本發(fā)明屬于機(jī)車車輛用鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼及其熱處理方法。

背景技術(shù)：

鉤舌和鉤舌銷、鎖提銷、鉤舌推鐵和鉤鎖鐵等構(gòu)成了鉤頭。鉤頭是車鉤的重要部分之一。車鉤與鉤尾框均是構(gòu)成車輛緩沖裝置的重要構(gòu)件。車鉤的作用是用來實現(xiàn)機(jī)車和車輛或車輛和車輛之間的連掛和傳遞牽引力及沖擊力，并使車輛之間保持一定的距離。車鉤在車輛牽引、連掛和發(fā)生緩沖作用時，直接完成車輛間縱向力的傳遞。鉤舌作為貨運(yùn)列車的關(guān)鍵連接部件之一，長期承受牽引力和沖擊力的交變作用，鉤舌存在抗疲勞穩(wěn)定性差和易發(fā)生早期疲勞失效等問題，給鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行安全帶來極大的隱患。

目前鐵路行業(yè)大都采用傳統(tǒng)的鑄造車鉤，由于氣孔、砂眼、裂紋等鑄造缺陷的存在導(dǎo)致其裂紋萌生，縮短了使用壽命，已經(jīng)不能滿足高速、重載鐵路應(yīng)用的需要。鍛造鉤舌因缺陷少、性能優(yōu)良，使用壽命明顯增大，已在鐵路行業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T456-2008《機(jī)車車輛用車鉤、鉤尾框》中列出了一種機(jī)車車輛鉤舌用鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。

表1 TB/T456-2008中鉤舌的化學(xué)成分和力學(xué)性能

隨著列車牽引噸位的增加和運(yùn)行速度的提高，車輛在運(yùn)行中由縱向沖擊及交變載荷引起的振動顯著增大，車輛配件磨損嚴(yán)重，特別是鉤舌的斷裂故障呈上升趨勢，給鐵路運(yùn)輸安全帶來了嚴(yán)重隱患。重載鉤舌使用壽命一般要求4-5年，目前國內(nèi)重載鉤舌平均使用壽命在半年-1年之間，失效方式主要為鉤舌S面上的摩擦、磨損疲勞失效。隨著我國鐵路交通運(yùn)輸朝著高速化、重載化的方向發(fā)展，以及未來我國大軸重貨車的運(yùn)用，運(yùn)行速度和載重負(fù)荷的提高將導(dǎo)致鉤舌的服役條件更加苛刻，因此，需要進(jìn)一步提高鍛造鉤舌的力學(xué)性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼，調(diào)整鋼的元素含量，在顯著提高鉤舌強(qiáng)度的同時，其韌性指標(biāo)和塑性指標(biāo)同時得到一定程度的改善，從而顯著提高鉤舌的服役性能。

本發(fā)明還提供了一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼的熱處理方法，根據(jù)元素含量調(diào)整淬火溫度和回火溫度，采用高的回火溫度并在回火后采用水冷方式，以避免鋼的高溫回火脆性，以保證鋼的塑性和韌性。

本發(fā)明提供的一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼，含有以下重量百分比的元素：

C 0.25-0.35％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.50-0.80％、P≤0.010％、S≤0.010％、Cr 0.80-1.50％、Ni 0.50-1.50％、Mo 0.40-0.60％、Al 0.010-0.050％、Cu 0.30-0.50％、N 60-120ppm、Al/N 2.00-3.75，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。

優(yōu)選的，一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼，含有以下重量百分比的元素：

C 0.27％、Si 0.30％、Mn 0.80％、P 0.009％、S 0.002％、Cr 1.1％、Ni 0.9％、Mo 0.45％、Al 0.018％、Cu 0.30％、N 80ppm、Al/N 2.25，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。

優(yōu)選的，一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼，含有以下重量百分比的元素：

C 0.30％、Si 0.28％、Mn 0.75％、P 0.009％、S 0.002％、Cr 1.05％、Ni 1.00％、Mo 0.50％、Al 0.027％、Cu 0.40％、N 90ppm、Al/N 3.00，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。

