一种车轮钢及其制备方法和车轮 【技术领域】
本发明涉及一种车轮钢及其制备方法以及由该车轮钢制成的车轮。
背景技术
车轮作为车辆行驶的重要部件，长期处于交变应力作用下，其使用要求车轮钢具有高的疲劳寿命和冷成形性能。因此，车轮钢除了应具有较高的强度外，还应具有良好的塑韧性。目前，国内宝钢、武钢、鞍钢、本钢、攀钢等钢铁企业先后成功开发出各自的汽车车轮用热轧钢板。对抗拉强度440兆帕级的汽车车轮用热轧钢板，除攀钢外，其它厂家采用含碳较高或铌微合金化生产。然而，对于含碳较高的汽车车轮用热轧钢板成型性能和焊接性能不理想，容易出现开裂，或需要增加退火工序来改善成型性能；对于采用含铌汽车车轮用热轧钢板，必须采用控轧控冷及低温下生产工艺，同时对其生产设备有较高的要求。攀钢采用钛微合金化生产汽车车轮用热轧钢板，现有工艺存在强度和塑性偏低等问题，其中，强度低于标准下限尤为突出。
【发明内容】
本发明为了克服现有技术提供的车轮钢的强度和韧性较低的缺陷，提供一种具有较高强度和韧性的车轮钢。
本发明的发明人意外地发现添加Ca并同时适当调节Mn、酸溶Al和Ti的含量，制备的车轮钢具有更高的强度和韧性。
本发明提供了一种车轮钢，其中，该车轮钢含有以下化学成分：以该车轮钢总重量为基准，以单质计，C 0.07-0.12重量％、Si 0.01-0.15重量％、Mn1.1-13重量％、Ti 0.01-0.04重量％、Ca 0.001-0.004重量％、酸溶Al0.015-0.065重量％、P≤0.025重量％、S≤0.015重量％、Fe 97.31-98.87重量％。
本发明还提供了一种车轮钢的制备方法，其中，该方法包括冶炼钢水和炉外精炼，所述冶炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该合金化步骤中将碳质材料、脱氧剂、锰铁合金和钛铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中：以所述钢水总重量为基准，C 0.05-0.11重量％、Si0.009-0.014重量％、Mn 1.0-1.25重量％、Ti 0.009-0.03重量％；在所述炉外精炼时加入铝、碳质材料、锰铁合金和钛铁合金中的一种或几种，之后加入硅-钙合金和/或钙-铁合金，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量处于本发明提供的车轮钢的范围。
本发明还提供了一种车轮，其中，该车轮由本发明所提供的车轮钢制成。
本发明提供的车轮钢具有更高的适当的强度和韧性。例如实施例1提供的车轮钢的屈服强度ReL为440兆帕、抗拉强度Rm为525兆帕，伸长率A为38％；而对比例1提供的车轮钢的屈服强度ReL为365兆帕、抗拉强度Rm为465兆帕，伸长率A为34％。
本发明提供的车轮钢的制备方法，通过控制吹炼终点的碳含量以及过程酸溶铝含量可保证钢水中钛不被过度氧化，以使钛以单质或TiC、TiN、Ti(CN)的形式存在制备的钢中，发挥其优异的性能，同时添加Ca并适当调节Mn的含量，使制备的车轮钢具有更高的强度和韧性。
【具体实施方式】
本发明提供了一种车轮钢，其中，该车轮钢含有以下化学成分：以该车轮钢总重量为基准，以单质计，C 0.07-0.12重量％、Si 0.01-0.15重量％、Mn1.1-1.3重量％、Ti 0.01-0.04重量％、Ca 0.001-0.004重量％、酸溶Al0.015-0.065重量％、P≤0.025重量％、S≤0.015重量％、Fe 97.31-98.87重量％。在本发明的车轮钢中还含有正常范围内的伴生元素或常见杂质，如N、V、Cu、Cr、Ni等。所谓酸溶Al是指钢中可以被酸溶解的铝。钢中的铝分为两种，一种是来不及上浮到渣中的脱氧产物Al2O3中的铝，由于Al2O3不能溶于酸中，所以将与氧结合的铝称为酸不溶铝，将其余可被酸溶解的铝称为酸溶铝，酸溶铝常用“Als”表示，钢中酸溶铝和酸不溶铝之和称为全铝，常用“Al”或“Alt”表示。本发明所称的酸溶铝指如以上所描述的存在于钢中可以被酸溶解的铝(Als)，所涉及的对酸溶铝的量的表述也指上述可以被酸溶解的酸溶铝中铝元素的量。钢中加入铝的目的主要是为了脱除钢中的氧，避免在凝固过程中形成非金属夹杂物，铝还有细化晶粒的作用。如果酸溶铝的含量低于0.01重量％，则脱氧效果不充分，如果酸溶铝的含量超过0.1重量％，则不经济，并且对钢板的疲劳和焊接性能不利。因此，本发明中将酸溶铝控制为0.015-0.065重量％。
