專利名稱：一種車軸材料及其在高速鐵路客車上的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別是一種鐵路客車用車軸材料，更進(jìn)一步地，是一種用于200km以上時速高速鐵路客車的合金鋼車軸材料。
背景技術(shù)：
高速鐵路的運(yùn)行安全是涉及國計(jì)民生的重大基礎(chǔ)工程項(xiàng)目，而車軸是高鐵列車的關(guān)鍵走行部件之一，其綜合性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了列車運(yùn)行的長久安全和運(yùn)行壽命。車軸疲勞使用壽命與車軸的材料、制造、熱處理及設(shè)計(jì)方法都有直接關(guān)系特別是車軸壓裝部分的疲勞損傷問題一直沒有得到有效解決。高速鐵路列車用車軸國際上通常采用兩種材料和工藝技術(shù)來生產(chǎn)，一種技術(shù)思路是使用中高碳碳素鋼生產(chǎn)并采用感應(yīng)線圈淬火，在車軸表面獲得良好的硬度和疲勞性能；另一種技術(shù)思路是選用合金結(jié)構(gòu)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處 理,車軸整體獲得良好的強(qiáng)韌性匹配。由于在高速動車組上普遍采用空心車軸,車軸材質(zhì)的選擇應(yīng)保證具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性及優(yōu)良的疲勞性能，因此鋼的各元素含量及復(fù)合合金化的選擇是關(guān)鍵。中國專利CN101928878B公開了一種車軸鋼，其化學(xué)成分重量百分比為C :O. 38-0. 42%、Si 0. 26-0. 32%、Mn:0. 70-0. 80%、V :0. 08-0. 12%、N :0. 015-0. 02%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。這種車軸鋼的屈服強(qiáng)度為420MPa，抗拉強(qiáng)度為730MPa，疲勞極限為249MPa，這些性能已無法滿足日益發(fā)展的高速鐵路客車對于車軸鋼材料的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能優(yōu)良的車軸材料，特別是一種強(qiáng)韌性匹配和疲勞性能優(yōu)良的高速鐵路客車用合金鋼車軸材料。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明人詳細(xì)研究了各化學(xué)組分對車軸材料性能的影響，并得到以下發(fā)明技術(shù)方案
一種車軸材料，包含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo和Fe，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C O.24%-0.36%, Si 0.25%-0.45%, Mn :0.50%-0.85%, P 0-0.010%, S :0-0.004%, Cr 0. 95%-1· 20%, Mo 0. 20%-0. 45%，余量為 Fe。優(yōu)選的是，Mo含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0· 20-0. 30%。為了使車軸材料獲得良好的韌性水平，同時兼顧疲勞強(qiáng)度，優(yōu)選的是，C含量為O. 25%-0. 36%ο為了使車軸材料獲得良好的疲勞強(qiáng)度，同時兼顧其韌性水平，優(yōu)選的是，C含量為O. 33%-0. 36%O優(yōu)選的是，如上所述的車軸材料還包含有Ni、Cu和V，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni (O. 50%, Cu O. 40%, V 0. 03-0. 08%。優(yōu)選的是，其中Ni含量為0. 15%-0. 45%。優(yōu)選的是，其中Cu含量為0. 10%-0. 35%。更優(yōu)選的是，如上所述的車軸材料還包含有Ca、Al和N，各元素含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ca 0. 0005%-0. 0045%, Al :0. 005%-0. 040%, N :0. 0010%-0. 010%,并且，Ca 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)
符合0. 3*S ^ Ca ^ I. 25*S+2. 5*0，且/或N的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)符合N ( O. 5*Α1_0· 001，其中氧的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0S 0. 0050% (S為硫的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；A1為鋁的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；0為氧的質(zhì)
