一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝榮譽表彰

2020年7月17日，《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》獲得安徽省第七屆專利獎優(yōu)秀獎。 2100433B

《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》按重量百分比含有C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.04～0.08，Ti：0.015～0.030，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)；鋼的組織為回火索氏體 少量下貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量為100％，車軸1/2半徑處回火索氏體含量在80～90％；上述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，包括如下步驟：（1）正火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度870～900℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.2～1.7分鐘/毫米計算，空冷；（2）淬火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度850～880℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.5～2.0分鐘/毫米計算，隨后冷卻；（3）回火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度620～680℃，在該溫度段加熱保溫時間按2～2.5分鐘/毫米計算，隨后空冷至室溫。在另一個優(yōu)選實施例中，可以采用如下方案：（1）適當降低傳統(tǒng)碳素車軸鋼中的C元素含量，改善鋼的韌性和塑性；（2）向鋼中添加Ni、Cu元素改善鋼的淬透性和耐蝕性，并加入微量的Zr、V、Ti元素以細化晶粒，從而提高鋼的韌性特別是低溫韌性，并改善鋼的強度和韌性配合，提高鋼的抗疲勞性能；（3）加入適量的Ca元素，對鋼中的夾雜物進行變性處理，同時嚴格控制鋼中雜質(zhì)元素T[O]、P、S等的含量，以進一步提高鋼的抗疲勞性能。該發(fā)明的關(guān)鍵之處在于將成分優(yōu)化調(diào)整與冶金質(zhì)量控制有機地結(jié)合起來，在獲得高強度的同時，獲得優(yōu)異的抗疲勞破壞性能和較低的成本。該發(fā)明鋼的具體化學(xué)成分（重量％）如下：C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.04～0.08，Ti：0.015～0.030，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)。

上述各元素的作用及配比依據(jù)如下：C:C元素是車軸鋼獲得高的強度、硬度所必需的。傳統(tǒng)車軸鋼中的C含量較高，如2016年6月以前的鐵路貨車車軸用鋼LZ50中的碳含量為0.50％左右。高的C含量雖然對鋼的強度、硬度等有利，但對鋼的塑性和韌性極為不利，且使屈強比降低、脫碳敏感性增大，惡化鋼的抗疲勞性能和加工性能。因此適當降低鋼中的C含量，將其控制在0.30％以下。然而，淬火和高溫回火后為了獲得所需的高強度和所必須的疲勞性能，C含量須在0.24％以上，因而C含量宜控制為0.24～0.30％。Si：Si是鋼中主要的脫氧元素，具有很強的固溶強化作用，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度，含量小于0.70％時，難以起到上述作用。但淬火鋼回火時，Mn和P有強烈的晶界共偏聚傾向，促進回火脆性，惡化鋼的韌性，因而控制Mn含量在1.00％以下。Cr：Cr能夠有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，以獲得所需的高強度；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0.90～1.20％。Ni：Ni可提高鋼的淬透性、耐蝕性和保證鋼在低溫下的韌性?？紤]到經(jīng)濟性，控制Ni含量為0.80～1.30％。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，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0.20～0.30％。Cu:Cu在固溶強化、提高淬透性方面與Ni相似。同時，在鋼中加入銅還可提高鋼的抗腐蝕疲勞性能，因為細小的Cu沉淀阻滯了疲勞的初期階段脈狀結(jié)構(gòu)的形成，并且銅析出物具有良好的塑性，可阻礙疲勞裂紋的擴展；另外，Cu還有一定的提高鋼耐蝕性作用；從而提高鋼的腐蝕疲勞強度。但Cu含量過高，鋼在加熱軋制或鍛造過程中容易引起熱脆。綜合考慮，范圍可控制在0.10～0.60％。Zr：加入少量鋯有脫氣、凈化和細化晶粒作用，有利于提高鋼的低溫沖擊性能和強度、疲勞性能指標。綜合考慮，范圍可控制在0.010～0.040％。V：V是強碳化物形成元素，與C結(jié)合所形成的細小彌散碳化物可阻止加熱時晶粒長大，起細晶強化和沉淀強化的作用，從而可同時提高鋼的強度、韌性和抗疲勞性能。V含量低于0.03％，上述作用不明顯；V含量高于0.10％，上述作用飽和，且提高鋼的成本。因而控制V含量為0.04～0.08％。Ti：在鋼中加入微合金元素Ti能起到固溶、偏聚和沉淀作用，當它們與碳、氮、硫等交互作用能產(chǎn)生細晶強化、析出物彌散強化以及夾雜物改性等，使鋼的強度和韌性加強，并可提高鋼的回火穩(wěn)定性。綜合考慮，Ti的范圍可控制在0.015％～0.030％。Ca:Ca具有脫氧脫硫和對非金屬夾雜物變性處理的作用，從而改善鋼的韌性和抗疲勞性能。Ca含量小于0.001％起不到上述作用，但含量超過0.005％，則加入相當困難，且夾雜物量增多。因而控制Ca含量為0.001～0.005％。P：P能在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大，所以控制P的含量在0.012％以下。S：鋼中不可避免的不純物，形成MnS夾雜和在晶界偏聚會惡化鋼的韌性和抗疲勞性能，因而控制其含量在0.008％以下。