作为一种优选地实施方式，所述车轮钢含有以下化学成分：以该车轮钢总重量为基准，C 0.07-0.09重量％、Si 0.04-0.10重量％、Mn 1.15-1.25重量％、Ti 0.015-0.025重量％、Ca 0.002-0.003重量％、酸溶Al 0.025-0.045重量％、P≤0.020重量％、S≤0.008重量％、Fe 98.53-98.69重量％。
本发明提供的440MPa级车轮钢的强度高于现有技术提供的该强度级别车轮钢的强度，例如，使屈服强度ReL平均增加34兆帕以上，抗拉强度Rm平均增加26兆帕以上，同时伸长率A平均增加3％以上。
本发明还提供了一种车轮钢的制备方法，其中，该方法包括冶炼钢水和炉外精炼，所述冶炼钢水依次包括吹炼步骤和合金化步骤，在该合金化步骤中将碳质材料、脱氧剂、锰铁合金和钛铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中：以所述钢水总重量为基准，C 0.05-0.11重量％、Si0.009-0.014重量％、Mn 1.0-1.25重量％、Ti 0.009-0.03重量％；在所述炉外精炼时加入铝、碳质材料、锰铁合金和钛铁合金中的一种或几种，之后加入硅-钙合金和/或钙-铁合金，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量处于本发明提供的车轮钢的范围。通常，本发明硅的含量可以通过添加如锰铁合金和钛铁合金或硅-钙合金所含有的硅杂质实现；在特定情况下，如原料铁水中的硅含量极低，而添加的合金如锰铁合金和钛铁合金或硅-钙合金中的硅杂质含量很低的情况下，可以通过加入硅铁合金或者硅锰铁合金实现。
作为一种优选的实施方式，在所述合金化步骤中将碳质材料、脱氧剂、锰铁合金和钛铁合金加入到铁水中，并且使在该步骤得到的钢水中：以所述钢水总重量为基准，C 0.065-0.085重量％、Si 0.035-0.09重量％、Mn 1.05-1.2重量％、Ti 0.01-0.02重量％；在炉外精炼时加入铝、碳质材料、锰铁合金和钛铁合金中的一种或几种，之后加入硅-钙合金和/或钙-铁合金，使在该步骤获得的钢水中，C、Si、Mn、Ti、Ca和酸溶Al的含量处于本发明提供的车轮钢的范围。
在所述吹炼结束时控制终点碳在0.03-0.06，出钢时进行预脱氧及合金化，加入碳质材料调节所述钢水中的含碳量，使钢水中的含碳量符合本发明提供的车轮钢中碳的含量。加入锰铁合金(Fe-Mn)和钛铁合金(Fe-Ti)进行合金化以调节铁水中的Mn和Ti的含量以及调节车轮钢的成分结构。碳质材料与Fe-Mn和Fe-Ti可以同时加入，优选在加入碳质材料后依次加入Fe-Mn和Fe-Ti。
为了控制入炉铁水P和S的含量分别小于或等于入炉铁水总重量的0.025％和0.015％，可以采用脱硫、脱磷后的铁水冶炼车轮钢。
为了控制钢水的氧化程度，降低钢水中的含氧量，应对吹炼终点进行控制，以吹炼步骤中铁水总重量为基准，所述吹炼步骤终点的C控制在0.03-0.06重量％时，停止吹炼。所述吹炼是向铁水中通入氧气使铁水中的一些杂质，如碳、磷、硅氧化的过程。吹炼按照本领域常规的方法进行。此外，为了进一步控制钢水的氧化程度，作为一种优选的实施方式，可以在合金化前加入脱氧剂对钢水进行处理，所述脱氧剂的加入量可以为本领域的常规加入量，优选为3.0-4.0千克/吨钢水。在本发明提供的车轮钢制备方法中，通过严格控制终点碳及脱氧剂的添加量使氧在钢水中的含量为25ppm以下，使尽可能防止钛的氧化，从而保证在制备的车轮钢中钛有一定的含量，并以单质或碳化钛、氮化钛、碳氮化钛中的一种或几种存在，而不是以氧化物或者盐的形式存在，以充分发挥钛的功能。所述脱氧剂为本领域常规的脱氧剂，优选为铝、铝锰铁和铝铁中的一种或多种。
