專利名稱：一種耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼及熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別提供了一種優(yōu)異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧 鋼的成分設(shè)計和熱處理工藝。
背景技術(shù)：
為了滿足國內(nèi)日益增長的快速鐵路客運服務(wù)需要，全面實現(xiàn)鐵路裝備現(xiàn)代化和裝 備制造業(yè)現(xiàn)代化和中國鐵路跨越式發(fā)展，我國全面引進了國外高速鐵路動車組相關(guān)設(shè)計和 制造技術(shù)，時速200km及以上的動車組首次于2007年4月18日在全國鐵路第六次大面積 提速之后開始運行。轉(zhuǎn)向架是鐵路列車實現(xiàn)高速的關(guān)鍵部件之一，是高速列車的關(guān)鍵構(gòu)件，在動車組 運行中起著承載、牽引、緩沖、轉(zhuǎn)向和制動等作用，轉(zhuǎn)向架技術(shù)是動車組的關(guān)鍵技術(shù)之一。而 高速列車用彈簧鋼是一種用于制造高速列車轉(zhuǎn)向架用鋼彈簧的關(guān)鍵材料，是承載車廂的安 全器件，其服役性能對高速列車安全運行非常重要。目前我國新造鐵路車輛車體全部采用 耐候鋼，采用耐候鋼配合其它措施會使貨車廠修期延長2年以上，耐候鋼耐蝕性能比熱鍍 鋅零件壽命延長50%以上。而且我國西南部酸雨及全國范圍內(nèi)大氣污染問題已威脅到了 零部件使用壽命。據(jù)車輛企業(yè)統(tǒng)計，目前鋼彈簧因腐蝕引起的破壞占其破壞總數(shù)的20%以 上。因此，提高彈簧鋼材料的耐大氣腐蝕性能，對于提高彈簧壽命和使用安全性具有非常重 要的意義。對于高速列車的安全而言，彈簧疲勞破壞脆斷造成的事故危害很大。Al2O3等脆 性夾雜物對彈簧的疲勞性能非常有害，因此彈簧鋼材料必須嚴格控制Al以及雜質(zhì)元素等 含量，以避免彈簧脆斷造成事故。在高速列車用鋼彈簧的生產(chǎn)過程中，熱處理工藝，主要是淬火和回火溫度以及保 溫時間等關(guān)鍵工藝參數(shù)對鋼彈簧的性能影響很大，回火溫度波動10°c會造成洛氏硬度波動 1HRC，對拉伸性能、沖擊性能也會產(chǎn)生影響。因此，優(yōu)化鋼彈簧材料成分設(shè)計，選用合適的淬 火處理溫度、回火工藝溫度以及保溫時間，對高速列車鋼彈簧的生產(chǎn)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種優(yōu)異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧鋼的成 分設(shè)計和熱處理工藝。采用本發(fā)明生產(chǎn)的高速列車用鋼彈簧除了具備高的屈服強度 (彡1400MPa)、抗拉強度(彡1500MPa)、延伸率(^ 9. 5% )和高的室溫沖擊功(彡20J)， 良好的疲勞性能等，還具有優(yōu)異的耐大氣腐蝕性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種高速列車用彈簧鋼的成分設(shè)計，在常規(guī)彈簧鋼主合金元素C、Mn、Cr、V等的基 礎(chǔ)上，加入0. 15 0. 25%的Cu，以獲得優(yōu)異的耐大氣腐蝕性能；同時嚴格控制Al、S、P、0、 N等含量，以保證彈簧的優(yōu)良疲勞性能。按重量百分比計，本發(fā)明的化學(xué)成分范圍為C :0· 47 % 0. 55 %，Si ^ 0. 40%, Mn 0. 70 1. 10 %，Cr 0. 90 1. 20 %，V 0. 10 0. 25 %，Cu :0. 15 0. 25 %，Al 彡 0. 030 %，S 彡 0. 015 %，P 彡 0. 