超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧制造技术

本发明专利技术属于金属材料领域，涉及超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧，各个成分的质量百分数为：0.48%~0.56%C、1.40%~1.80%Si、0.50%~0.90%Mn、1.00%~1.40%Cr、0.10%~0.30%V、0.01%~0.03%Nb、0.10%~0.50%Ni、0.10%~0.50%Mo、P≤0.010%、S≤0.010%，其余部分为Fe和不可避免的杂质。本发明专利技术的有益效果：该中碳弹簧钢碳含量较低，有利于降低表面脱碳层厚度，提高材料的疲劳性能；合金元素镍含量较低，具有显著成本优势；合金元素铌含量较低，有利于材料的连铸；通过常规生产方法，配合淬火+回火热处理工艺，可获得超高抗拉强度、屈服强度和良好的塑韧性，满足下一代高速列车转向架用弹簧钢的性能需求。弹簧钢的性能需求。弹簧钢的性能需求。

【技术实现步骤摘要】
超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧


[0001]本专利技术属于金属材料领域，具体涉及一种超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧。

技术介绍

[0002]弹簧与螺栓、齿轮构成机械三大基础零件，其在周期性的弯曲、扭转等交变载荷下工作，有时还要承受极高的短时突加载荷，需具备优良的综合性能。弹簧钢是用以制造各种弹簧或具有类似性能要求零件的钢种，弹簧钢的性能对弹簧制造业，乃至国民经济的发展有着重要影响。
[0003]自2003年中国开通首条高速铁路线路以来，经过六次铁路提速，高速铁路的营运速度已经达到了至少300 km/h。转向架是列车实现高速运行的关键部件之一，而弹簧连接车体和转向架，其直接影响车辆的安全性、舒适性。我国高速铁路的迅速发展对列车转向架专用弹簧钢的性能提出了更高要求。随材料强度的提高，一方面有利于提高列车的服役安全性和舒适性；另一方面有利于实现轻量化，减少线路损害、动力消耗、系统负荷、周边噪音。
[0004]目前，我国用于制造列车转向架弹簧的最高级别材料是60Si2CrVAT弹簧钢。根据铁道部发布的《铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧技术条件》，货运列车转向架弹簧钢60Si2CrVAT的性能要求为：抗拉强度R
m
≥1900 MPa、屈服强度R
p0.2
≥1700 MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥30%；根据中国铁路总公司下发的《铁路客车转向架用钢制螺旋弹簧暂行技术条件》，客运列车转向架弹簧钢60Si2CrVAT的性能要求为：抗拉强度R
m
≥1860 MPa、屈服强度R
p0.2
≥1665 MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥30%。2019年我国发布的《交通强国建设纲要》将时速400 km/h以上的高铁和高速重载货运列车作为下一步研究开发重点任务，对弹簧钢性能提出了更高要求，迫切需要专利技术抗拉强度高于2000 MPa、屈服强度高于1800 MPa且塑韧性良好的超高强弹簧钢，为我国经济发展提供有力支撑。然而，近年来通过添加合金元素开发的抗拉强度在2000 MPa以上的弹簧钢存在诸多问题：（1）为了提高强度而采用了高碳含量（大于0.60wt%），这会降低材料的塑韧性并显著提高表面脱碳敏感性，从而降低弹簧钢的服役性能，如CN 107587068 A中0.63wt%~0.70wt%的碳含量、CN 111334708 A中0.70wt%~0.80wt%的碳含量、CN 1118611 A中0.50wt%~0.70wt%的碳含量。（2）为了提高强度而采用了较高的硅含量（大于2.00wt%），这会显著提高表面脱碳敏感性，降低弹簧钢的疲劳性能，如CN 104114732 B中1.75wt%~2.40wt%的硅含量、CN 1118611 A中1.00wt%~3.50wt%的硅含量。（3）为了提高强度和塑性而采用了较高的铌含量（大于0.03wt%），这会显著提高钢铁材料连铸的难度，不利于应用实施，如CN 107587068 A中0.05wt%~0.08wt%的铌含量、CN 111334708 A中0.03wt%~0.05wt%的铌含量，CN 1118611 A中0.05wt%~0.5wt%的铌含量。（4）为了提高材料的塑韧性而采用了较高的镍含量（大于0.5wt%），这会显著提高材料的生产成本，不利于应用实施，如CN 1118611 A中0.50wt%~5.00wt%的镍含量。产生上述问题的根本原因是材料设计时仅能通过实验或经验考虑较为单一的设计目标，无法综合考虑
较多方面的因素。随着钢铁材料性能要求、成本要求、工艺要求等多个方面要求的同时提高，通过传统的“试错”方法获得满足需求的合金成分的难度急剧增大。近年来，材料基因工程领域取得了诸多实质进展，机器学习为高效破解钢铁材料的复杂成分
‑
性能关系提供了有力工具。

