一种含铌钒城轨地铁用车轴及其热处理工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种含铌钒城轨地铁用车轴及其热处理工艺，本发明专利技术车轴成分为C：0.30‑0.36％，Si：0.15‑0.35％，Mn：1.30‑1.5％，Cr：0.15‑0.35％，Ni：0.10‑0.20％，Mo：0.10‑0.20％，V：0.03‑0.06％，Nb：0.015％‑0.035％，Ca：0.0010‑0.0050％；B：0.0015‑0.0030％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Als：0.015‑0.035％，余为Fe和其它不可避免的杂质。本发明专利技术采用较少的合金元素加入量，生产成本低，配合本发明专利技术热处理工艺，能够获得强度高、抗疲劳性能优良的车轴。

An axle containing niobium and vanadium for urban rail transit and its heat treatment process

【技术实现步骤摘要】
一种含铌钒城轨地铁用车轴及其热处理工艺
本专利技术属于合金钢领域，具体涉及一种含铌钒城轨地铁用车轴及其热处理工艺。
技术介绍
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，特别是城轨地铁车轴，其受力状态更为复杂。因此，城轨地铁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，城轨地铁车轴必须具有足够的可靠性和疲劳安全系数。城轨地铁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，国内外十分重视对城轨地铁车轴用钢的研发和疲劳性能的研究。随着城市轨道交通的快速发展，对车轴的需要急剧增加，目前国内外，特别是欧洲、亚洲市场仍主要采用标准EN13261里的EA1N和EA4T材质车轴，EA1N为正火车轴，主要用在低速城轨及地铁车型上，疲劳强度较低，已不能满足城轨地铁的高速化发展需要，EA4T为合金钢车轴，热处理工艺为调质热处理，但大规格城轨地铁车轴调质处理后内部的组织(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。同时Cr、Mo、Ni含量偏高，导致车轴成产成本偏高，这些均在实际应用中受到了限制，因此，迫切需要开发适一种经济型高强高韧及长疲劳寿命的新材质城轨地铁车轴。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含铌钒城轨地铁用车轴，含有较少的铌、钒成分，降低生产成本，同时获得优异的耐冲击、抗疲劳性能。本专利技术另一目的在于提供一种含铌钒城轨地铁用车轴的热处理工艺。本专利技术具体技术方案如下：一种含铌钒城轨地铁用车轴，含有以下质量百分比的化学成分：C：0.30-0.36％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.30-1.50％，Cr：0.15-0.35％，Ni：0.10-0.20％，Mo：0.10-0.20％，V：0.03-0.06％，Nb：0.015％-0.035％，Ca：0.0010-0.0050％；B：0.0015-0.0030％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Als：0.015-0.035％，余为Fe和其它不可避免的杂质。上述各元素的作用及配比依据如下：C：C元素是车轴钢获得高的强度、硬度所必需的。传统车轴钢中的C含量较高，如目前铁路货车车轴用钢LZ50中的碳含量为0.50％左右。高的C含量虽然对钢的强度、硬度等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.40％以下。然而，淬火和高温回火后为了获得所需的高强度和所必须的疲劳性能，C含量须在0.30％以上，同时结合其他合金元素的比例，本专利技术C含量宜控制为0.30-0.36％。Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.15-0.35％。Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，主要提高钢的淬透性和强度，避免大规格车轴热处理后出现铁素体，影响车轴的抗疲劳性能，含量小于1.30％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在1.30-1.50％。Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.15-0.35％。Ni：Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性。考虑到经济性，控制Ni含量为0.10-0.20％。Mo：Mo在钢中的作用主要为提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，Mo元素与Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明显提高。Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.10-0.20％。V：V是强碳化物形成元素，与C结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。但其价格昂贵。综合考虑，V的范围可控制在0.030-0.06％。Nb：Nb对车轴钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.015-0.025％。Ca：Ca具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。Ca含量小于0.001％起不到上述作用，但含量超过0.005％，则加入相当困难，且夹杂物量增多。因而控制Ca含量为0.0010-0.0050％。B：B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，在钢的奥氏体转化过程中，铁素体最容易在晶界处形核，由于B吸附在晶界上，填充了缺陷，降低了晶界能位，使新相形核困难，奥氏体稳定性增加，从而提高了淬透性，但B含量过高会形成网状“B相”，降低钢的韧性，因此，综合考虑，B含量控制范围为0.0015-0.0030％。P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制≤0.010％。S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在≤0.008％。T[O]：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0010％以下。Al：除了降低钢液中的溶解氧之外，铝还可以起到细化晶粒的作用。但过多的Al含量一方面还原钢中Ti等有害元素，连铸时还容易二次氧化造成钢水污染，因此Al含量应控制在0.015-0.035％。与EA4T相比：(1)适当提升C元素含量，改善钢的淬透性和强度，(2)适当提高钢中的Mn元素并加入微量的Nb、V、Ni等元素，以改善钢的淬透性，提高钢的韧性特别是低温韧性，提高钢的抗疲劳性能；(3)适当降低钢中的Cr元素，以提高车轴的强韧匹配性；(4)同时严格控制钢中杂质元素T[O]、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能；(5)根据需要，钢中还加入微量B元素，以进一步改善钢的淬透性。本专利技术的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含铌钒城轨地铁用车轴，其特征在于，所述含铌钒城轨地铁用车轴含有以下质量百分比的化学成分：：C：0.30-0.36％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.30-1.50％，Cr：0.15-0.35％，Ni：0.10-0.20％，Mo：0.10-0.20％，V：0.03-0.06％，Nb：0.015％-0.035％，Ca：0.0010-0.0050％；B：0.0015-0.0030％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Als：0.015-0.035％，余为Fe和其它不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种含铌钒城轨地铁用车轴，其特征在于，所述含铌钒城轨地铁用车轴含有以下质量百分比的化学成分：：C：0.30-0.36％，Si：0.15-0.35％，Mn：1.30-1.50％，Cr：0.15-0.35％，Ni：0.10-0.20％，Mo：0.10-0.20％，V：0.03-0.06％，Nb：0.015％-0.035％，Ca：0.0010-0.0050％；B：0.0015-0.0030％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，Als：0.015-0.035％，余为Fe和其它不可避免的杂质。


2.一种权利要求1所述的含铌钒城轨地铁用车轴的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括正火、淬火和回火。


3.根据权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于，所述正火具体为：加热至860-880℃，保温，然后风冷至200℃以下。


4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：于文坛，刘学华，汪开忠，张艳，戴俊，陶盈龙，童乐，钟尧舜，
申请(专利权)人：马鞍山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34