一种细化车轮钢组织的氧化物冶金方法技术

一种细化车轮钢组织的方法，特别涉及采用氧化物冶金技术手段细化车轮钢组织，改善其综合性能，属于新材料冶金技术领域。本发明专利技术主要通过选择、添加合适的微量合金元素，形成弥散的氧化物质点，使氧化物颗粒作为促进形核的质点，改善铸坯和产品组织的均匀性和致密性，细化其组织，进而获得优异的综合性能。在O、N含量分别控制25ppm和45ppm以下的基础上，提出将Ti提高到0.025~0.030wt%，酸溶铝Als提高到0.030~0.055wt%，及合金元素Cr提高到0.030~0.040wt%，浇铸过程中形成第二相颗粒，促进结晶。随后控制轧制及热处理，使析出物质点弥散分布，阻止晶粒长大，强化车轮钢。本发明专利技术使车轮钢的组织细化均匀，从而提高车轮钢综合性能。该方法控制简单、成本低廉、并且易于在工业生产中实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速车轮钢组织的细化，特别涉及采用氧化物冶金技术手段细化车轮钢组织，改善其综合性能，属于新材料冶金

技术介绍
随着铁路运输向着高速、重载方向的迅速发展，对车轮和轮箍的质量与性能提出了更高的要求。以客运专线运营200-250 km/h时速、货车轴重由21 T提高到25T为标志， 我国铁路对车轮的质量与性能提出了更高的要求。需要优良的冶金质量确保安全性，以高的强度来适应大载重量，以高韧性来保证车轮运行的可靠性，以高的耐磨性来延长其使用寿命。采用氧化物冶金这一低成本的方法来改善铸坯和产品组织的均勻性和致密性，消除大颗粒夹杂和元素偏析，从而降低氢致开裂敏感性，提高车轮综合性能。氧化物冶金技术核心是通过在钢中形成弥散分布的第二相(氧化物、硫化物及金属碳氮化物等)来细化晶粒尺寸而提高综合机械性能。JP 2001-288509文献中，将钢水中的氧控制在2(T80ppm后，依次添加Ti、Al和Ca 进行脱氧，这是按照脱氧能力从弱到强的顺序添加的，可以细化并增加氧化物含量。这种方法既可以减少钢水中氧的过饱和度，还可以反复进行脱氧反应，起到了抑制氧化物过度生长和粗化的作用。但是，在专利文献中，夹杂物的成分由反复添加的脱氧元素决定，而且氧化物弥散量由初期溶解于钢水中的氧决定，而且也不能促进氧化物的细化和弥散。并且这种方法只是应用于低碳钢，未提及中碳钢。专利JP 8-246026中，在添加脱氧剂后，向镇静状态的钢水中吹氧来控制钢中夹杂物的形态。专利JP10-193046中，提到了氧气的供给方法(用固体氧离子导体，通过施加电压，将氧气加到钢水中)、细小氧化物生成和弥散方法以及向钢水中吹入氧化性气体，使细小氧化物弥散的方法。这些方法都是在低氧状态下供氧的，在脱氧反应中饱和度不高，可以抑制粗大脱氧生成物的生成。
技术实现思路
本专利技术目的是通过选择、添加合适的微量合金元素，形成弥散的氧化物质点，促进铸坯组织晶粒细化，在随后的轧制和热处理过程中使合金元素作为第二相析出，阻止奥氏体晶粒长大，使车轮钢弥散强化，从而达到提高力学性能的目的。氧化物冶金技术中，氧化物(包括由氧化反应生成的碳氮化物等第二相)的种类和大小以及分布是其关键因素。弥散分布的氧化物质点有利于细化钢组织，强化钢性能。车轮钢炼钢生产工艺为转炉炼钢一炉外精炼一VD除气一连铸浇铸，氧化物的最终产物不仅与钢液中C、N和0等含量有关，而且与脱氧元素、合金元素及添加顺序有关。对于合金元素， Cr是强碳化物形成元素，能提高A" Ac3的临界点，同时可使钢具有适度的淬透性，加入Cr 可以减少碳在奥氏体中的扩散系数，从而细化奥氏体晶粒尺寸，减小珠光体片间距，使车轮钢强度、硬度、耐磨性升高，但会降低钢的塑性。Al和Ti在钢中形成A1N、钛化物等析出物钉扎晶界，使奥氏体细化。，浇注前钢中元素含量为C :0. 45、. 60 wt%, Si :0. 2 1. 2 wt%, Mn :0. 7 1. 2 wt%, Ti :0. 025 0. 030 wt%, Cr :0. 005 0. 02wt%, Als 0. 030 0· 055wt%, P :0. 030 0· 040wt% S :0. 003 0· 02 wt%, 0 :25ppm 以下、N :45ppm 以下， 其余为Fe ；在VD除气后、连铸浇铸前加入的Ti首先在1650-1550°C浇铸过程中形成氮化钛第二相，促进结晶，细化初晶尺寸，同时阻止N与添加Ti以后再加入的Al在较高温度下反应生产大尺寸夹杂物，在连铸后钢坯在1180-1250°C控制轧制时，Al与N通过扩散反应产生纳米级AlN析出，阻止轧制过程中奥氏体晶粒的粗化；随后在810-890°C热处理，使纳米级 CrC析出，进一步强化车轮钢。即弥散强化和细晶强化相结合，提高车轮钢的综合性能。与现有的技术相比，本专利技术特点在于，通过选择、添加合适的微量合金元素，形成弥散的氧化物质点，使氮化物颗粒作为促进形核的质点，在不改变先后车轮生产工艺的情况下改善铸坯和产品组织的均勻性和致密性。