015 %，0 (0. 005%, N 彡 0. 010%, Fe 其余。 在本發(fā)明上述彈簧鋼的化學(xué)成分范圍內(nèi)，熱處理工藝主要特點為(1)淬火溫度850 900°C，淬火方式為油淬；(2)回火溫度460 480°C，保溫時間30 60分鐘，隨后空冷或水冷。除了上述的關(guān)鍵工藝參數(shù)外，其他工藝參數(shù)為鐵路列車用鋼彈簧的常規(guī)工藝技 術(shù)。本發(fā)明的有益效果是采用這種設(shè)計的化學(xué)成分和熱處理工藝，可以生產(chǎn)出優(yōu)良綜合力學(xué)性能、良好疲 勞性能、優(yōu)異耐大氣腐蝕性能的高速列車用鋼彈簧，對于提高我國高速列車用鋼彈簧的壽 命和使用安全性具有重要意義。


圖1為本發(fā)明高速列車用鋼彈簧材料的截面硬度分布與回火溫度關(guān)系圖。其中， (a)實施例1 ； (b)實施例2。圖2為本發(fā)明高速列車用鋼彈簧材料和對比材料周期浸潤腐蝕實驗的掃描電鏡 形貌。其中，(a)實施例1 ； (b)實施例2 ； (c)對比材料。圖3為本發(fā)明高速列車用鋼彈簧材料周期浸潤腐蝕實驗腐蝕產(chǎn)物的掃描電鏡能 譜分析結(jié)果。圖4為本發(fā)明高速列車用鋼彈簧材料和對比材料模擬酸雨干濕交替腐蝕實驗的 掃描電鏡形貌。其中，(a)實施例1 ;(b)對比材料。圖5為本發(fā)明高速列車用鋼彈簧材料模擬酸雨干濕交替腐蝕實驗腐蝕產(chǎn)物的掃 描電鏡能譜分析結(jié)果。
具體實施例方式實施例實施例1、實施例2和對比材料的化學(xué)成分如表1所示，其常規(guī)熔煉和軋制過程如 下鐵水預(yù)處理一電爐冶煉一LF精煉一VD真空脫氣一連軋成方坯一緩冷一加熱爐加 熱一軋制成圓棒料一冷卻一矯直一磨光。實施例1和實施例2采用850°C /油淬+460 480°C /保溫30分鐘/回火/空 冷后的硬度分布如圖1所示，結(jié)果表明，實施例的表面附近硬度為45 51HRC，且心部與表 面硬度差不大于3HRC。實施例1和實施例2經(jīng)850°C /油淬+460 480°C /保溫30分鐘/回火/空冷后的 室溫拉伸和沖擊性能的平均值見表2，可以看出，實施例具有高的屈服強度(彡1400MPa)、 抗拉強度(彡1500MPa)、延伸率(彡9. 5% )和高的室溫沖擊功(彡20J)。表1實施例和對比材料的化學(xué)成分(重量百分比) 表2實施例的室溫拉伸性能和沖擊性能 注室溫沖擊樣品尺寸為10_X10_X55mm，U型缺口。采用本發(fā)明實施例1和實施例2的化學(xué)成分以及熱處理工藝生產(chǎn)的高速列車用鋼 彈簧疲勞性能良好，通過了 200萬次疲勞試驗。根據(jù)GB 10561-2005和DIN 50602:1985夾 雜物評級標準，其夾雜物評級結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，其夾雜物等級均很??；夾雜物主 要為硫化物夾雜。表3實施例的夾雜物等級評定結(jié)果 將實施例1、實施例2和對比材料進行850°C油淬+475°C /30分鐘/回火/空冷熱 處理。參考TB/T 2375-93，線切割取樣并在磨床上將表面磨光，加工成表面粗糙度滿足實驗 要求，尺寸為30mmX20mmX2. 5mm的試樣。進行周期浸潤腐蝕實驗，實驗條件如下溫度45士2°C，循環(huán)周期60士3分鐘，浸漬時間6分鐘，潤濕時間6分鐘，烘烤后表 面最高溫度70士 10°C。浸潤介質(zhì)采用NaHS03溶液，初始濃度為0. Olmol/1，補給液濃度為 0. 02mol/l，連續(xù)實驗100小時。每組材料均準備了 6個樣品，其中5個樣品用來計算腐蝕 失重率，另外1個樣品用于腐蝕形貌的觀察。實驗結(jié)果表明，實施例1、實施例2和對比材料的腐蝕速率分別為1. 91g/(m2 h)、1. 73g/(m2 · h)和1. 