本发明所述的碳质材料为本领域公知的碳质材料，优选为沥青焦、无烟煤和碳粉中的一种或几种。
所述炉外精炼可以是能实现本发明目的的各种公知的炉外精炼方法，如钢包精炼炉法(LF法)、真空罐内钢包吹氧除气法(VOD法)和真空循环脱气法(RH法)。
所述炉外精炼的精炼温度可以为常规的温度，优选为1590-1625C；精炼的时间可以为常规的精炼时间，优选为12-15分钟。在所述炉外精炼时，测定钢水的温度，并检测钢水中的氧的浓度；根据钢水中酸溶铝含量或氧浓度决定是否需要添加铝。如果需要添加铝，则加入铝，并加入碳质材料、锰铁合金和钛铁合金中的一种或几种对C、Si、Mn和Ti的含量进行微调，并且加入硅钙铁合金(Fe-Si-Ca)或钙铁合金(Fe-Ca)进行进一步微合金化及夹杂物变性处理。在精炼过程中，为了使钢水中的各种成分分布均匀，并使夹杂物上浮，优选情况下，搅动钢水。搅动钢水的方式可以为本领域常规的任何方式，优选采用通入氩气搅动钢水，通氩气的强度以钢水不裸露为原则。为了防止在炉外精炼过程中金属元素，尤其是钛元素的氧化，作为一种优选的实施方式，可以在真空条件下进行所述的炉外精炼，所述真空条件的真空度可以为不大于800帕。所述真空度为相对的真空度，即一个标准大气压与密闭空间中的气压的差值。
本发明提供的方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，浇铸可以按照常规方法进行。例如，浇铸时可以控制钢水过热度为15-30℃，如钢水的温度为1540-1565℃；浇铸后，可以按照常规方法进行冷却，如水冷和在室温下自然冷却。
本发明提供的方法还包括在所述浇铸后进行轧制，本发明的轧制可以按照常规的方法进行；作为一种优选的实施方式，该方法还包括在所述炉外精炼后进行浇铸，在1220-1250℃下进行加热1.5-2小时，然后进行轧制，其中，所述轧制的开轧温度保持在980-1050℃。终轧温度-卷取温度-轧后可以按照常规方法冷却，优选冷却平均速度为10.5-25.0℃/秒。
本发明还提供了一种车轮，其中，该车轮由本发明所提供的车轮钢制成。车轮的制备方法为本领域的技术人员所公知的任何制备车轮的方法。
实施例1-6：
这些实施例用于说明本发明提供的车轮钢。
(1)冶炼钢水：
采用脱硫铁水冶炼车轮钢，当钢水中C含量在0.03-0.08重量％(各实施例控制的具体数值如表1所示)时立即出钢到钢包中。出钢时先在钢包底部加50千克的脱氧剂铝块，然后加入脱氧剂铝锰铁或铝铁(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)，控制钢水中的氧浓度为25ppm以下，出钢1/3后在钢包中加入中碳Fe-Mn(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)和Fe-Ti(攀钢集团北海特种铁合金公司或攀枝花金钛山工贸有限责任公司)进行Mn、Ti元素的合金化，再加沥青焦(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)或无烟煤(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)进行增碳，控制钢水中各成分的含量，以钢水的总重量为基准，C 0.05-0.11重量％、Si 0.009-0.014重量％、Mn 1.0-1.25重量％、Ti 0.009-0.03重量％(各实施例控制的具体数值如表1所示)。
