本發(fā)明涉及一種用于高鐵車軸的新材料及其熱處理方法。

背景技術(shù)：

高鐵車軸新材料的研制是針對(duì)國外車軸技術(shù)壟斷、國內(nèi)外車軸需求量持續(xù)增加的狀況而提出的。根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，高速鐵路已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的大動(dòng)脈，同時(shí)國家已將高鐵推向海外市場(chǎng)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略之一，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。但國內(nèi)高鐵車軸車軸鋼卻一直依賴進(jìn)口，為滿足配套生產(chǎn)，盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，高鐵車軸鋼技術(shù)研發(fā)已迫在眉睫。

車軸是鐵路運(yùn)行的三大關(guān)鍵基礎(chǔ)件之一，也是車輛承受動(dòng)載荷的關(guān)鍵零件，主要承受彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷或彎扭復(fù)合載荷，并受到一定沖擊。所以，車軸鋼研制要保證車軸在工作中不發(fā)生因疲勞、彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉伸應(yīng)力而斷裂，重點(diǎn)是防止車軸的疲勞裂紋。

控制夾雜物尺寸及熱處理工藝可以有效地控制車軸鋼的疲勞極限。隨著夾雜物尺寸的減小，車軸的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度均逐漸提高，其中氧化鋁夾雜對(duì)疲勞性能影響最大。在冶煉生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量控制氧化鋁夾雜含量及尺寸，同時(shí)輔以合理的熱處理工藝最大限度細(xì)化晶粒，提高車軸的疲勞極限。

國內(nèi)現(xiàn)行貨車車軸鋼LZ50，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2945-1999，疲勞強(qiáng)度要求≥290MPa，其在生產(chǎn)、使用過程中會(huì)出現(xiàn)如下問題：

1)疲勞極限較低，無法保證提速、高速條件下的安全行車；

2)鋼坯軋制后出現(xiàn)混晶、粗晶，需經(jīng)熱處理后才能消除；

3)成分偏析較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)國外車軸技術(shù)壟斷，國內(nèi)外車軸需求量持續(xù)增加的狀況，本發(fā)明提供了一種高速車軸鋼材料及其熱處理方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種高速車軸鋼材料，包含以下成分：0.22～0.29wt％的C、0.17～0.38wt％的Si、0.53～0.77wt％的Mn、≦0.015wt％的P、≦0.010wt％的S、0.20～0.27wt％的Ni、0.95～1.15wt％的Cr、≦0.15wt％的Cu、0.20～0.29wt％的Mo、0.02～0.05wt％的V、0.015～0.045wt％的Al、0.01～0.03wt％的Nb、≦15PPm的O、≦1.5PPm的H，余量為Fe及其他不可避免的元素。

一種上述高速車軸鋼材料的熱處理方法，其熱處理要求如下：正火加熱溫度為880～920℃，淬火加熱溫度為870～900℃、保溫時(shí)間為4～9h，回火加熱溫度為630～660℃。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明高速車軸鋼材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性比LZ50普通車軸高，晶粒度等級(jí)更高，夾雜物尺寸更小，成分偏析指數(shù)更低，疲勞極限在403MPa以上，比LZ50高103MPa。

2、本發(fā)明新設(shè)計(jì)出的高速車軸新材質(zhì)車軸鋼鋼種是在國外實(shí)物質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的全新設(shè)計(jì)，鋼種命名為DZ1。高速車軸的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，車軸半徑1/2處鐵素體組織≤5％。

3、現(xiàn)行貨車車軸鋼LZ50與設(shè)計(jì)高速車軸鋼DZ1性能對(duì)比如表1所示。

表1現(xiàn)行貨車車軸鋼LZ50與設(shè)計(jì)高速車軸鋼DZ1性能對(duì)比

4、本發(fā)明高速車軸鋼材料可直接打破高鐵車軸的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)國內(nèi)高鐵的配套生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為邊緣截取試樣、回火索氏體500×金相檢驗(yàn)結(jié)果；

圖2為距邊緣10mm、回火索氏體+貝氏體(回火)500×截取試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果；

圖3為距邊緣20mm、回火索氏體+貝氏體(回火)+塊狀鐵素體(少量)500×截取試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果；

圖4為距邊緣50mm回火索氏體+貝氏體(回火)+塊狀鐵素體500×截取試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果；

圖5為心部、珠光體+鐵素體+貝氏體(回火)500×截取試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果；

圖6為力學(xué)性能樣坯及試樣取樣位置示意圖，“1”為縱向沖擊試樣，距表面60nm處，共3個(gè)；“2”為橫向沖擊試樣，距表面60nm處，共3個(gè)；“3”為縱向拉伸試樣，距表面60nm處，共1個(gè)；

