一種低合金鑄鋼及其熱處理方法和在鐵路行業(yè)的應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低合金鑄鋼，其各組分及其相對于所述低合金鑄鋼總重的重量百分比如下：碳0.20％～0.30％、硅0.20％～0.40％、錳0.95％～1.05％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、鉻0.45％～0.55％、鎳0.50％～0.60％、鉬0.35％～0.45％、鋁0.02％～0.06％、鈮0.01％～0.05％、銅≤0.20％，且須滿足0.03％≤鋁+鈮≤0.09％；余量為鐵及其他不可避免的元素。經正火處理和調質處理后的所述的低合金鑄鋼的性能為：抗拉強度≥931MPa，屈服強度≥793MPa，伸長率≥14％，斷面收縮率≥30％，?40℃的夏比V型沖擊功≥35J，硬度范圍為288HBW～325HBW。其具有優(yōu)越的可焊性，通?？捎糜阼F路機車車輛零部件的制備，如車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框等，也可用于其他同等機械性能要求的零部件。
【專利說明】
-種低合金鑄鋼及其熱處理方法和在鐵路行業(yè)的應用
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于合金鋼技術領域，設及一種低合金鑄鋼及其熱處理方法，特別是設及 一種適于制備鐵路機車車輛零部件的新型低合金鑄鋼及其熱處理方法。
【背景技術】
[0002] 美國鐵路協(xié)會(AAR)于2005年修訂發(fā)布了M-201-05的標準，W滿足鐵道行業(yè)鑄造 零部件的材質需求，其中提出了 A級、B級、B+級、C級、E級鋼的化學成分范圍和機械性能等要 求。生產廠家通常選擇強度等級為E級的低合金鑄鋼來制造車鉤鉤體、鉤舌等零件。然而在 實際應用過程中，由于我國鐵路工況條件惡劣、重載要求更高，使得車鉤鉤舌早期出現(xiàn)疲勞 破壞，其原因在于其主要受到較大的拉伸應力和沖擊應力，而本身強度和初性還不能完全 滿足工況條件。因此，經研究認為只有通過進一步提高材料的強度等級，提高材料的綜合力 學性能，才能更有利于改善運類鑄件的早期疲勞失效。
[0003] 基于運種認識，人們一直在尋求合適的鑄鋼成分，W滿足A.A.R規(guī)定的化學成分范 圍和碳當量指標，W得到比E級鋼更優(yōu)的機械性能。如CN101880838A專利，提出了一種新型 鑄鋼成分的技術方案，該方案能達到的性能指標是：抗拉強度>910MPa，屈服強度> 760MPa，伸長率>14%，斷面收縮率>30%，-40°C的夏比V型沖擊功>33J。其采用的是高儘 成分體系，通過碳儘來提高強度。其技術方案在應用過程中存在兩個較為明顯的問題:一是 技術方案的實際碳當量范圍在0.80~0.83,然而，國內目前廣泛使用的E級鋼的最大碳當量 《0.81，均值控制在0.70左右。運必然會由于碳當量增加造成鑄件焊修變差;二是技術方案 采用高含量的儘來提高強度和澤透性，但鑄件中儘超過1.2% W上時易造成鑄件的成分偏 析程度加劇，從而影響鑄件性能的一致性。
[0004] 因此，針對鐵路機車車輛零部件性能需求和可焊性需求，本領域中需要一種滿足 現(xiàn)有E級鋼碳當量要求的合金鑄鋼W使其具有較優(yōu)的可焊性，同時，其經過熱處理后應得到 優(yōu)于美國鐵道協(xié)會標準M-201-05的E級鑄鋼機械性能要求。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型的低合金鑄鋼，其經熱處理后，得到優(yōu)于美國鐵 道協(xié)會標準M-201-05的E級鑄鋼機械性能要求，同時具有較強的可焊性。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過W下技術方案來實現(xiàn)的：
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種低合金鑄鋼，其各組分及其相對于所述低合金鑄鋼 總重的重量百分比如下：碳0.20%~0.30%、娃0.20%~0.40 %、儘0.95%~1.05%、憐《 0.020 %、硫《0.020 %、銘0.45 % ~0.55 %、儀0.50 % ~0.60 %、鋼0.35 % ~0.45 %、侶 0.02%~0.06%、妮0.01 %~0.05%、銅《0.20%，且須滿足0.03%《侶+妮《0.09%;余量 為鐵及其他不可避免的元素。