99g/(m2 · h)，實施例1和實施例2的腐蝕速率均低于對比材料。利用掃描電鏡對實施例1、實施例2和對比材料的腐蝕形貌進行了觀察，如圖2所 示，結(jié)果表明，對比材料的腐蝕較嚴重，實施例1和實施例2的腐蝕較輕。掃描電鏡能譜分 析結(jié)果表明，見圖3，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe、Cr、V的氧化物和硫化物。另外，選用經(jīng)850°C油淬+475°C /30分鐘/回火/空冷熱處理的實施例1和對比 材料，進行了模擬酸雨干濕交替實驗，樣品的加工流程和尺寸等與上述周期浸潤腐蝕實驗 樣品相同，實驗條件如下浸漬(40°C /2分鐘)一濕潤(40°C /2分鐘)一干燥(50°C /11分鐘)一循環(huán)；浸 漬介質(zhì)0· 005mol/l NaHS03+0 . 00 5mol/l (NH4) 2S04+0 . 001mol/l H2SO4 溶液；連續(xù)實驗 72 小 時。每組材料均準備6個樣品，其中5個樣品用來計算腐蝕速率，另1個樣品用于腐蝕形貌 的觀察。實驗測得實施例1的平均腐蝕速率為2. 82g/(m2 -h)，對比材料的平均腐蝕速率為 3. 13g/(m2 · h)，即實施例1在模擬酸雨環(huán)境下的腐蝕速率比對比材料低10%左右，表明其 具有相對優(yōu)異的耐大氣腐蝕能力。利用掃描電鏡對實施例1 和對比材料的腐蝕形貌進行觀察，見圖4，結(jié)果表明，對 比材料的腐蝕比實施例1的腐蝕明顯嚴重。掃描電鏡能譜分析見圖5，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物 主要為Fe、Cr的氧化物和硫化物。
權(quán)利要求
一種耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼，其特征在于，按重量百分比計，其化學(xué)成分范圍如下C0.47％～0.55％，Si≤0.40％，Mn0.70～1.10％，Cr0.90～1.20％，V0.10～0.25％，Cu0.15～0.25％，Al≤0.030％，S≤0.015％，P≤0.015％，O≤0.005％，N≤0.010％，F(xiàn)e其余。
2.一種如權(quán)利要求1所述的耐大氣腐蝕的高速列車用彈簧鋼的熱處理工藝，其特征在 于，熱處理工藝如下(1)淬火溫度850 900°C，淬火方式為油淬；(2)回火溫度460 480°C，保溫時間30 60分鐘，隨后空冷或水冷。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別提供了一種優(yōu)異耐大氣腐蝕性能的高速列車用彈簧鋼的成分設(shè)計和熱處理工藝。所述彈簧鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為C0.47％～0.55％，Si≤0.40％，Mn0.70～1.10％，Cr0.90～1.20％，V0.10～0.25％，Cu0.15～0.25％，Al≤0.030％，S≤0.015％，P≤0.015％，O≤0.005％，N≤0.010％，F(xiàn)e其余。其熱處理工藝為850～900℃/油淬+460～480℃/保溫30～60分鐘/回火。采用本發(fā)明生產(chǎn)的高速列車用鋼彈簧除了具備高的屈服強度(≥1400MPa)、抗拉強度(≥1500MPa)、延伸率(≥9.5％)和高的室溫沖擊功(≥20J)，良好的疲勞性能等，還具有優(yōu)異的耐大氣腐蝕性能。
文檔編號C21D1/58GK101864539SQ20091001115
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者單以銀, 楊柯, 王偉, 王松濤 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所