技术实现思路

[0005]本专利技术公开了一种超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种超高强中碳弹簧钢，具有如下化学成分（质量百分数）：0.48%~0.56% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.10%~0.50% Ni、0.10%~0.50% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%，O≤0.0010%，N≤0.0050%，其余部分为Fe和正常杂质。所述弹簧钢的碳含量在0.48wt%~0.56wt%，同时含有0.01wt%~0.03wt% Nb、0.10wt%~0.50wt% Ni和0.10wt%~0.50wt% Mo，且Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0。其抗拉强度R
m
为2100~2450 MPa，屈服强度R
p0.2
为1850~2150 MPa，断后伸长率A为9%~12%，断面收缩率Z为30%~45%，室温冲击韧性为20~30 J/cm2。
[0007]进一步，所述超高强中碳弹簧钢的Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0，且所述超高强中碳弹簧钢中的具有逆变奥氏体相。
[0008]进一步，所述超高强中碳弹簧钢中逆变奥氏体占总体积分数为5%~15%。
[0009]进一步，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0.49% C、1.45% Si、0.60% Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01% Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009%P、0.008%S、0.0009%O、0.0040%N，其余为Fe和不可避免的杂质；所述中碳弹簧钢的力学性能抗拉强度为R
m
为2382 MPa，屈服强度R
p0.2
为2034 MPa，断后伸长率A为10.0%，断面收缩率Z为35.6%，室温冲击韧性为24 J/cm2。
[0010]进一步，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0.48%C、1.40% Si、0.70% Mn、1.00% Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10% Ni、0.10% Mo、0.008%P、0.0085%S、0.00092%O、0.0045%N，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0011]如上所述超高强中碳弹簧钢的淬火+回火热处理工艺，步骤1：将弹簧钢放入加热至900~950℃的热处理炉保温30~60 min后油淬；步骤2：将弹簧钢放入加热至200~400℃的热处理炉回火90~120 min后水冷。所述的回火温度显著低于常规高强弹簧钢的回火温度，且回火温度区间宽，可在较大的回火温度范围内获得超高强度并保持良好的塑性。
[0012]本专利技术的技术要点具体说明如下：（1）该弹簧钢为中碳钢（碳含量0.48wt%~0.56wt%）且硅含量（1.40wt%~1.80wt%）较低，这有利于提高材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高强中碳弹簧钢，其特征在于，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0.48%~0.56% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.10%~0.50% Ni、0.10%~0.50% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%、O≤0.0010%、N≤0.0050%、其余为Fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢，其特征在于，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0..48%~0.50% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.15%~0.30% Ni、0.15%~0.30% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%，O≤0.0010%，N≤0.0050%，其余为Fe和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢，其特征在于，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0.49% C、1.45% Si、0.60% Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01% Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009%P、0.008%S、0.0009%O、0.0040%N，其余为Fe和不可避免的杂质；所述中碳弹簧钢的力学性能抗拉强度为R
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为2382 MPa，屈服强度R
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为2034 MPa，断后伸长率A为10.0%，断面收缩率Z为35.6%，室温冲击韧性为24 J/cm2。4.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢，其特征在于，所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为：0.48%C、1.40% Si、0.70% Mn、1.00% Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10% Ni、0.10% Mo、0.008%P、0.0085%S...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵帆，谢建新，刘新华，张志豪，杨累，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：