[000引根據(jù)本發(fā)明的第二方面，上述低合金鑄鋼的熱處理方法，其包括先進行正火處理， 然后進行調質處理。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面，上述低合金鑄鋼用于制備鐵路機車車輛鑄造零部件的用 途。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種鐵路機車車輛鑄造零部件，其采用上述低合金鑄鋼 制備。
[0011] 本發(fā)明的低合金鑄鋼，碳當量可控制在0.62 %~0.79 %，進一步優(yōu)化為0.65 %~ 0.71%。
[0012] 本發(fā)明的低合金鑄鋼采用多元少量添加的思路，主要添加的強化元素為碳、娃、 儘、銘、儀、鋼，并選擇其合適的配比，可W提高低合金鑄鋼的硬度和初性，并使得所獲得的 鑄鋼件在熱處理后的組織基本上為回火索氏體。復合添加合金元素侶和妮，并選擇其合適 的配比，則能有效地抑制鑄造過程中奧氏體晶粒長大，細化晶粒，同時強化基體和提高鑄鋼 件的澤透性，本發(fā)明低合金鑄鋼的晶粒度在8級左右。合金元素侶的另外作用可用于脫氧。
[0013] 本發(fā)明的低合金鑄鋼經過熱處理工藝W后，其機械性能指標如下：抗拉強度> 931MPa，屈服強度>793MPa，伸長率>14%，斷面收縮率>30%，-40°C的夏比V型沖擊功> 35J，硬度范圍為288HBW~325HBW。進一步優(yōu)化，伸長率可提高到> 15%。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，在獲得比E級鋼更高的強度的前提下，保持碳當量不增 加，還提高了沖擊初性。
[0015] 本發(fā)明的低合金鑄鋼通常可用于鐵路機車車輛零部件的制備，如車鉤鉤體、鉤舌、 鉤尾框等，也可用于其他同等機械性能要求的零部件。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的低合金鑄鋼經正火處理和調質處理后的金相組織放大100倍的圖 片。
[0017] 圖2為本發(fā)明的低合金鑄鋼經正火處理和調質處理后的金相組織放大500倍的圖 片。
【具體實施方式】
[0018] 本申請?zhí)峁￤下技術方案：
[0019] 技術方案1. 一種低合金鑄鋼，其特征在于，各組分及其相對于所述低合金鑄鋼總 重的重量百分比如下：碳0.20 %~0.30 %、娃0.20 %~0.40 %、儘0.95 %~1.05 %、憐《 0.020 %、硫《0.020 %、銘0.45 % ~0.55 %、儀0.50 % ~0.60 %、鋼0.35 % ~0.45 %、侶 0.02%~0.06%、妮0.01 %~0.05%、銅《0.20%，且須滿足0.03%《侶+妮《0.09%;余量 為鐵及其他不可避免的元素。
[0020] 技術方案2.根據(jù)技術方案1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄 鋼總重，碳的重量百分比為0.23%~0.29% ,0.24%~0.28%，或者0.25%~0.27%，或者 0.24%~0.26%。
[0021 ]技術方案3 .根據(jù)技術方案1或2所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合 金鑄鋼總重，娃的重量百分比為0.21 %~0.39%，或者0.22%~0.38 %，或者0.24%~ 0.35%，或者 0.25 % ~0.32 %，或者 0.26 % ~0.31 %，或者 0.23 %，或者 0.27 %，或者 0.28%，或者 0.29%，或者 0.30%，或者 0.36%，或者 0.37%。
[0022] 技術方案4.根據(jù)技術方案1-3中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，儘的重量百分比為0.96%~1.04%，或者0.96 %~1.02%，或者0.98% ~1.01%，或者 0.97%，或者 0.99%，或者 1.00%。
[0023] 技術方案5.根據(jù)技術方案1-4中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，憐的重量百分比《0.018%，或者《0.016%，或者《0.014%，或者《 0.012%，或者《0.010%。