量百分?jǐn)?shù))。優(yōu)選的是，車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C :0. 25%，Si:O. 25%, Mn 0. 80%, P :0. 005%, S :0. 0023%, Cr :0. 95%, Ni :0. 30%, Al :0. 040%, N :0. 0047%, Ca O. 0045%, V 0. 030%, Mo :0. 45%，余量為 Fe。優(yōu)選的是，車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C:0.26%，Si O. 45%, Mn 0. 75%, P :0. 0094%, S :0. 0038%, Cr :1. 05%, Ni :0. 50%, Al :0. 032%, N :0. 0052%,Ca 0. 0005%, Cu :0. 25%, V :0. 063%, Mo :0. 28%，余量為 Fe。優(yōu)選的是，車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C:0.36%，Si O. 30%, Mn 0. 70%, P :0. 0058%, S :0. 0016%, Cr :1. 09%, Ni :0. 28%, Al :0. 025%, N :0. 0037%,Ca 0. 0021%, Cu :0. 15%, V :0. 067%, Mo :0. 24%，余量為 Fe。優(yōu)選的是，車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C:0.33%，Si O. 40%, Mn 0. 77%, P :0. 0049%, S :0. 0012%, Cr :1. 12%, Ni :0. 25%, Al :0. 021%, N :0. 0039%,Ca 0. 0018%, Cu :0. 14%, V :0. 058%, Mo :0. 30%，余量為 Fe。一種鐵路列車用車軸，由如上所述的任意車軸材料制成。更優(yōu)選的是，按照本發(fā)明的車軸材料用于時速200km以上的高速鐵路客車車軸的制造。優(yōu)選的是，高速鐵路列車，其包含有如上所述的鐵路列車用車軸。如上所涉及的組分含量均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。車軸材料的制備方法采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)方法，在此僅做簡要說明，不予詳述。車軸制造的工藝過程包括電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉一爐外精煉一真空脫氣一鑄錠一鑄淀紅送初乳一鋼淀均熱、乳制一鋼還緩冷一鋼還精整一鍛造一熱處理一取樣檢驗(yàn)。本發(fā)明的車軸合金鋼材料設(shè)計(jì)思路和原理如下
為了兼顧材料的成分和綜合性能的關(guān)系，成分體系選用Cr-Mo合金結(jié)構(gòu)鋼體系，這種成分系可獲得良好的淬透性和強(qiáng)韌性匹配，調(diào)質(zhì)熱處理后的顯微組織以回火馬氏體和貝氏體組織為主。C 0. 24-0. 36%
在該成分體系下，C元素是平衡強(qiáng)度和韌性、獲得細(xì)小彌散析出的碳化物的重要元素。在低C含量條件下(例如小于O. 20%)，可獲得良好的韌性水平和低韌脆轉(zhuǎn)化溫度，但強(qiáng)硬度和疲勞性能偏低，在較高C含量條件下(例如大于O. 40%)，有利于獲得較高的疲勞強(qiáng)度但韌性尤其是低溫韌性儲備顯得不足。因此，對于車軸這種強(qiáng)韌性兼?zhèn)涞牟牧?，?yīng)控制適中的C含量。而分別控制O. 25-0. 30%和O. 33-0. 36%的C含量，在強(qiáng)韌兼?zhèn)涞那闆r下可分別具備良好韌性儲備和抗疲勞強(qiáng)度。Si 0. 25-0. 45%
硅元素是合金結(jié)構(gòu)鋼中的常存元素，主要起固溶強(qiáng)度和提高鋼的淬透性的作用，還能提高屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值。硅含量不是很高時，對鋼的延展性和韌性影響不大，當(dāng)Si含量大于O. 50%時，鋼的韌性顯著惡化。
Mn 0. 50-0. 85%
錳元素也是合金結(jié)構(gòu)鋼中的重要常存元素，主要起降低相變溫度、細(xì)化晶粒尺寸以及強(qiáng)化、提高淬透性等作用，錳同時還是良好的脫氧劑，能固定鋼中硫的形態(tài)，并形成對鋼的性能危害較小的MnS，減少或抑制FeS的生成，提高其性能和潔凈度。但是，錳會使鋼的延展性和韌性略有降低，另外還會使鋼的耐腐蝕性能降低，當(dāng)鋼中存在Cr、Mo等合金元素時，Mn含量一般不超過O. 85%。Mo 0. 2-0. 45%
鑰元素是本發(fā)明車軸材料中的主要控制元素之一，在鋼中Mo元素的含量為O. 20-0. 45%，有利于顯著提高鋼的淬透性，同時使合金鋼的回火脆性危害降低至較低的程度，能有效改善鋼的力學(xué)性能。V 0. 03-0. 08% 釩是強(qiáng)碳化物形成元素，在奧氏體過程中保持固溶，在隨后的冷卻和回火過程中彌散析出，產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化效果。同時VC的析出顆粒對于相界面的移動有較大的阻礙作用，從而獲得較好的晶粒細(xì)化效果。當(dāng)V含量處于O. 03%以下時，絕大部分V處于固溶狀態(tài)，難以發(fā)揮這種析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用。而當(dāng)V含量超過O. 08%時，析出V在淬火加熱過程中無法全部溶解，V的析出強(qiáng)化作用也得不到充分發(fā)揮。Ca 0. 0005-0. 0045%
本發(fā)明材料中進(jìn)行了微Ca處理，以對車軸鋼中的夾雜物進(jìn)行改性。實(shí)驗(yàn)證明，要使微Ca處理效果達(dá)到較為理想的水平，Ca與S比值不應(yīng)小于O. 3，而Ca含量若超過一定含量，其改性效果反而降低。為了達(dá)到良好的夾雜物改性效果，應(yīng)滿足O. 3*S<Ca< I. 25*S+2. 5*0。N 0. 001-0. 01%
