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.pdf

本发明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。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：≤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。热处理工艺，包括如下步骤：(1)一次正火：加热至温度870～920℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；(2)二次正火：加热至温度790～820℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；(3)回火：加热至温度520～560℃，加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。本发明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。

1.  一种钒氮微合金化碳素钢，其特征在于，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：≤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。

2.  如权利要求1所述的钒氮微合金化碳素钢，其特征在于，热处理后钢材的组织为珠光体+铁素体，实际晶粒度≥7.0级；其纵向力学性能为：R_m≥670MPa，R_eL或R_p0.2≥375MPa，A≥22％，Z≥40％，20℃纵向冲击吸收功KU₂≥50J，表面光滑试样的疲劳极限R_fL≥320MPa。

3.  如权利要求1或2所述钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)一次正火：加热至温度870～920℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；
(2)二次正火：加热至温度790～820℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；
(3)回火：加热至温度520～560℃，加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。

4.  如权利要求3所述的钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，其特征在于，步骤(1)中，采用风冷或气雾冷却。

5.  如权利要求3或4所述的钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，采用风冷或气雾冷却。

6.  如权利要求3-5中任一项所述的钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，其特征在于，步骤(3)中，空冷至室温。

7.  如权利要求3-6中任一项所述的钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)一次正火：加热温度900℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
(2)二次正火：加热温度800℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
(3)回火：加热温度540℃，加热保温时间450min，空冷。

8.  如权利要求1或2所述钒氮微合金化碳素钢的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理：一次正火+二次正火+回火→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。

9.  如权利要求1或2所述钒氮微合金化碳素钢的用途，其特征在于，用于重载车轴。

10.  如权利要求9所述钒氮微合金化碳素钢的用途，其特征在于，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。

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
技术领域
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
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200mm左右，长度达2200mm左右。
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
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：
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：≤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。
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≥7.0级；其纵向力学性能为：R_m≥670MPa，R_eL或R_p0.2≥375MPa，A≥22％，Z≥40％，20℃纵向冲击吸收功KU₂≥50J，表面光滑试样的疲劳极限R_fL≥320MPa。
上述钒氮微合金化碳素钢的热处理工艺，包括如下步骤：
(1)一次正火：加热至温度870～920℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；
(2)二次正火：加热至温度790～820℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，冷却；
(3)回火：加热至温度520～560℃，加热保温时间按2～2.5min/mm计算，冷却。
进一步地，步骤(1)中，采用风冷或气雾冷却。
进一步地，步骤(2)中，采用风冷或气雾冷却。
进一步地，步骤(3)中，空冷至室温。
进一步地，包括如下步骤：
(1)一次正火：加热温度900℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
(2)二次正火：加热温度800℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却；
(3)回火：加热温度540℃，加热保温时间450min，空冷。
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→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→热处理：一次正火+二次正火+回火→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
上述钒氮微合金化碳素钢的用途，用于重载车轴。
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。
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
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。
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：
(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。
(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0.4％为宜，范围考虑在0.15％～0.40％。
(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％。
(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％。
(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％。
钒氮微合金化碳素钢重载车轴生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“一次正火+二次正火+回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
关键的热处理工艺步骤如下：
(1)一次正火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒氮碳素列车车轴用钢加热至温度870～920℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，风冷或气雾冷却。经一次正火后不仅细化了晶粒，增加了碳氮化钒的析出量且细化了析出相，而且改善了组织的不均匀性，为随后的最终热处理做好组织准备。
(2)二次正火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒氮碳素列车车轴用钢加热至温度790～820℃，加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，风冷或气雾冷却。
(3)回火：将最大直径为200mm左右、长度达2200mm左右的含钒氮碳素列车车轴用钢 至加热温度520～560℃，加热保温时间按2～2.5min/mm计算，随后空冷至室温。经过回火，可获得均匀细密珠光体+铁素体的金相组织，实际晶粒度≥7.0级，从而可获得良好的韧塑性及合适的强度指标。
采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺工艺参数生产的重载车轴用钒氮微合金化碳素钢，测定钢材的纵向力学性能可达到：R_m≥670MPa，R_eL或R_p0.2≥375MPa，A≥22％，Z≥40％，20℃纵向冲击吸收功KU₂≥50J，表面光滑试样的疲劳极限R_fL≥320MPa。热处理后钢材的组织为珠光体+铁素体，实际晶粒度≥7.0级。
在一个优选实施例中，本发明钒氮微合金化碳素钢重载车轴生产工艺流程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→车轴坯轧制→车轴坯锻造→毛坯车轴粗车→车轴齐端面加工→“一次正火+二次正火+回火”热处理→车轴外圆精车加工→车轴内孔镗削加工→外圆磨削→探伤。
“一次正火+二次正火+回火”热处理的熔炼化学成分、主要热处理工艺参数与性能的实施例如下：
热处理工艺步骤及参数为：
(1)一次正火：加热温度900℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却。
(2)二次正火：加热温度800℃，加热保温时间300min，风冷或气雾冷却。
(3)回火：加热温度540℃，加热保温时间450min，空冷。
最大直径为Φ200mm、长度达2200mm列车车轴的熔炼化学成分质量百分比(wt％)见表1，列车车轴经过以上热处理后的性能指标见表2。
表1重载车轴用钒氮微合金化碳素钢的熔炼化学成分质量百分比(wt％)

表2钒氮微合金化碳素钢重载车轴热处理后性能指标


续表2钒氮微合金化碳素钢重载车轴热处理后性能指标

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。