[发明专利]一种含钒铌动车组车轴用钢及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及合金钢领域，具体涉及适用于抗拉强度750～900MPa、屈服强度≥600MPa、-40℃KV₂≥150J，同时要求具有优异的抗疲劳性能的高速动车组车轴用钢及其热处理工艺。

背景技术

车轴是各种车辆中涉及安全的最重要的运动和承载部件之一。由于车轴承受着动载荷，受力状态比较复杂，如弯曲载荷、扭转载荷、弯扭复合载荷，并受到一定冲击，特别是高速动车组车轴，其受力状态更为复杂。因此，高速动车组车轴在服役过程中可能会因为疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力等而发生断裂，其中疲劳断裂是高速车轴的普遍断裂形式。为确保车辆的安全运行，高速动车组车轴必须具有足够的可靠性和疲劳安全系数。高速动车组车轴材料是决定车轴使用寿命和可靠性的关键因素之一，因此，国内外十分重视对高速动车组车轴用钢的研发和疲劳性能的研究。

随着我国高速铁路的快速发展，对动车组车轴的需要急剧增加，但目前仍主要依赖于进口，因此，迫切需要开发适用于我国铁路发展特点的高强高韧及长疲劳寿命的新材质车轴钢。近年来，国内外开展了抗疲劳破坏车轴钢的研究开发。如中国专利申请201110417295.9中的抗疲劳破坏车轴钢，仍然采用传统中碳车轴钢的高C含量思路，C含量(0.42～0.45％)较高，这使得钢的韧性较差，无法满足动车组车轴对韧性的要求，且抗疲劳性能改善的幅度有限高。中国专利申请201210384581.4中的一种新型空心车轴用合金钢，尽管碳含量较低，具有较好的强韧性配合，但疲劳强度仍较低。从欧洲引进的动车组车轴主要采用调质处理的合金钢EA4T，虽然给出了化学成分及力学性能要求，但没有给出关键热处理工艺参数，更重要的是钢中的影响淬透性的合金元素含量偏低，导致大规格的动车组车轴内部的组织(存在不允许存在的铁素体)和性能(近心部强度、韧性和疲劳性能偏低)往往难以达到标准的要求。这些均在实际应用中受到了限制，更为关键的是车轴钢抗疲劳性能改善的幅度均有限，影响其推广应用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种抗拉强度750～900MPa、屈服强度≥600MPa、-40℃KV₂≥150J，同时要求具有优异的抗疲劳性能的高速动车组车轴用钢及其热处理工艺。具体技术方案如下：

一种含钒铌动车组车轴用钢，按照重量百分比含有C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.03～0.06，Nb：0.015～0.040，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，[N]：0.0040～0.0060，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余为Fe和其它不可避免的杂质；所述钢的组织为回火索氏体+少量下贝氏体，其中，车轴近表面回火索氏体含量为100％，车轴1/2半径处回火索氏体含量在80～90％。

进一步地，按照重量百分比含有C：0.30，Si：0.31，Mn：0.79，Cr：0.91，Ni：0.82，Mo：0.2，Cu：0.54，Zr：0.04，V：0.03，Nb：0.021，Ca：0.002，P：0.003，S:0.001，[N]：0.0049，T[O]:0.0007，Als：0.019，余为Fe和其它不可避免的杂质。

进一步地，钢材的纵向力学性能达到：R_m：750MPa～900MPa，R_eL或R_p0.2≥600MPa，A≥18％，Z≥40％，-40℃纵向冲击吸收功KV₂≥150J；断裂韧性K_Q值≥120MPa·m^1/2；光滑试样的旋转弯曲疲劳极限R_fL≥375MPa，缺口试样的旋转弯曲疲劳极限R_fE≥310MPa，缺口敏感性R_fL/R_fE≤1.15；过盈量为0.04mm试样的微动疲劳极限≥215MPa；盐雾腐蚀14循环周次试样的腐蚀疲劳极限为≥275MPa；钢材的奥氏体晶粒度大于等于8.0级。

上述含钒铌动车组车轴用钢的热处理工艺，包括如下步骤：

(1)正火：将含钒铌高速动车组车轴用钢加热至温度870～900℃，在该温度段加热保温时间按1.2～1.7min/mm计算，空冷；