氮元素處于游離狀態(tài)時，易引起時效敏感性，降低材料的韌塑性。通過Al元素的加入，形成AlN析出物，一方面阻止晶粒長大、起到細(xì)化晶粒的作用，另一方面固定N含量，消除或減輕鋼的時效敏感性。為了達(dá)到較好的固氮效果，Al和N含量應(yīng)滿足N < O. 5*Α1-0. 001。Ni 0-0. 5%
鎳元素的加入對提高鋼的韌性水平和降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度有利，其能細(xì)化鋼的品粒度，改善鋼的低溫性能的韌性。但Ni屬貴重元素，Ni的大量添加將導(dǎo)致鋼的材料成本顯著上升。Cu 0-0. 4%
銅元素可引起鋼的熱脆，降低鋼的韌性。但微量Cu元素的加入也對提高鋼的淬透性有一定幫助，一般保持Ni元素存在的情況下，Cu元素的加入量不超過O. 40%。氧是鋼的冶煉過程中不可能完全去除的殘余元素，它主要以氧化物形式存在，并且往往形成復(fù)合氧化物或硅酸鹽，這類雜質(zhì)的存在，會使鋼的性能下降，其影響程度與夾雜物的大小、數(shù)量和分布有關(guān)。所以，氧含量越低越好。


圖I為按照本發(fā)明的車軸材料1/2半徑處的顯微組織；
圖2 (a)為實(shí)施例I的夾雜物形貌；
圖2 (b)為圖2 Ca)夾雜物的能譜分析；圖2 (c)為圖2 (a)夾雜物的能譜面掃描；
圖3 Ca)為實(shí)施例3的韌脆轉(zhuǎn)化曲線(沖擊功)；
圖3 (b)為實(shí)施例3的韌脆轉(zhuǎn)化曲線(斷口纖維率)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I : 一種車軸材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)記算，其包括C 0. 30%, Si 0. 37%，Mn O. 85%, P 0. 006%, S 0. 002%, Cr :1. 20%, Ni :0. 45%, Al :0. 005%, N :0. 0025%, Ca :0. 0020%,Cu 0. 035%, V 0. 079%, Mo :0. 20%，余量為 Fe。實(shí)施例2 : —種車軸材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)記算，其包括C 0. 25%，Si :0. 25%，Mn O. 80%, P 0. 005%, S 0. 0023%, Cr :0. 95%, Ni :0. 30%, Al :0. 040%, N :0. 0047%, Ca :0. 0045%, V0. 030%, Mo 0. 45%，余量為 Fe。實(shí)施例3 : —種車軸材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)記算，其包括C 0. 26%，Si :0. 45%，Mn O. 75%, P 0. 0094%, S :0. 0038%, Cr :1. 05%, Ni :0. 50%, Al :0. 032%, N :0. 0052%, Ca :0. 0005%,Cu 0. 25%, V 0. 063%, Mo :0. 28%，余量為 Fe。實(shí)施例4 : 一種車軸材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)記算，其包括C 0. 36%，Si :0. 30%, Mn O. 70%, P 0. 0058%, S 0. 0016%, Cr :1. 09%, Ni :0. 28%, Al :0. 025%, N :0. 0037%, Ca :0. 0021%,Cu 0. 15%, V 0. 067%, Mo :0. 24%，余量為 Fe。實(shí)施例5 : —種車軸材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)記算，其包括C 0. 33%，Si :0. 40%, Mn O. 77%, P 0. 0049%, S :0. 0012%, Cr :1. 12%, Ni :0. 25%, Al :0. 021%, N :0. 0039%, Ca :0. 0018%,Cu 0. 14%, V 0. 058%, Mo :0. 30%，余量為 Fe。上述實(shí)施例材料經(jīng)過冶煉、鍛造和熱處理后，并加工成空心車軸，對車軸內(nèi)外表面等距的1/2處進(jìn)行顯微組織觀察和拉伸和沖擊等力學(xué)性能測試，以及對車軸的外表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測試。顯微組織如圖I所示，為本發(fā)明材料的實(shí)施例1-5得到的車軸1/2半徑處的顯微組織，可以看出，顯微組織由回火馬氏體和下貝氏體+粒狀貝氏體為主組成，顯微組織的截面均勻性較好，沒有出現(xiàn)隨著車軸表面深度的變化，顯微組織狀態(tài)明顯惡化的現(xiàn)象，即使是粒狀貝氏體，其M-A島的分布也較為細(xì)小、彌散和均勻，為發(fā)明材料獲得良好的力學(xué)性能奠定了材料顯微組織基礎(chǔ)。夾雜物觀察對實(shí)施例的夾雜物進(jìn)行觀察。其中，實(shí)施例I的夾雜物觀察，其形貌和能譜分析如圖2 (a)-(c)所示，為Al2O3和CaO的復(fù)合夾雜物。圖2 (a)為夾雜物的形貌，圖2(b)為圖2(a)所示的夾雜物的能譜分析，圖2(c)為圖2(a)所示的夾雜物的能譜面掃描圖，從圖中可以看出，通過本發(fā)明的微量成分組合，夾雜物的形態(tài)有了明顯的改善，原本點(diǎn)狀不變形的Al2O3夾雜物得到了充分的細(xì)化和球化。點(diǎn)狀不變形的Al2O3的氧化物夾雜對鋼的疲勞性能有明顯的不利影響，當(dāng)氧化物細(xì)化和球化后，可顯著改善車軸鋼的韌性水平和疲勞性能。拉伸強(qiáng)度測試對實(shí)施例的車軸材料進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測試，均獲得了較高的拉伸強(qiáng)度。其中實(shí)施例1-5，抗拉強(qiáng)度最大達(dá)到860MPa(實(shí)施例5)，所有抗拉強(qiáng)度均高于750MPa ；屈服強(qiáng)度最大達(dá)到765MPa，所有屈服強(qiáng)度均高于600MPa，比EN13261 :2009的歐洲車軸標(biāo)準(zhǔn)要求的420MPa高出180-290MPa，屈服強(qiáng)度的富裕量非常大。同時拉伸試樣的延伸率和斷面收縮率均達(dá)到較高的水平。按照本發(fā)明得到的車軸材料的拉伸性能測試結(jié)果如下表I所示
