[发明专利]一种细晶粒超高强韧性高速车轴钢及其热处理方法

说明书

一种细晶粒超高强韧性的高速车轴钢，所述钢的化学成分以重量百分比计为，C：0.24～0.32％、Si：0.20～0.40％、Cr：0.60～1.00％、Mn：0.40～0.70％、V：0.08～0.13％、Nb：0.02～0.10％、Ni：2.70～3.30％、Mo：0.40～0.60％、Alt：0.010～0.040％、P：<0.010％、S：<0.010％、O：<0.0015％、N：<0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时本发明还提供所述钢的热处理方法。本发明充分发挥各元素在车轴钢中的作用，并采用两次淬火+高温回火热处理，最终使高速车轴具有良好的抗冲击、抗疲劳等服役性能、优异的强韧性匹配和良好的淬透性。本发明所车轴钢的组织中奥氏体晶粒的平均晶粒尺寸为10‑13μm，屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度Rm≥950MPa，延伸率A≥15％，5mm缺口室温纵向冲击吸收功KU₂≥100J，韧脆转变温度低于‑80℃。

技术领域

本发明涉及铁路车轴用钢技术领域，尤其涉及一种细晶粒超高强韧性的高速车轴钢及其热处理方法。

背景技术

车轴是轨道交通列车服役条件最苛刻的部件之一，承受列车几乎全部自重和负荷。目前我国高速列车的最高运行速度已经突破时速350公里，并正在向时速400公里以上的目标发展。进一步提速到时速400公里以上将对车轴材料提出更高的性能要求，要保证具有足够的安全性、可靠性和长使用寿命。疲劳断裂是导致车轴失效的主要形式，因此，车轴材料需具有高强度、高韧性，以及两者的优异匹配，可以有效阻碍疲劳裂纹的萌生及扩展，来保证车轴较高的疲劳强度和足够长的使用寿命。由于各国国情和技术思路不同，世界各铁路发达国家高速铁路的车轴材料主要分为两大类：优质中碳钢和高强度合金钢。如日本新干线高速铁路车轴普遍采用碳素钢材质(S38C)，采用的是表面中频淬火热处理工艺，工艺复杂，对设备和人员的工艺控制水平要求高；欧洲高速铁路车轴材料则大多采用低合金结构钢(如EA4T)，通过传统的调质热处理方式即可获得相应组织和性能，但由于这种钢合金含量较低，大截面车轴存在淬透性不足的问题，车轴截面组织和性能不均匀，影响其整体性能；欧洲高铁车轴材料少部分选用30NiCrMoV12中合金结构钢，钢中含Cr0.60～1.00wt.％、Ni 2.70～3.30wt.％、Mo 0.40～0.60wt.％、V 0.08～0.13wt.％，此类钢种淬透性好、可油淬、硬度高、耐腐蚀性能好。根据我国目前钢坯冶炼水平以及车轴生产企业实际热处理工艺装备情况，国产化高速动车组车轴的研制开发优先选用了合金化调质热处理的技术路线。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种细晶粒超高韧性的含铌钒高速列车车轴用钢。在化学成分上，采用中低C、以Cr、Ni为主的合金化设计，采用Nb、V、Mo协同的多元复合微合金化思路，重点在于C、Nb、V、Mo、Ni元素的合理匹配，充分发挥其在车轴钢中的作用，获得晶粒细小且以马氏体为主的显微组织，使车轴钢具有超高强度和韧性、高淬透性等综合力学性能，从而具备良好的抗冲击和抗疲劳等服役性能。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种细晶粒超高强韧性高速车轴钢，所述钢的化学成分以重量百分比计为，C：0.24～0.32％、Si：0.20～0.40％、Cr：0.60～1.00％、Mn：0.40～0.70％、V：0.08～0.13％、Nb：0.02～0.10％、Ni：2.70～3.30％、Mo：0.40～0.60％、Alt：0.010～0.040％、P：<0.010％、S：<0.010％、O：<0.0015％、N：<0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，获得的车轴钢的组织中奥氏体晶粒的平均晶粒尺寸为10-13μm。

进一步地，所述车轴钢的屈服强度R_p0.2≥900MPa，抗拉强度Rm≥950MPa，延伸率A≥15％，5mm缺口室温纵向冲击吸收功KU₂≥100J，韧脆转变温度低于-80℃。