[0024] 技術方案6.根據(jù)技術方案1-5中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，硫的重量百分比《0.017%，或者《0.014%，或者《0.012%，或者《 0.010%。
[0025] 技術方案7.根據(jù)技術方案1-6中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，銘的重量百分比為0.46%~0.54%，或者0.47%~0.51%，或者0.48% ~0.50%。
[0026] 技術方案8.根據(jù)技術方案1-7中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，儀的重量百分比為0.52%~0.59 %，或者0.53 %~0.57 %，或者0.54% ~0.58%，或者 0.55% ~0.56%。
[0027] 技術方案9.根據(jù)技術方案1-8中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所 述低合金鑄鋼總重，鋼的重量百分比為0.36%~0.44%，或者0.37%~0.43%，或者0.37% ~0.42%，或者 0.39% ~0.41 %。
[0028] 技術方案10.根據(jù)技術方案1-9中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于 所述低合金鑄鋼總重，侶的重量百分比為0.03%~0.05%，或者0.03%~0.04%。
[0029] 技術方案11.根據(jù)技術方案1-10中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于 所述低合金鑄鋼總重，妮的重量百分比為0.02%~0.04%，或者0.02%~0.03%。
[0030] 技術方案12.根據(jù)技術方案1-11中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于 所述低合金鑄鋼總重，銅的重量百分比《0.18%，或者《0.15%，或者《0.12%，或者《 0.10%，或者《0.08%。
[0031] 技術方案13.根據(jù)技術方案1-11中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于，碳當量 CE在0.62%~0.79%之間，或者在0.65%~0.71 %之間，或者在0.66%~0.71 %之間，或者 在0.67%~0.68%之間，所述碳當量按照W下公式計算:CE = C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15。
[0032] 技術方案14.根據(jù)技術方案1-13中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于其未經 過正火處理和調質處理。
[0033] 技術方案15.根據(jù)技術方案1-13中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于其已經 過正火處理和調質處理。
[0034] 技術方案16.根據(jù)技術方案1-14中任一項所述的低合金鑄鋼的熱處理方法，其特 征在于，其包括先進行正火處理，然后進行調質處理。
[0035] 技術方案17.根據(jù)技術方案16所述的熱處理方法，其特征在于，所述正火處理包括 將所述低合金鑄鋼加熱到920°C~940°C，優(yōu)選925~935 °C，保溫2~5小時，優(yōu)選3~4小時， 然后出爐空冷到室溫。
[0036] 技術方案18.根據(jù)技術方案16所述的熱處理方法，其特征在于，所述調質處理中的 澤火處理包括將所述低合金鑄鋼加熱到900°C~920°C，優(yōu)選910°C，保溫2~5小時，優(yōu)選3~ 4小時，然后出爐在水中冷卻，水的溫度為20°C~40°C。
[0037] 技術方案19.根據(jù)技術方案16所述的熱處理方法，其特征在于，所述調質處理中的 回火包括將澤火的低合金鑄鋼加熱到590°(：~610°(：，優(yōu)選600°(：，保溫3~5小時，優(yōu)選3.5~ 4小時，然后出爐空冷到室溫。
[0038] 技術方案20.根據(jù)技術方案1-15中任一項所述的低合金鑄鋼用于制備鐵路機車車 輛鑄造零部件的用途。
[0039] 技術方案21.根據(jù)技術方案20所述的用途，其特征在于，所述零部件為車鉤鉤體、 鉤舌、鉤尾框或具有同等機械性能要求的其他零部件。