權(quán)利要求
1.一種車軸材料，含有C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Fe，其特征在于該車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C 0. 24%-0. 36%, Si :0. 25%-0. 45%, Mn :0. 50%-0. 85%, P (0. 010%, S 0. 004%, Cr :0. 95%-l. 20%, Mo :0. 20%-0. 45%，余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車軸材料，其特征在于Mo的含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0. 20-0. 30%o
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車軸材料，其特征在于C的含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.25-0. 30%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車軸材料，其特征在于C的含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.33-0. 36%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的車軸材料，其特征在于作為Fe的部分替代，車軸材料還包含有Ni、Cu、V、Ca、N、Al，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni ^ 0. 50%, Cu ^ 0. 40%, V 0. 03-0. 08%o
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的車軸材料，其特征在于各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ca:0.0005%-0. 0045%, Al :0. 005%-0. 040%, N :0. 0010%-0. 010% ;同時，所述 Ca 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)符合0. 3*S ^ Ca ^ I. 25*S+2. 5*0且/或N的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)符合N ( 0. 5*A1_0. 001 ;其中氧的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0S 0. 0050%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的車軸材料，其特征在于所述Ni含量為0.15%-0. 45%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的車軸材料，其特征在于所述Cu含量為0.10-0. 35%。
9.一種車軸材料,其特征在于該車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C :0. 30%, Si :0. 37%, Mn :0. 85%, P :0. 006%, S :0. 002%, Cr :1. 20%, Ni :0. 45%, Al :0. 005%, N 0.0025%, Ca :0. 0020%, Cu :0. 035%, V :0. 079%, Mo :0. 20%，余量為 Fe。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、5或6中任一項(xiàng)所述的車軸材料，其特征在于該車軸材料包含的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為C 0. 25%，Si 0. 25%，Mn :0. 80%, P :0. 005%, S :0. 0023%,Cr 0. 95%, Ni :0. 30%, Al :0. 040%, N :0. 0047%, Ca :0. 0045%, V :0. 030%, Mo :0. 45%，余量為Fe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車軸材料，其通過對C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cu、V等元素所占不同比例對材料性能影響的研究，得到一種強(qiáng)韌性匹配和疲勞性能優(yōu)良的合金鋼車軸材料，該材料優(yōu)選應(yīng)用于鐵路客車車軸特別是時速200Km以上的高速鐵路客車車軸的制造，并可服役于高寒地區(qū)。
文檔編號C22C38/46GK102758147SQ201210275838
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者劉淑華, 周惠華, 施惠基, 朱靜, 李建民, 林吉忠, 汝繼來, 潘濤, 王之香, 王玉玲, 穆恩生, 鐘虓龑, 顧家琳 申請人:山西太鋼不銹鋼股份有限公司, 清華大學(xué), 鋼鐵研究總院