一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法，属于车轴钢的热处理工艺技术领域。针对现有技术中A3材质车轴淬透性较差且强韧性低整体性能不佳的情况下，本发明专利技术提供了一种A3车轴钢，包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％；通过锻造加热+预处理+淬火+回火方式对其进行热处理。本发明专利技术在车轴成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，同时添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性；且通过在几个热处理步骤中严格控制加热温度和保温时间使得最终车轴具有较高的强度、抗韧性能，避免淬火裂纹的产生，整体组织均匀且强韧性匹配良好，可操作性强。

A kind of A3 axle steel and A3 axle and its heat treatment process

【技术实现步骤摘要】
一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法
本专利技术属于车轴钢的热处理工艺
，更具体地说，涉及一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法。
技术介绍
车轴作为铁道车辆的重要走行部件之一，长期在交变应力条件下使用，受力情况复杂，其质量状态与铁路运输安全密切相关。随着高铁和重载货运的高速发展，只有不断提高车轴产品质量才能满足各类铁路车辆提出的新需求。A3材质车轴为BS5892-1：1992《铁路车辆制造材料第1部分：牵引和拖车车轴规范》所列调质态车轴，根据BS5892-1标准的要求，热处理后车轴的主要组组织与性能指标如下表1所示：表1A3车轴产品性能指标该级别车轴与动车组用EA4T车轴性能要求一致，但成分体系有明显差别，其Mn含量高，在冶炼、连铸过程中，极易引起钢坯截面方向化学成分的偏聚，形成宏观偏析，对车轴组织与性能的均匀性存在严重影响。另外该材质车轴钢高温热脆性大，淬透性一般，淬火过程中容易产生淬裂的问题。相关研究表明成分偏析导致车轴微观局部区域C、Mn等元素含量偏低，钢的淬透性会变差，淬火过程中会出现先共析铁素体；大块状或网状分布的铁素体是降低塑韧性的主要原因，同时对车轴疲劳性能也会产生负面影响。针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201810443703.X，公开日为2018年9月28日，该专利公开了一种车轴钢的热处理方法、车轴钢以及车轴。该车轴钢的热处理方法包括：对所述车轴钢进行正火加热；对所述车轴钢进行第一次冷却；对所述车轴钢在温度介于830℃与900℃之间进行淬火加热；对所述车轴钢进行第二次冷却；对所述车轴钢在温度介于560℃与660℃之间进行回火加热；对所述车轴钢进行第三次冷却。该方法依次对车轴钢进行正火处理、淬火处理以及回火处理。该专利的不足之处在于：车轴钢内部组织粗大，在进行淬火时容易出现未溶铁素体残留。又如中国专利申请号CN201610624530.2，公开日为2016年12月21日，该专利公开了一种高速车轴钢材料及其热处理方法，所述高速车轴钢材料包含以下成分：0.22～0.29wt％的C、0.17～0.38wt％的Si、0.53～0.77wt％的Mn、≦0.015wt％的P、≦0.010wt％的S、0.20～0.27wt％的Ni、0.95～1.15wt％的Cr、≦0.15wt％的Cu、0.20～0.29wt％的Mo、0.02～0.05wt％的V、0.015～0.045wt％的Al、0.01～0.03wt％的Nb、≦15PPm的O、≦1.5PPm的H，余量为Fe及其他不可避免的元素。热处理要求如下：正火加热温度为880～920℃，淬火加热温度为870～900℃、保温时间为4～9h，回火加热温度为630～660℃。该专利的不足之处在于：该车轴钢淬透性不足，腐蚀疲劳差，一次淬火未考虑低温性能，整体车轴钢的性能较差。
技术实现思路
1、要解决的问题针对现有技术中A3材质车轴淬透性较差且强韧性低整体性能不佳的情况下，本专利技术提供了一种A3车轴钢及A3车轴及其热处理工艺方法。通过在车轴成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，同时添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性；且通过在几个热处理步骤中严格控制加热温度和保温时间使得最终车轴具有较高的强度、抗韧性能，避免淬火裂纹的产生，整体组织均匀且强韧性匹配良好。2、技术方案为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案。一种A3车轴钢，包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质。一种A3车轴，采用上述所述的车轴钢制备而成。