圖7為非金屬夾雜物取樣位置(試樣在軸橫截面上半長中部切取，金相磨面通過軸心線)；

圖8為化學(xué)成分取樣位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

本發(fā)明提供了一種高速車軸鋼材料，其所要解決的技術(shù)問題如下：

1)設(shè)計(jì)滿足車軸性能的化學(xué)成分；

2)探索細(xì)化軸坯晶粒的熱處理制度；

3)研發(fā)減小夾雜物尺寸的冶煉工藝；

4)尋找降低成分偏析的生產(chǎn)方法；

5)提高高速車軸鋼的疲勞極限。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)施方式采取的技術(shù)方案如下：

一、新材料設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)提高合金含量，調(diào)高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性；

2)晶粒度等級(jí)6.0-8.0級(jí)，比LZ50高1.0級(jí)；

3)夾雜物評(píng)級(jí)0-1.0級(jí)，比LZ50優(yōu)1.0級(jí)；

4)成分偏析指數(shù)在±0.03％以內(nèi)，比LZ50低0.02％；

5)疲勞極限在403MPa以上，比LZ50高103MPa。

二、成分設(shè)計(jì)

根據(jù)各種合金元素的特性，高速車軸新材料的成分設(shè)計(jì)如表3所示，相較于普通車軸(LZ50)的成分有明顯改動(dòng)，碳含量從0.50％調(diào)至0.25％，鉻含量增加至1.10％，并添加了鎳、鉬、鈮、釩等合金元素來提高車軸整體的耐腐蝕性、耐磨性等，鋼種命名為DZ25CrNiMoVNb。各合金元素在車軸鋼中所起到的作用如表2所示。

表2各合金元素在車軸鋼中所起到的作用

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際冶煉高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料試驗(yàn)爐號(hào)成分檢測(cè)值如表4所示。各爐號(hào)的成分控制均在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)。

表3高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料成分設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)爐號(hào)成分檢測(cè)值

三、高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料CCT曲線計(jì)算

計(jì)算公式如式1、式2、式3所示：

AC1＝723-10.7Mn％-16.9Ni％+29.1Si％+16.9Cr％+290As％+6.38W％(℃)……(式1)

AC3＝910-203-15.2Ni％+44.7Si％+104V％+31.5Mo％+13.1W％(℃)…………(式2)

Ms＝539-423C％-30.4Mn％-17.7Ni％-12.1Cr％-7.5Mo％(℃)…………………(式3)

表4高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料各臨界點(diǎn)計(jì)算值

四、高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料硬化指數(shù)

硬化指數(shù)計(jì)算公式如式4所示

表5高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料硬化指數(shù)計(jì)算值

五、高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料氣體含量檢測(cè)

表6 DZ25CrNiMoVNb新材料氣體含量檢測(cè)

六、高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料調(diào)質(zhì)熱處理試驗(yàn)

通過4組不同熱處理試驗(yàn)，檢驗(yàn)不同組別下各組的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、收縮率和沖擊功的差異性。

試驗(yàn)1(優(yōu)選的熱處理制度)

試驗(yàn)2

試驗(yàn)3

試驗(yàn)4

通過以上4組試驗(yàn)進(jìn)行綜合對(duì)比后，選取試驗(yàn)1的熱處理制度作為高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料調(diào)質(zhì)熱處理制度。

七、高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

鋼坯加工、熱處理后取樣分析，3爐鋼坯的非金屬夾雜物、晶粒度及低倍組織如表7所示，各檢驗(yàn)項(xiàng)目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7高速車軸DZ25CrNiMoVNb新材料高倍、低倍檢驗(yàn)

金相組織由200方試樣經(jīng)過900℃正火(空冷)、890℃水淬(水冷)、650℃回火(空冷)后，按照不同部位截取試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖1～圖5所示。

機(jī)械性能檢驗(yàn)250mm×250mm方坯的性能指標(biāo)，其結(jié)果如表8所示。

表8 DZ25CrNiMoVNb車軸熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

八、試樣檢驗(yàn)規(guī)定

1)取樣規(guī)定

對(duì)于模鑄車軸鋼坯，應(yīng)在A節(jié)鋼坯相當(dāng)于鋼錠頭部的標(biāo)記端切取樣坯；對(duì)于連鑄車軸鋼坯，應(yīng)在任一流次鋼坯相當(dāng)于頭部的標(biāo)記端鋸切樣坯，樣坯的長度不小360mm。對(duì)于截面尺寸大于230mm×230mm的車軸鋼坯，應(yīng)按附錄A所示鋸切200mm×200mm的樣坯；對(duì)于截面尺寸小于或等于230mm×230mm的車軸鋼坯，樣坯截面尺寸與原車軸鋼坯截面尺寸相同。

2)力學(xué)性能、非金屬夾雜物檢驗(yàn)試樣坯的尺寸、試樣切取部位見圖6～圖8。