使车轮钢强度(抗拉强度> 850 MPa)和韧性 (常温冲击韧性彡15J，断裂韧性彡85 MPa*ml/2)匹配良好，获得优异的综合性能；由于添加合金后临界点Acl和Ms较高，还具有良好的抗热损伤、抗机械疲劳损伤能力；对氮化物弥散强化和合金元素固溶强化配合，一方面，合金元素少而廉价，加入量容易控制，同时钢中氮化物在钢中不影响钢的性能，不增加生产成本。附图说明图1为实施例1的金相2为实施例2的金相图图3为实施例3的金相图图4为实施例4的金相图图5为实施例1、2、3、4钢的有效晶粒度级别图图6为实施例2中纳米级AlN析出的透射电镜(TEM)图像表1为实施例1、2、3、4钢的化学成分表2为实施例1、2、3、4钢的性能。具体实施例方式实施例1 采用通用的冶炼设备，按表1标号1的组分及含量，采用通常的冶炼工艺进行冶炼，连铸成圆坯；然后将圆坯模切块、加热、锻压、轧制、热处理。其金相如图，性能检测见表2。实施例2 分别按照表1标号2的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。实施例3 分别按照表1标号3的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。实施例4 分别按照表1标号4的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。实施例1、2、3、4试样的金相微观组织如图1至图4。对比实施例1、2、3、4试样的金相图1、图2、图3及图4，提高脱氧元素Al以及合金元素Cr和Ti的含量，有利于车轮钢组织细化。按照GB/T6394-2002采用三圆截点法对实施例1、2、3、4试样的晶粒度进行统计， 不同实施例的车轮钢的晶粒度级别如图5所示。可见，将Als提高到0. 032wt%, Ti提高到 0. 025 wt%，Cr提高到0. 035wt%,车轮钢组织明显细化。按照GB/T4161-2007、GB7314-1987、GB/T231. 1-2002 和 GB/T 229-1994 进行测试获得的断裂韧性、常温抗拉强度、布氏硬度和常温冲击功如表2所示。由表可见，与实施例 1相比，实施例2、3、4试样强度(抗拉强度> 850 MPa)和韧性(常温冲击韧性> 15J，断裂韧性彡85 MPa-m172)明显提高，并且匹配良好。综上所述，本专利技术可以使车轮钢的晶粒细化和组织均勻化，并且明显提高车轮钢的综合性能。表 1编号CAlsCrMnPSSiTiFe1#0. 480. 0250. 0120. 630. 007<0. 0021. 120. 006Bal.2#0. 490. 0520. 0130. 880. 007<0.0021. 070. 025Bal.3#0. 490. 0230. 0330. 870. 008<0. 0021. 10. 023Bal.4#0. 490. 0320. 0350. 890. 008<0.0021. 080. 026Bal. 表 2编号抗拉强度/lffa常温冲击Akv/J布氏硬度HB断裂韧性/ΜΡει·ιη1/21#82112239. 870. 82#85115236. 385. 83本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种细化车轮钢组织的氧化物冶金方法，其特征在于，钢中基本元素含量为：Ｃ：０．４５～０．６０　ｗｔ％，Ｓｉ：０．２～１．２　ｗｔ％，Ｍｎ：０．７～１．２　ｗｔ％，Ｐ：０．０３０～０．０４０ｗｔ％，　Ｓ：０．００３～０．０２　ｗｔ％，Ｔｉ：０．０２５～０．０３０　ｗｔ％，Ａｌｓ：０．０３０～０．０５５ｗｔ％，Ｃｒ：０．０３０～０．０４０ｗｔ％，Ｏ：≤２５ｐｐｍ，Ｎ：≤４５ｐｐｍ，其余为Ｆｅ；实施方法为：ＶＤ从除气后、连铸浇铸前首先将钢中Ｔｉ提高到０．０２５～０．０３０　ｗｔ％；搅拌后再通过添加合金元素将酸溶铝Ａｌｓ提高到０．０３０～０．０５５ｗｔ％、合金元素Ｃｒ提高到０．０３０～０．０４０ｗｔ％；加入的Ｔｉ首先在１６５０－１５５０℃浇铸过程中形成氮化钛第二相，促进结晶，细化初晶尺寸，同时阻止Ｎ与Ａｌ　的进一步反应生产大尺寸夹杂物；在１１８０－１２５０℃控制轧制，可使Ａｌ与Ｎ进一步反应生产纳米级ＡｌＮ析出，阻止轧制过程中奥氏体晶粒的粗化；随后在８１０－８９０℃热处理，使纳米级ＣｒＣ析出，进一步强化车轮钢；即弥散强化和细晶强化相结合，提高车轮钢的综合性能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任学冲，李胜军，高克玮，宿彦京，李高洋，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11