專利名稱：一種細(xì)化車輪鋼組織的氧化物冶金方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速車輪鋼組織的細(xì)化，特別涉及采用氧化物冶金技術(shù)手段細(xì)化車輪鋼組織，改善其綜合性能，屬于新材料冶金技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著鐵路運(yùn)輸向著高速、重載方向的迅速發(fā)展，對車輪和輪箍的質(zhì)量與性能提出了更高的要求。以客運(yùn)專線運(yùn)營200-250 km/h時(shí)速、貨車軸重由21 T提高到25T為標(biāo)志， 我國鐵路對車輪的質(zhì)量與性能提出了更高的要求。需要優(yōu)良的冶金質(zhì)量確保安全性，以高的強(qiáng)度來適應(yīng)大載重量，以高韌性來保證車輪運(yùn)行的可靠性，以高的耐磨性來延長其使用壽命。采用氧化物冶金這一低成本的方法來改善鑄坯和產(chǎn)品組織的均勻性和致密性，消除大顆粒夾雜和元素偏析，從而降低氫致開裂敏感性，提高車輪綜合性能。氧化物冶金技術(shù)核心是通過在鋼中形成彌散分布的第二相(氧化物、硫化物及金屬碳氮化物等)來細(xì)化晶粒尺寸而提高綜合機(jī)械性能。JP 2001-288509文獻(xiàn)中，將鋼水中的氧控制在2(T80ppm后，依次添加Ti、Al和Ca 進(jìn)行脫氧，這是按照脫氧能力從弱到強(qiáng)的順序添加的，可以細(xì)化并增加氧化物含量。這種方法既可以減少鋼水中氧的過飽和度，還可以反復(fù)進(jìn)行脫氧反應(yīng)，起到了抑制氧化物過度生長和粗化的作用。但是，在專利文獻(xiàn)中，夾雜物的成分由反復(fù)添加的脫氧元素決定，而且氧化物彌散量由初期溶解于鋼水中的氧決定，而且也不能促進(jìn)氧化物的細(xì)化和彌散。并且這種方法只是應(yīng)用于低碳鋼，未提及中碳鋼。專利JP 8-246026中，在添加脫氧劑后，向鎮(zhèn)靜狀態(tài)的鋼水中吹氧來控制鋼中夾雜物的形態(tài)。專利JP10-193046中，提到了氧氣的供給方法(用固體氧離子導(dǎo)體，通過施加電壓，將氧氣加到鋼水中)、細(xì)小氧化物生成和彌散方法以及向鋼水中吹入氧化性氣體，使細(xì)小氧化物彌散的方法。這些方法都是在低氧狀態(tài)下供氧的，在脫氧反應(yīng)中飽和度不高，可以抑制粗大脫氧生成物的生成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)鑄坯組織晶粒細(xì)化，在隨后的軋制和熱處理過程中使合金元素作為第二相析出，阻止奧氏體晶粒長大，使車輪鋼彌散強(qiáng)化，從而達(dá)到提高力學(xué)性能的目的。氧化物冶金技術(shù)中，氧化物(包括由氧化反應(yīng)生成的碳氮化物等第二相)的種類和大小以及分布是其關(guān)鍵因素。彌散分布的氧化物質(zhì)點(diǎn)有利于細(xì)化鋼組織，強(qiáng)化鋼性能。車輪鋼煉鋼生產(chǎn)工藝為轉(zhuǎn)爐煉鋼一爐外精煉一VD除氣一連鑄澆鑄，氧化物的最終產(chǎn)物不僅與鋼液中C、N和0等含量有關(guān)，而且與脫氧元素、合金元素及添加順序有關(guān)。對于合金元素， Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，能提高A" Ac3的臨界點(diǎn)，同時(shí)可使鋼具有適度的淬透性，加入Cr 可以減少碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，從而細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，減小珠光體片間距，使車輪鋼強(qiáng)度、硬度、耐磨性升高，但會降低鋼的塑性。Al和Ti在鋼中形成A1N、鈦化物等析出物釘扎晶界，使奧氏體細(xì)化。一種細(xì)化車輪鋼組織的氧化物冶金方法，澆注前鋼中元素含量為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， 其余為Fe ；在VD除氣后、連鑄澆鑄前加入的Ti首先在1650-1550°C澆鑄過程中形成氮化鈦第二相，促進(jìn)結(jié)晶，細(xì)化初晶尺寸，同時(shí)阻止N與添加Ti以后再加入的Al在較高溫度下反應(yīng)生產(chǎn)大尺寸夾雜物，在連鑄后鋼坯在1180-1250°C控制軋制時(shí)，Al與N通過擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)生納米級AlN析出，阻止軋制過程中奧氏體晶粒的粗化；隨后在810-890°C熱處理，使納米級 CrC析出，進(jìn)一步強(qiáng)化車輪鋼。即彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化相結(jié)合，提高車輪鋼的綜合性能。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明特點(diǎn)在于，通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質(zhì)點(diǎn)，使氮化物顆粒作為促進(jìn)形核的質(zhì)點(diǎn)，在不改變先后車輪生產(chǎn)工藝的情況下改善鑄坯和產(chǎn)品組織的均勻性和致密性。使車輪鋼強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度> 850 MPa)和韌性 (常溫沖擊韌性彡15J，斷裂韌性彡85 MPa*ml/2)匹配良好，獲得優(yōu)異的綜合性能；由于添加合金后臨界點(diǎn)Acl和Ms較高，還具有良好的抗熱損傷、抗機(jī)械疲勞損傷能力；對氮化物彌散強(qiáng)化和合金元素固溶強(qiáng)化配合，一方面，合金元素少而廉價(jià)，加入量容易控制，同時(shí)鋼中氮化物在鋼中不影響鋼的性能，不增加生產(chǎn)成本。


