專利名稱：一種細化車輪鋼組織的氧化物冶金方法
技術領域：
本發明涉及高速車輪鋼組織的細化，特別涉及采用氧化物冶金技術手段細化車輪鋼組織，改善其綜合性能，屬于新材料冶金技術領域。
背景技術：
隨著鐵路運輸向著高速、重載方向的迅速發展，對車輪和輪箍的質量與性能提出了更高的要求。以客運專線運營200-250 km/h時速、貨車軸重由21 T提高到25T為標志， 我國鐵路對車輪的質量與性能提出了更高的要求。需要優良的冶金質量確保安全性，以高的強度來適應大載重量，以高韌性來保證車輪運行的可靠性，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)來細化晶粒尺寸而提高綜合機械性能。JP 2001-288509文獻中，將鋼水中的氧控制在2(T80ppm后，依次添加Ti、Al和Ca 進行脫氧，這是按照脫氧能力從弱到強的順序添加的，可以細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，還可以反復進行脫氧反應，起到了抑制氧化物過度生長和粗化的作用。但是，在專利文獻中，夾雜物的成分由反復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，而且也不能促進氧化物的細化和彌散。并且這種方法只是應用于低碳鋼，未提及中碳鋼。專利JP 8-246026中，在添加脫氧劑后，向鎮靜狀態的鋼水中吹氧來控制鋼中夾雜物的形態。專利JP10-193046中，提到了氧氣的供給方法(用固體氧離子導體，通過施加電壓，將氧氣加到鋼水中)、細小氧化物生成和彌散方法以及向鋼水中吹入氧化性氣體，使細小氧化物彌散的方法。這些方法都是在低氧狀態下供氧的，在脫氧反應中飽和度不高，可以抑制粗大脫氧生成物的生成。
發明內容
本發明目的是通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質點，促進鑄坯組織晶粒細化，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，使車輪鋼彌散強化，從而達到提高力學性能的目的。氧化物冶金技術中，氧化物(包括由氧化反應生成的碳氮化物等第二相)的種類和大小以及分布是其關鍵因素。彌散分布的氧化物質點有利于細化鋼組織，強化鋼性能。車輪鋼煉鋼生產工藝為轉爐煉鋼一爐外精煉一VD除氣一連鑄澆鑄，氧化物的最終產物不僅與鋼液中C、N和0等含量有關，而且與脫氧元素、合金元素及添加順序有關。對于合金元素， Cr是強碳化物形成元素，能提高A" Ac3的臨界點，同時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散系數，從而細化奧氏體晶粒尺寸，減小珠光體片間距，使車輪鋼強度、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，使奧氏體細化。一種細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，促進結晶，細化初晶尺寸，同時阻止N與添加Ti以后再加入的Al在較高溫度下反應生產大尺寸夾雜物，在連鑄后鋼坯在1180-1250°C控制軋制時，Al與N通過擴散反應產生納米級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，進一步強化車輪鋼。即彌散強化和細晶強化相結合，提高車輪鋼的綜合性能。與現有的技術相比，本發明特點在于，通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質點，使氮化物顆粒作為促進形核的質點，在不改變先后車輪生產工藝的情況下改善鑄坯和產品組織的均勻性和致密性。使車輪鋼強度(抗拉強度> 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，獲得優異的綜合性能；由于添加合金后臨界點Acl和Ms較高，還具有良好的抗熱損傷、抗機械疲勞損傷能力；對氮化物彌散強化和合金元素固溶強化配合，一方面，合金元素少而廉價，加入量容易控制，同時鋼中氮化物在鋼中不影響鋼的性能，不增加生產成本。
圖1為實施例1的金相2為實施例2的金相圖
圖3為實施例3的金相圖
圖4為實施例4的金相圖
圖5為實施例1、2、3、4鋼的有效晶粒度級別圖
圖6為實施例2中納米級AlN析出的透射電鏡(TEM)圖像
表1為實施例1、2、3、4鋼的化學成分
表2為實施例1、2、3、4鋼的性能。
具體實施例方式實施例1 采用通用的冶煉設備，按表1標號1的組分及含量，采用通常的冶煉工藝進行冶煉，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。實施例2 分別按照表1標號2的組分及含量重復實施例1的方法，對其進行加工處理，性能檢測見表2。實施例3 分別按照表1標號3的組分及含量重復實施例1的方法，對其進行加工處理，性能檢測見表2。實施例4 分別按照表1標號4的組分及含量重復實施例1的方法，對其進行加工處理，性能檢測見表2。實施例1、2、3、4試樣的金相微觀組織如圖1至圖4。對比實施例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化。按照GB/T6394-2002采用三圓截點法對實施例1、2、3、4試樣的晶粒度進行統計， 不同實施例的車輪鋼的晶粒度級別如圖5所示。可見，將Als提高到0. 032wt%, Ti提高到 0. 025 wt%，Cr提高到0. 035wt%,車輪鋼組織明顯細化。按照GB/T4161-2007、GB7314-1987、GB/T231. 1-2002 和 GB/T 229-1994 進行測試獲得的斷裂韌性、常溫抗拉強度、布氏硬度和常溫沖擊功如表2所示。由表可見，與實施例 1相比，實施例2、3、4試樣強度(抗拉強度> 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，本發明可以使車輪鋼的晶粒細化和組織均勻化，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. 權利要求
1. 一種細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，促進結晶，細化初晶尺寸，同時阻止N與Al的進一步反應生產大尺寸夾雜物；在 1180-1250°C控制軋制，可使Al與N進一步反應生產納米級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，進一步強化車輪鋼；即彌散強化和細晶強化相結合，提高車輪鋼的綜合性能。
全文摘要
一種細化車輪鋼組織的方法，特別涉及采用氧化物冶金技術手段細化車輪鋼組織，改善其綜合性能，屬于新材料冶金技術領域。本發明主要通過選擇、添加合適的微量合金元素，形成彌散的氧化物質點，使氧化物顆粒作為促進形核的質點，改善鑄坯和產品組織的均勻性和致密性，細化其組織，進而獲得優異的綜合性能。在O、N含量分別控制25ppm和45ppm以下的基礎上，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，促進結晶。隨后控制軋制及熱處理，使析出物質點彌散分布，阻止晶粒長大，強化車輪鋼。本發明使車輪鋼的組織細化均勻，從而提高車輪鋼綜合性能。該方法控制簡單、成本低廉、并且易于在工業生產中實現。
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 優先權日2011年7月6日
發明者任學沖, 宿彥京, 李勝軍, 李高洋, 高克瑋 申請人:北京科技大學