[0040] 技術方案22. -種鐵路機車車輛鑄造零部件，其特征在于，其采用根據(jù)技術方案1- 15中任一項所述的低合金鑄鋼制備。
[0041] 技術方案23.根據(jù)技術方案22所述的鐵路機車車輛鑄造零部件，其特征在于，其為 車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框或具有同等機械性能要求的其他零部件。
[0042] 本申請中所述的不可避免的雜質是指冶煉過程中，在廢鋼、礦石中無法完全冶煉 去除的雜質，比如：43、511、？13、513、81等微量元素，運些元素的含量通常需要控制為43《 0.01%，Sn《0.01%，Pb《0.01%，Sb《0.01%，81《0.01%，如果運些元素過高，則會對產 品中的初性性能產生一定的不利影響。
[0043] 冶煉過程可W使用本領域中常用的加熱設備例如工頻、中頻爐或電弧爐采用常規(guī) 冶煉工藝進行，主要目的是為了得到所需的組分和配比，和盡量減少鋼中的其他有害元素， 減少雜質?？筛鶕?jù)最終產品進行合適的熱加工成形(例如鑄造等，采用常規(guī)方法進行）。在熱 加工成形后的熱處理包括正火處理和調質處理。本發(fā)明的低合金鑄鋼既包括未經過正火處 理和調質處理的低合金鑄鋼，也包括已經過正火處理和調質處理的低合金鑄鋼，經鑄造成 型后，需經過熱處理后使用。本發(fā)明已經過正火處理和調質處理的低合金鑄鋼機械性能指 標如下：抗拉強度>931MPa，屈服強度>793MPa，伸長率>14%，斷面收縮率>30%，-40°C 的夏比V型沖擊功>35J，硬度范圍為288HBW~325HBW。
[0044] 現(xiàn)在參考W下具體實施例中對本發(fā)明進行詳細說明。然而，本領域技術人員不難 理解，此處的實施例僅僅用于示例目的，本發(fā)明的范圍并不局限于此。
[0045] 本發(fā)明中，機械性能的測定依據(jù)的是A.A.財示準美國鐵道協(xié)會標準M-201-05的相 關規(guī)定，所用試樣為基爾試塊，其中碳當量的計算：CE = C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+ 化)/15。澤透性測定依據(jù)ASTM標準A255的要求，其中J13的硬度表示距離水澤端面13mm處的 硬度。
[0046] W下實施例中，組分含量均W其重量百分含量計。
[0047] 實施例1
[0048] 通過常規(guī)的中頻爐或電弧爐進行冶煉，得到一種低合金鑄鋼，其各組分及其相對 于所述低合金鑄鋼總重的重量百分比如下:碳0.25 %、娃0.31 %、儘0.98 %、憐0.015 %、硫 0.012%、銘0.47%、儀0.55%、鋼0.40%、銅0.07%、侶0.03%、妮0.03%，侶+妮為0.06%， 余量為及其他不可避免的元素。碳當量為0.68。
[0049] 在所述的低合金鑄鋼經常規(guī)方法鑄造成型后(最好對所用鑄造過程W及所用參數(shù) 進行描述），進行熱處理。熱處理包括先進行正火處理，然后進行調質處理，正火工藝為將低 合金鑄鋼加熱到940°C保溫4小時，然后出爐進行空冷。調質工藝為將低合金鑄鋼加熱到910 °(：保溫3小時，出爐進行水冷澤火，水溫25°(：;隨后將澤火過的鑄鋼件加熱到600°(：保溫3.5 小時，再出爐在空氣中冷卻到室溫。
[0050] 所述的低合金鑄鋼經過上述正火和調質處理W后，所獲得的金相組織基本上為回 火索氏體，其金相組織照片如圖1和圖2所示。由圖1和2可W看到典型的回火索氏體金相形 貌。
[0051] 對所述低合金鑄鋼的機械性能進行測試，結果為：抗拉強度996M化，屈服強度 879MPa，伸長率17.5%，斷面收縮率51%，-40°C的夏比V型沖擊功（平均值）56J，硬度 298HBWdJ13 處的硬度為 38HRC。
[0052] 實施例2~15
[0053] 與實施例1中所述制備和處理過程基本相同，制備低合金鑄鋼，具體組分及含量和 碳當量見表1，其中含量為相對于所述低合金鑄鋼總重的重量百分比（％重量）。相對應的機 械性能和J13處的硬度如下表2所示：
[0054] 表1實施例2-15的低合金鑄鋼的組分及含量和碳當量
[0化5]
[0056]表2實施例2-15的低合金鑄鋼的機械性能和J13處的硬度數(shù)據(jù)
[0化7]
[0化引
[0059] 從W上數(shù)據(jù)可W看出，本發(fā)明的本發(fā)明的低合金鑄鋼經過本發(fā)明所述的熱處理W 后，其機械性能指標如下:抗拉強度>931MPa，屈服強度>793MPa，伸長率>14%，斷面收縮 率>30%，-40°C的夏比V型沖擊功>35J，硬度范圍為288皿W~32甜B(yǎng)W，其性能要優(yōu)于美國 鐵道協(xié)會標準M-201-05的E級鑄鋼機械性能要求，同時具有較強的可焊性。