T[O]：氧在鋼中形成各種氧化物夾雜。在應(yīng)力的作用下，在這些氧化物夾雜處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋的萌生，從而惡化鋼的力學(xué)性能特別是韌性和抗疲勞性能。因此，在冶金生產(chǎn)中須采取措施盡可能降低其含量?？紤]到經(jīng)濟性，控制其含量在0.0015％以下。該發(fā)明含釩鈦高速動車組車軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH或VD真空脫氣→連鑄→鑄坯加熱爐加熱→車軸坯軋制→車軸坯鍛造→毛坯車軸粗車→車軸齊端面加工→正火 調(diào)質(zhì)熱處理→車軸外圓精車加工→車軸內(nèi)孔鏜削加工→外圓磨削→探傷。該發(fā)明關(guān)鍵的熱處理工藝步驟如下：（1）正火：將最大直徑為200毫米左右、長度達2200毫米左右的含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱（加熱速度為50～100℃/小時）至溫度870～900℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.2～1.7分鐘/毫米計算，空冷。經(jīng)正火后不僅細化了晶粒,而且改善了組織的不均勻性,為隨后的最終熱處理做好組織準備。（2）淬火：將最大直徑為200毫米左右、長度達2200毫米左右的含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱（加熱速度為50～100℃/小時）至溫度850～880℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.5～2.0分鐘/毫米計算，隨后在淬火槽中，通過噴嘴對車軸進行水下噴水快速水冷（冷卻速度控制在1.5～2.5℃/秒）至室溫。（3）回火：將最大直徑為200毫米左右、長度達2200毫米左右的含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱（加熱速度為50～100℃/小時）至溫度620～680℃，在該溫度段加熱保溫時間按2～2.5分鐘/毫米計算，隨后空冷至室溫。經(jīng)過回火，可獲得均勻細密回火索氏體 少量下貝氏體的金相組織，從而可獲得良好的韌塑性及合適的強度指標。在另一個優(yōu)選實施例中，可以采用如下方案：該發(fā)明含釩鈦高速動車組車軸用鋼生產(chǎn)工藝流程為：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH或VD真空脫氣→連鑄→鑄坯加熱爐加熱→車軸坯軋制→車軸坯鍛造→毛坯車軸粗車→車軸齊端面加工→正火 調(diào)質(zhì)（淬火 高溫回火）熱處理→車軸外圓精車加工→車軸內(nèi)孔鏜削加工→外圓磨削→探傷。該發(fā)明含釩鈦高速動車組車軸用鋼的熔煉化學(xué)成分、主要熱處理工藝參數(shù)與性能的實施例如下：熱處理工藝步驟及參數(shù)為：（1）正火：以80℃/小時加熱至溫度870℃，加熱保溫時間300分鐘，空冷。（2）淬火：以80℃/小時加熱至溫度860℃，加熱保溫時間270分鐘，快速水冷（冷卻速度控制在1.5～2.5℃/秒）。（3）回火：以80℃/小時加熱至溫度650℃，加熱保溫時間420分鐘，空冷。最大直徑為Φ200毫米、長度達2200毫米高速動車組車軸的熔煉化學(xué)成分質(zhì)量百分比（wt％）見表1，高速動車組車軸經(jīng)過以上熱處理后的性能指標見表2。

