車輪鋼。(1)冶煉鋼水按照實施例1-6步驟(1)進(jìn)行，不同的是，各成分如表1所示，且鋼水中的氧濃度為35卯m。(2)爐外精煉按照實施例1-6步驟(2)進(jìn)行，不同的是，加入的碳粉、Fe-Mn以控制各成分的含量，使以鋼水的總重量為基準(zhǔn)，C、Si、Mn和Ti分別為0.09%、0.03%、0.97%和0.01%;不加入硅鈣鐵合金或者鈣鐵合金。(3)澆鑄按照實施例1-6步驟(3)進(jìn)行。(4)鋼坯軋制按照實施例1-6步驟(4)進(jìn)行。各成分的檢測方法按照實施例1-6的方法進(jìn)行。性能測試將實施例1-6和對比例1制備的板巻進(jìn)行機(jī)械性能測試，其中，拉伸性能按照GB/T228金屬材料室溫拉伸試驗方法進(jìn)行，分別檢測屈服強(qiáng)度ReL，抗拉強(qiáng)度Rm及伸長率A。按照GB/T232的方法檢測冷彎，檢測的結(jié)果列在表3中。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>CN101736194A<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表3序號ReUMPaRnVMPa伸長率/%冷彎,3。:3^，'從表3可以看出本發(fā)明提供的車輪鋼與現(xiàn)有技術(shù)提供的車輪鋼相比，其強(qiáng)度和韌性顯著提高。例如，實施例1提供的車輪鋼的屈服強(qiáng)度為440兆帕、抗拉強(qiáng)度Rm為525兆帕，伸長率A為38%;而對比例1提供的車輪鋼的屈服強(qiáng)度為365兆帕、抗拉強(qiáng)度Rm為465兆帕，伸長率A為34X。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求一種車輪鋼，其特征在于，該車輪鋼含有以下化學(xué)成分以該車輪鋼總重量為基準(zhǔn)，以單質(zhì)計，C0.07-0.12重量％、Si0.01-0.15重量％、Mn1.1-1.3重量％、Ti0.01-0.04重量％、Ca0.001-0.004重量％、酸溶Al0.015-0.065重量％、P≤0.025重量％、S≤0.015重量％、Fe97.31-98.87重量％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輪鋼，其中，C0.07-0.09重量X、Si0.04-0.10重量X、Mn1.15-1.25重量X、Ti0.015-0.025重量X、Ca0.002-0.003重量％、酸溶A10.025-0.045重量％、P《0.020重量％、S《0.008重量％、Fe98.53-98.69重量％。3.權(quán)利要求1所述車輪鋼的制備方法，其特征在于，該方法包括冶煉鋼水和爐外精煉，所述冶煉鋼水依次包括吹煉步驟和合金化步驟，在該合金化步驟中將碳質(zhì)材料、脫氧劑、錳鐵合金和鈦鐵合金加入到鐵水中，并且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準(zhǔn)，C0.05-0.11重量％、SiO.009-0.014重量X、Mn1.0-1.25重量％、Ti0.009-0.03重量％;在所述爐外精煉時，加入鋁、碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種，之后加入硅_鈣合金和/或鈣_鐵合金，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量處于權(quán)利要求1所述的范圍。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述合金化步驟中將碳質(zhì)材料、脫氧劑、錳鐵合金和鈦鐵合金加入到鐵水中，并且使在該步驟得到的鋼水中以所述鋼水總重量為基準(zhǔn)，C0.065-0.085重量％、Si0.035-0.09重量%、Mn1.05-1.2重量％、Ti0.01-0.02重量％;在爐外精煉時，加入鋁、碳質(zhì)材料、錳鐵合金和鈦鐵合金中的一種或幾種，之后加入硅_鈣合金和/或鈣_鐵合金，使在該步驟獲得的鋼水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量處于權(quán)利要求2所述的范圍。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，以吹煉步驟中鐵水總重量為基準(zhǔn)，所述吹煉步驟終點的C控制在0.03-0.06重量％。6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，在所述合金化步驟中控制氧的濃度為25ppm以下。7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，所述碳質(zhì)材料為瀝青焦、無煙煤和碳粉中的一種或幾種。8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，所述爐外精煉在真空條件下進(jìn)行。9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，該方法還包括在所述爐外精煉后進(jìn)行澆鑄，在1220-125(TC下進(jìn)行加熱1.5-2小時，然后進(jìn)行軋制，其中，所述軋制的開軋溫度保持在980-1050°C，終軋溫度保持在850-890°C。10.—種車輪，其特征在于，該車輪由權(quán)利要求1或2所述的車輪鋼制成。全文摘要本發(fā)明提供了一種車輪鋼，其中，該車輪鋼含有以下化學(xué)成分以該車輪鋼總重量為基準(zhǔn)，以單質(zhì)計，C0.07-0.12重量％、Si0.01-0.15重量％、Mn1.1-1.3重量％、Ti0.01-0.04重量％、Ca0.001-0.004重量％、酸溶Al0.015-0.065重量％、P≤0.025重量％、S≤0.015重量％、Fe97.31-98.87重量％。本發(fā)明還提供了一種車輪鋼的制備方法。本發(fā)明還提供了一種車輪，其中，該車輪由本發(fā)明所提供的車輪鋼制成。本發(fā)明提供的車輪鋼具有適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度和韌性。文檔編號C22C33/00GK101736194SQ200810176548公開日2010年6月16日申請日期2008年11月19日優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日發(fā)明者吳國榮,吳菊環(huán),左軍,張中平,李正榮,李貴學(xué),董君,陳天明,陳永申請人:攀鋼集團(tuán)研究院有限公司;攀枝花鋼鐵(集團(tuán))公司;攀枝花新鋼釩股份有限公司