[0060] 雖然已經展示和討論了本發(fā)明的一些方面，但是本領域的技術人員應該意識到， 可W在不背離本發(fā)明原理和精神的條件下對上述方面進行改變，因此本發(fā)明的范圍將由權 利要求W及等同的內容所限定。
【主權項】
1. 一種低合金鑄鋼，其特征在于，各組分及其相對于所述低合金鑄鋼總重的重量百分 比如下：碳0.20 % ~0.30 %、硅0.20 % ~0.40 %、錳0.95 % ~1.05 %、磷彡 0.020 %、硫彡 0.020%、鉻0.45% ~0.55%、鎳 0.50% ~0.60%、鉬0.35% ~0.45%、鋁0.02% ~0.06%、 鈮0.01 %~0.05 %、銅<0.20 %，且須滿足0.03 % <鋁+鈮<0.09 % ;余量為鐵及其他不可 避免的元素。2. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，碳的 重量百分比為0.24%~0.28%。3. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，硅的 重量百分比為0.24%~0.35%。4. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，錳的 重量百分比為0.96%~1.02%。5. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，鉻的 重量百分比為0.47%~0.51 %。6. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，鎳的 重量百分比為0.53%~0.57%。7. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，鉬的 重量百分比為0.37%~0.42%。8. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，相對于所述低合金鑄鋼總重，銅的 重量百分比<〇. 12%。9. 根據(jù)權利要求1所述的低合金鑄鋼，其特征在于，碳當量CE在0.62%~0.79 %之間， 所述碳當量按照以下公式計算:CE = C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。10. 根據(jù)權利要求9所述的低合金鑄鋼，其特征在于，碳當量CE為0.65 %~0.71 %之間。11. 根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于其未經過正火處理和 調質處理。12. 根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的低合金鑄鋼，其特征在于其已經過正火處理和 調質處理。13. 根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的低合金鑄鋼的熱處理方法，其特征在于，其包括 先進行正火處理，然后進行調質處理。14. 根據(jù)權利要求13所述的熱處理方法，其特征在于，所述正火處理包括將所述低合金 鑄鋼加熱到920°C~940 °C保溫2~5小時，然后出爐空冷到室溫。15. 根據(jù)權利要求13所述的熱處理方法，其特征在于，所述調質處理中的淬火處理包括 將所述低合金鑄鋼加熱到900°C~920°C保溫2~5小時，然后出爐在水中冷卻，水的溫度為 20°C~40°C。16. 根據(jù)權利要求13所述的熱處理方法，其特征在于，所述調質處理中的回火處理包括 將淬火的低合金鑄鋼加熱到590°C~610°C保溫3~5小時，然后出爐空冷到室溫。17. -種鐵路機車車輛鑄造零部件，其特征在于，其采用根據(jù)權利要求1-12中任一項所 述的低合金鑄鋼制備。18. 根據(jù)權利要求17所述的鐵路機車車輛鑄造零部件，其特征在于，其為車鉤鉤體、鉤 舌、鉤尾框或具有同等機械性能要求的其他零部件。
【文檔編號】C22C38/12GK106011668SQ201610515278
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】文超, 張俊新
【申請人】中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司