優(yōu)選的，一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼，含有以下重量百分比的元素：

C 0.34％、Si 0.27％、Mn 0.70％、P 0.008％、S 0.001％、Cr 1.00％、Ni 1.0％、Mo 0.55％、Al 0.035％、Cu 0.50％、N 100ppm、Al/N 3.5，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。

本發(fā)明提供的一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

正火溫度920～950℃，淬火溫度890-930℃，回火溫度600-680℃回火，回火后水冷。

優(yōu)選的，正火保溫時間3～5h，然后空冷；

優(yōu)選的，淬火保溫時間1～3h，然后水冷；

優(yōu)選的，回火時間2～4h，然后水冷。

通過高溫正火，獲得成分均勻組織，提高鋼最終組織的均勻性，降低高溫回火脆性溫度區(qū)間；在保證淬透性的前提下，通過適當(dāng)?shù)偷拇慊饻囟?，保證鋼的奧氏體晶粒度8.0～8.5級；通過適當(dāng)高的回火溫度并回火后水冷，一方面，使鋼獲得95％以上的回火索氏體組織，另一方面極大降低鋼在高溫回火脆性區(qū)停留時間，避免高溫回火脆性的出現(xiàn)。

本發(fā)明中各元素及其質(zhì)量百分比的作用為：

C：C元素是獲得高的強(qiáng)度、硬度所必需的。高的C含量雖然對鋼的強(qiáng)度、硬度等有利，但對鋼的塑性和韌性極為不利，且使屈強(qiáng)比降低、脫碳敏感性增大，惡化鋼的抗疲勞性能和加工性能。因此適當(dāng)降低鋼中的C含量，將其控制在0.35％以下。然而，淬火和高溫回火后為了獲得所需的高強(qiáng)度，C含量須在0.25％以上，因而C含量宜控制為0.25～0.35％。

Si：Si是鋼中主要的脫氧元素，具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但Si含量過高將使鋼的塑性和韌性下降，C的活性增加，促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向，并且使冶煉困難和易形成夾雜物，惡化鋼的抗疲勞性能。因此控制Si含量為0.20～0.40％。

Mn：Mn是脫氧和脫硫的有效元素，還可以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，含量小于0.50％時，難以起到上述作用。但淬火鋼回火時，Mn和P有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向，促進(jìn)回火脆性，惡化鋼的韌性，因而控制Mn含量在0.50％～0.80％。

Cr：Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強(qiáng)度，改善鋼的耐摩擦磨損性能；同時Cr還可降低C的活度，可降低加熱、軋制和熱處理過程中的鋼材表面脫碳傾向，有利用獲得高的抗疲勞性能。但含量過高會惡化鋼的韌性，因而控制Cr含量為0.80～1.50％。

Ni：Ni可提高鋼的淬透性、耐蝕性和保證鋼在低溫下的韌性，控制Ni含量為0.50～1.50％。

Mo：Mo在鋼中的作用主要為提高淬透性、提高回火抗力及防止回火脆性。此外，本發(fā)明中Mo元素與Cr元素的合理配合可使淬透性和回火抗力得到明顯提高，Mo含量過低則上述作用有限，Mo含量過高，則上述作用飽和，且提高鋼的成本。因此，控制Mo含量為0.40～0.60％。

P：在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體后溫度加熱時偏聚到晶界，使鋼的脆性顯著增大，從而使鋼的高溫回火脆性傾向增加。因此，P含量應(yīng)控制在0.010％以下。

S：不可避免的不純物，形成MnS夾雜物和在晶界偏析會惡化鋼的韌性，從而降低鋼的韌塑性。因此，S含量應(yīng)控制在0.010％以下。

Cu：通過析出ε-Cu實現(xiàn)析出強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度，此外，加入適量的Cu元素，還能夠增加鋼的耐大氣腐蝕性能，因此，Cu含量應(yīng)控制在0.10-0.50％。