(2)炉外精炼：钢水通过LF炉加热到1590-1625℃，全程吹氩，并根据钢水中酸溶Al含量或氧浓度补喂Al线(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)，根据C、Mn含量补加适量碳粉(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)、Fe-Mn(安阳市恒旺冶金耐材有限公司)，喂完铝线后再喂硅-钙线(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)或者钙-铁线(攀枝花阳城冶金辅料有限公司)以控制各成分的含量，以钢水的总重量为基准，C 0.07-0.12重量％、Si 0.01-0.15重量％、Mn 1.1-1.3重量％、Ti 0.01-0.04重量％、Ca 0.001-0.004重量％、酸溶Al 0.015-0.065重量％、P≤0.025重量％、S≤0.015重量％、Fe 97.31-98.87重量％；钢水处理时间12-15分，钢水温度为1590-1625℃；各实施例控制的具体数值如表1所示。
(3)浇铸：钢水浇铸温度控制在1540-1565℃之间。
(4)钢坯轧制：将200×(750-1300)×11000毫米的连铸板坯送至1450毫米热连轧机进行轧制。先将连铸板坯加热至1220℃-1250℃，加热1.5-2小时，使钢坯受热均匀；出炉初轧，再将厚度为30毫米-40毫米的中间板坯进行热卷；使精轧开轧温度保持在980℃-1050℃；使终轧温度保持在850℃-890℃；使轧后平均冷却速度为10.5℃/s-25.0℃/s；根据成品厚度，使卷取温度保持在590℃-660℃。试验钢在轧制过程中的工艺控制值见表2，各实施例控制的具体数值如表2所示。
各成分的检测方法分别为碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法，国家标准为GB/T4336。氧含量的检测方法为脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法，国家标准为GB/T11261。
对比例1
该对比例用于说明现有技术提供的车轮钢。
(1)冶炼钢水：按照实施例1-6步骤(1)进行，不同的是，各成分如表1所示，且钢水中的氧浓度为35ppm。
(2)炉外精炼：按照实施例1-6步骤(2)进行，不同的是，加入的碳粉、Fe-Mn以控制各成分的含量，使以钢水的总重量为基准，C、Si、Mn和Ti分别为0.09％、0.03％、0.97％和0.01％；不加入硅钙铁合金或者钙铁合金。
(3)浇铸：按照实施例1-6步骤(3)进行。
(4)钢坯轧制：按照实施例1-6步骤(4)进行。
各成分的检测方法按照实施例1-6的方法进行。
性能测试
将实施例1-6和对比例1制备的板卷进行机械性能测试，其中，拉伸性能按照GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行，分别检测屈服强度ReL，抗拉强度Rm及伸长率A。按照GB/T232的方法检测冷弯，检测的结果列在表3中。
表2
序号 出炉 温度 ℃ 中间板 坯厚度 毫米 开轧温度 ℃ 终轧温度 ℃ 卷取温度 ℃ 轧制厚度 毫米 实施例1 1201 33 1017 866 631 3.9 对比例1 1224 33 993 879 638 4.0 实施例2 1213 33 1021 871 640 3.85 实施例3 1219 33 1016 865 631 4.0 实施例4 1228 33 996 854 631 4.0 实施例5 1227 33 1002 868 627 4.0 实施例6 1228 33 982 852 629 4.0
表3
从表3可以看出：本发明提供的车轮钢与现有技术提供的车轮钢相比，其强度和韧性显著提高。例如，实施例1提供的车轮钢的屈服强度ReL为440兆帕、抗拉强度Rm为525兆帕，伸长率A为38％；而对比例1提供的车轮钢的屈服强度ReL为365兆帕、抗拉强度Rm为465兆帕，伸长率A为34％。