一种如上述所述的一种A3车轴的热处理工艺方法，包括如下步骤：一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间T＝aL，其中a为均热时间系数，取1.0～1.2min/mm；L为车轴的截面边长；二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃～910℃，保温时间T′＝1.05D+10(CE-0.67％)，出炉冷却；其中D为车轴最大截面直径；CE为碳当量；三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为850℃～870℃，保温时间T″＝KD，出炉冷却；其中，K为加热时间系数，取值为1.0～1.2min/mm；四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热，加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的1.5倍，出炉冷却至室温。更进一步的，所述步骤二和步骤四中冷却方式为风冷，步骤三中冷却方式为水冷。更进一步的，所述步骤二中以平均10℃/min的速度进行冷却，步骤三中以平均10～12℃/s的速度进行冷却，步骤四中以平均5℃/min的速度进行冷却。更进一步的，步骤二中冷却后车轴表面温度低于250℃，步骤三中冷却后车轴表面温度低于100℃。更进一步的，所述预处理炉、淬火炉和回火炉均采用电阻带加热，且炉内均设置有加热区和保温区。更进一步的，炉外在与加热区与保温区对应地方均设置有温度显示器。更进一步的，所述步骤一中出炉目标温度为1170～1200℃，终锻温度不低于860℃。3、有益效果相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术在车轴钢的成分上适当提高了碳和锰的含量用以强化同时增加该车轴的淬透性，因碳是最主要的强化元素和提高淬透性元素之一，锰是脱氧脱硫的有效元素同时也是提高淬透性的元素；同时减少合金用量，采用钒微合金化以及添加适量的铬和镍提升该车轴的强韧性，因铬和镍均是提高钢材韧性有效的合金元素；因此整体的成分比例设置有效提高了A3车轴整体的淬透性及强韧性，整体的制造成本降低；(2)本专利技术在对车轴锻造加热冷却后进行预处理加热，温度控制在880℃～910℃，保温时间根据车轴最大截面直径和碳当量进行确定消除锻造加热时车轴内部的变形应力，有效细化锻后组织，进一步均匀合金成分，且后续淬火步骤创造有利条件；因车轴截面方向成分偏析对后续热处理极为不利，因此严格控制车轴在高温加热段的时间，使得合金元素扩散能力加强，合金元素分布更均质化；(3)本专利技术在淬火步骤时选加热温度为850℃～870℃区间内，保温时间则根据均热时间系数和车轴最大截面直径确定是为了考虑到淬透性以及晶粒细化，若奥氏体化温度过高，则晶粒迅速聚集长大易形成粗晶，若奥氏体化温度过低，则淬火时会出现未溶铁素体残留；保温时间过长或过短均不利于铁素体以及碳化物完全溶解和扩散，进而使得原奥氏体在淬火冷却前期发生不稳定分解，降低淬透性；(4)本专利技术在回火步骤时选加热温度为630℃～650℃，保温时间为淬火步骤保温时间的1.5倍是为了综合考虑车轴整体强度、冲击韧性以及疲劳性能，回火温度不宜过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种A3车轴钢，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种A3车轴钢，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：碳0.34～0.37％，硅0.25～0.40％，锰1.40～1.50％，磷≤0.020％，硫≤0.015％，铬0.20～0.30％，镍0.13～0.20％，铜≤0.30％，钼≤0.40％，钒0.035～0.045％，铝0.015～0.040％，其余为铁与不可避免的杂质。


2.一种A3车轴，其特征在于：采用权利要求1所述的A3车轴钢制备而成。


3.一种如权利要求2所述的A3车轴的热处理工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：
一、锻造加热：将车轴进行加热，车轴在大于1100℃温度下的加热时间T＝aL，其中a为均热时间系数，取1.0～1.2min/mm；L为车轴的截面边长；
二、预处理：步骤一中车轴冷却至室温后将其在预处理炉内加热，加热温度为880℃～910℃，保温时间T’＝1.05D+10(CE-0.67％)，出炉冷却；其中D为车轴最大截面直径；CE为碳当量；
三、淬火：步骤二结束后，将其在淬火炉内加热，加热温度为850℃～870℃，保温时间T”＝KD，出炉冷却；其中，K为加热时间系数，取值为1.0～1.2min/mm；
四、回火：步骤三结束后，将其放入回火炉内加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳，钟尧舜，陶盈龙，刘显昌，于文坛，
申请(专利权)人：马钢轨道交通装备有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34