圖1為實(shí)施例1的金相2為實(shí)施例2的金相圖
圖3為實(shí)施例3的金相圖
圖4為實(shí)施例4的金相圖
圖5為實(shí)施例1、2、3、4鋼的有效晶粒度級別圖
圖6為實(shí)施例2中納米級AlN析出的透射電鏡(TEM)圖像
表1為實(shí)施例1、2、3、4鋼的化學(xué)成分
表2為實(shí)施例1、2、3、4鋼的性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 采用通用的冶煉設(shè)備，按表1標(biāo)號1的組分及含量，采用通常的冶煉工藝進(jìn)行冶煉，連鑄成圓坯；然后將圓坯模切塊、加熱、鍛壓、軋制、熱處理。其金相如圖，性能檢測見表2。實(shí)施例2 分別按照表1標(biāo)號2的組分及含量重復(fù)實(shí)施例1的方法，對其進(jìn)行加工處理，性能檢測見表2。實(shí)施例3 分別按照表1標(biāo)號3的組分及含量重復(fù)實(shí)施例1的方法，對其進(jìn)行加工處理，性能檢測見表2。實(shí)施例4 分別按照表1標(biāo)號4的組分及含量重復(fù)實(shí)施例1的方法，對其進(jìn)行加工處理，性能檢測見表2。實(shí)施例1、2、3、4試樣的金相微觀組織如圖1至圖4。對比實(shí)施例1、2、3、4試樣的金相圖1、圖2、圖3及圖4，提高脫氧元素Al以及合金元素Cr和Ti的含量，有利于車輪鋼組織細(xì)化。按照GB/T6394-2002采用三圓截點(diǎn)法對實(shí)施例1、2、3、4試樣的晶粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 不同實(shí)施例的車輪鋼的晶粒度級別如圖5所示?？梢姡瑢ls提高到0. 032wt%, Ti提高到 0. 025 wt%，Cr提高到0. 035wt%,車輪鋼組織明顯細(xì)化。按照GB/T4161-2007、GB7314-1987、GB/T231. 1-2002 和 GB/T 229-1994 進(jìn)行測試獲得的斷裂韌性、常溫抗拉強(qiáng)度、布氏硬度和常溫沖擊功如表2所示。由表可見，與實(shí)施例 1相比，實(shí)施例2、3、4試樣強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度> 850 MPa)和韌性(常溫沖擊韌性> 15J，斷裂韌性彡85 MPa-m172)明顯提高，并且匹配良好。
綜上所述，本發(fā)明可以使車輪鋼的晶粒細(xì)化和組織均勻化，并且明顯提高車輪鋼的綜合性能。表 1
編號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
編號抗拉強(qiáng)度/lffa常溫沖擊Akv/J布氏硬度HB斷裂韌性/ΜΡει·ιη1/21#82112239. 870. 82#85115236. 385. 83#86518267. 790. 74#88520272. 095. 權(quán)利要求
1. 一種細(xì)化車輪鋼組織的氧化物冶金方法，其特征在于，鋼中基本元素含量為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%, 0 彡 25ppm, N ^ 45ppm,其余為！^ ；實(shí)施方法為VD從除氣后、連鑄澆鑄前首先將鋼中Ti提高到 0. 025 0. 030 wt% ；攪拌后再通過添加合金元素將酸溶鋁Als提高到0. 03(H). 055wt%、合金元素Cr提高到0. 03(T0. 040wt% ；加入的Ti首先在1650_1550°C澆鑄過程中形成氮化鈦第二相，促進(jìn)結(jié)晶，細(xì)化初晶尺寸，同時(shí)阻止N與Al的進(jìn)一步反應(yīng)生產(chǎn)大尺寸夾雜物；在 1180-1250°C控制軋制，可使Al與N進(jìn)一步反應(yīng)生產(chǎn)納米級AlN析出，阻止軋制過程中奧氏體晶粒的粗化；隨后在810-890°C熱處理，使納米級CrC析出，進(jìn)一步強(qiáng)化車輪鋼；即彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化相結(jié)合，提高車輪鋼的綜合性能。
全文摘要
一種細(xì)化車輪鋼組織的方法，特別涉及采用氧化物冶金技術(shù)手段細(xì)化車輪鋼組織，改善其綜合性能，屬于新材料冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質(zhì)點(diǎn)，使氧化物顆粒作為促進(jìn)形核的質(zhì)點(diǎn)，改善鑄坯和產(chǎn)品組織的均勻性和致密性，細(xì)化其組織，進(jìn)而獲得優(yōu)異的綜合性能。在O、N含量分別控制25ppm和45ppm以下的基礎(chǔ)上，提出將Ti提高到0.025~0.030wt%，酸溶鋁Als提高到0.030~0.055wt%，及合金元素Cr提高到0.030~0.040wt%，澆鑄過程中形成第二相顆粒，促進(jìn)結(jié)晶。隨后控制軋制及熱處理，使析出物質(zhì)點(diǎn)彌散分布，阻止晶粒長大，強(qiáng)化車輪鋼。本發(fā)明使車輪鋼的組織細(xì)化均勻，從而提高車輪鋼綜合性能。該方法控制簡單、成本低廉、并且易于在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。
文檔編號C21C7/00GK102242315SQ20111018799
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者任學(xué)沖, 宿彥京, 李勝軍, 李高洋, 高克瑋 申請人:北京科技大學(xué)