[发明专利]一种用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢冶炼领域，具体涉及一种强度和韧性良好匹配、综合性能更加优越的用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法。

背景技术

车轴是铁道机车车辆走行部最关键的部件之一，承受着源自车体及轨道的各种载荷，其中主要包括旋转弯曲载荷，其次是扭转载荷。长期处于交变应力作用下，一旦车轴断裂极易导致车辆脱轨，车轴的可靠性直接关系到行车安全。因此，在规定的使用条件下，车轴(特别是高速、重载铁路货车车轴)应具有较高的强度和韧性，以保证足够的安全性、可靠性和长使用寿命。

目前，我国铁路车辆大量使用的LZ50车轴钢属于普通碳素钢范畴。根据TB/T 2945-1999“铁道车辆用LZ50钢车轴及钢坯技术条件”的规定，这种普通LZ50钢化学成分为：C 0.47-0.57％，Mn0.60-0.90％，Si 0.17-0.40％，P≤0.030％，S≤0.030％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，Alt≥0.020％。TB/T2945-1999还规定：将经一次正火处理(加热至800～860℃左右，保温约2～5小时)的LZ50钢坯制成长度大于300mm，截面尺寸为140mm×140mm试样，其力学性能为：屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥610MPa，断后伸长率≥19％，断面收缩率≥35％。在过去的铁路货车应用中，LZ50钢车轴能够较好地适应25t轴重以下货车的使用工况，但并不排除在极端情况下出现车轴使用故障。由于在生产制造、加工组装及使用中均可能出现异常情况而导致车轴故障，尽管总体故障率较低，但任何故障均会对铁路安全构成威胁。此外，未来我国大轴重货车的大量使用以及载重负荷、速度的提高都将导致车轴使用条件更加苛刻，如果车轴型式设计、材质等不进行改进的话，极端低故障率将会发展成普通高故障率。另一方面，车轴材质和性能的提高也将会为车轴型式设计提供更加宽泛的设计空间。

中国专利申请CN200910025971.0公开了一种微合金化铁路货车车轴用钢及其生产工艺，该钢的化学成分(wt％)为：C0.50-0.57％，Si 0.17-0.40％，Mn 0.60-1.00％，Cr 0.20-0.35％，Ni0.18-0.40％，Al 0.02-0.06％，Ti 0.020-0.060％，V 0.030-0.10％，S≤0.010％，P≤0.020％，B≤0.005％，Cu≤0.20％，Sb≤0.010％，Sn≤0.03％，As≤0.04％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0060％，余为Fe。该专利申请采用复合微合金化的方式，使钢的强度、抗裂纹敏感性、韧性及抗低温冲击性能得到一定提高，但是其综合性能有待于进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度和韧性良好匹配、综合性能更加优越的用于铁道车辆的车轴钢及其制备方法。本发明通过优化车轴钢化学成分的配比，降低钢中C含量并添加适量的合金化元素Ni、Cr、V等进行合金化，并配合优选的热处理工艺，在钢中形成相对稳定的碳化物和氮化物，产生晶粒细化和析出强化效果，使其强度和韧性得到显著改善并达到最佳匹配，从而提高车轴钢的综合性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于铁道车辆的车轴钢，按重量百分比计，其包含C 0.40～0.48％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.55～0.85％，Cr 0.40～0.65％，Ni0.15-0.30％，V 0.06～0.15％，Al 0.02-0.045％，余量为铁和不可避免的杂质。

优选地，按重量百分比计，上述车轴钢包含：C 0.43～0.47％，Si 0.25～0.33％，Mn 0.76～0.82％，Cr 0.46～0.51％，Ni 0.19-0.21％，V 0.1～0.12％，Al 0.023-0.039％，余量为铁和不可避免的杂质。

更优选地，按重量百分比计，在上述车轴钢包含的不可避免的杂质中，P≤0.02％，S≤0.02％，Cu≤0.25％。本发明还提供了上述车轴钢的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水及废钢加入转炉冶炼；

(2)钢包炉精炼；

(3)RH精炼；

(4)采用模铸方法浇铸成方锭；

(5)轧制成车轴钢坯；

(6)热处理。

具体而言，上述制备方法包括如下步骤：

(1)将铁水、废钢、NiFe加入顶底复吹式转炉冶炼，实现脱磷；

(2)钢包炉精炼，实现脱硫和脱氧；

(3)RH精炼，实现真空脱气、脱氢和进一步除杂质；