Al/N：Al是鋼中主要的脫氧元素，與鋼中N元素形成AlN析出相具有抑制晶粒長大的效果，并且需要保證足夠量的AlN析出才能獲得抑制晶粒長大的效果，過高的N含量易導(dǎo)致鋼的塑性降低，因此，Al含量應(yīng)控制在0.10-0.50％，N含量應(yīng)控制在60-120ppm，Al/N應(yīng)控制在2.00-3.75。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在傳統(tǒng)鉤舌用鋼成分的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高C、Cr、Ni、Mo含量，來提高鍛造鉤舌用鋼的淬透性和高溫回火抗力，從而保證高溫回火條件下鋼的強(qiáng)度，適當(dāng)降低Mn含量來改善鋼的塑韌性，并通過適當(dāng)添加Mo含量來降低鋼的高溫回火脆性傾向，以保證鋼的塑韌性，通過提高Ni含量來改善鋼的低溫沖擊韌性；適當(dāng)添加Al和N元素，來保證鋼的奧氏體晶粒度，改善鋼的塑性和韌性；加入適量的Cu元素，增加鋼的耐大氣腐蝕性能，并通過析出ε-Cu實現(xiàn)析出強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度；熱處理過程中，采用高的回火溫度并在回火后采用水冷方式，以避免鋼的高溫回火脆性，以保證鋼的塑性和韌性。制備的鋼抗拉強(qiáng)度≥1000MPa，屈服強(qiáng)度≥900MPa，斷后伸長率≥24％，-40℃沖擊功(KV2)≥50J。本發(fā)明制備的鋼種和普通鍛造鉤舌用鋼相比，在顯著提高鉤尾框強(qiáng)度的同時，其韌性指標(biāo)和塑性指標(biāo)同時得到一定程度的改善，從而顯著提高鉤尾框的服役性能。

附圖說明

圖1為實施例1制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊試樣回火脆性區(qū)檢驗(白亮區(qū)為回火脆性區(qū))；

圖2為實施例2制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊試樣回火脆性區(qū)檢驗(白亮區(qū)為回火脆性區(qū))；

圖3為實施例3制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊試樣回火脆性區(qū)檢驗(白亮區(qū)為回火脆性區(qū))；

圖4為傳統(tǒng)鋼鋼沖擊試樣回火脆性區(qū)檢驗(白亮區(qū)為回火脆性區(qū))；

圖5為實施例1制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊斷口形貌；

圖6為實施例2制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊斷口形貌；

圖7為實施例3制備的高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼沖擊斷口形貌；

圖8為實施例1傳統(tǒng)鋼沖擊斷口形貌。

具體實施方式

結(jié)合附圖及實施例1-3對本發(fā)明做詳細(xì)的說明。

實施例1-3中的高強(qiáng)韌性鉤舌用鋼的化學(xué)成分重量百分比如表1所示，實施例1-3均采用電爐冶煉，經(jīng)LF精煉+RH真空脫氣后直接連鑄成的圓坯，經(jīng)加熱軋制成圓鋼，在圓鋼1/2半徑位置取Φ40圓棒，經(jīng)表2熱處理、精加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸和沖擊試樣后進(jìn)行力學(xué)性能分析。

表1實施例1-3及傳統(tǒng)鍛造鉤尾框用鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分含量

一種高強(qiáng)度高韌性鍛造鉤舌用鋼的熱處理方法，具體熱處理如下表2所示：

表2實施例1-3及傳統(tǒng)鍛造鉤尾框用鋼熱處理工藝和機(jī)械性能

如圖1-8所示，本實施例沖擊斷裂均為韌性斷裂，無沿晶斷裂形貌，整個截面不存在回火脆性區(qū)。本實施例機(jī)械性能如表2中實施例1-3和傳統(tǒng)鋼所示，可見，本發(fā)明鋼強(qiáng)韌性能指標(biāo)較傳統(tǒng)鉤尾框性能明顯提高。