采用該發(fā)明的化學(xué)成分、工藝流程和熱處理工藝工藝參數(shù)生產(chǎn)的含釩鈦高速動車組車軸用鋼，測定鋼材的縱向力學(xué)性能可達到：R_m：750兆帕～900兆帕，R_eL或R_p0.2≥600兆帕，A≥18％，Z≥40％，-40℃縱向沖擊吸收功千伏₂≥150焦；斷裂韌性K_Q值≥120兆帕·米^1/2；光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限R_fL≥375兆帕，缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限R_fE≥310兆帕，缺口敏感性R_fL/R_fE≤1.15；過盈量為0.04毫米試樣的微動疲勞極限≥215兆帕；鹽霧腐蝕14循環(huán)周次試樣的腐蝕疲勞極限為≥275兆帕；鋼材的奧氏體晶粒度大于等于8.0級；高速動車組車軸“正火 調(diào)質(zhì)（淬火 高溫回火）”熱處理后鋼的組織為回火索氏體 少量下貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量為100％，車軸1/2半徑處回火索氏體含量在80～90％。

1.《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》按重量百分比含有C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.04～0.08，Ti：0.015～0.030，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)；所述鋼的組織為回火索氏體 少量下貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量為100％，車軸1/2半徑處回火索氏體含量在80～90％。

2.如權(quán)利要求1所述的含釩鈦動車組車軸用鋼，其特征在于，按重量百分比含有C：0.29，Si：0.24，Mn：0.91，Cr：0.97，Ni：0.87，Mo：0.2，Cu：0.56，Zr：0.03，V：0.04，Ti：0.021，Ca：0.003，P:0.005，S:0.001，T[O]:0.0006，Als：0.035，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)。

3.如權(quán)利要求1或2所述的含釩鈦動車組車軸用鋼，其特征在于，其縱向力學(xué)性能達到：R_m：750兆帕～900兆帕，R_eL或R_p0.2≥600兆帕，A≥18％，Z≥40％，-40℃縱向 沖擊吸收功千伏₂≥150焦；斷裂韌性K_Q值≥120兆帕·米^1/2；光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限R_fL≥375兆帕，缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限R_fE≥310兆帕，缺口敏感性R_fL/R_fE≤1.15；過盈量為0.04毫米試樣的微動疲勞極限≥215兆帕；鹽霧腐蝕14循環(huán)周次試樣的腐蝕疲勞極限為≥275兆帕；鋼材的奧氏體晶粒度大于等于8.0級。

4.如權(quán)利要求1-3所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，包括如下步驟：（1）正火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度870～900℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.2～1.7分鐘/毫米計算，空冷；（2）淬火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度850～880℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.5～2.0分鐘/毫米計算，隨后冷卻；（3）回火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度620～680℃，在該溫度段加熱保溫時間按2～2.5分鐘/毫米計算，隨后空冷至室溫。

5.如權(quán)利要求4所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，步驟（1）-（3）中加熱速度均為50～100℃/小時。

6.如權(quán)利要求4或5所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，步驟（2）中，在淬火槽中，通過噴嘴對車軸進行水下噴水快速水冷至室溫。

7.如權(quán)利要求6所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，冷卻速度控制在1.5～2.5℃/秒。

8.如權(quán)利要求4-7所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，步驟（1）中以80℃/小時加熱至溫度870℃，加熱保溫時間300分鐘，空冷。

9.如權(quán)利要求4-8所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，步驟（2）中以80℃/小時加熱至溫度860℃，加熱保溫時間270分鐘，快速水冷；和/或，步驟（3）中以80℃/小時加熱至溫度650℃，加熱保溫時間420分鐘，空冷。

10.如權(quán)利要求4-9所述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，其特征在于，其用于含釩鈦動車組車軸用鋼的制造工藝，包括步驟：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH或VD真空脫氣→連鑄→鑄坯加熱爐加熱→車軸坯軋制→車軸坯鍛造→毛坯車軸粗車→車軸齊端面加工→正火 調(diào)質(zhì)熱處理→車軸外圓精車加工→車軸內(nèi)孔鏜削加工→外圓磨削→探傷。

《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》涉及合金鋼領(lǐng)域，具體涉及適用于抗拉強度750～900兆帕、屈服強度≥600兆帕、-40℃千伏₂≥150焦，同時要求具有優(yōu)異的抗疲勞性能的高速動車組車軸用鋼及其熱處理工藝。

一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝專利目的

《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》的目的在于提供一種抗拉強度750～900兆帕、屈服強度≥600兆帕、-40℃千伏₂≥150焦，同時要求具有優(yōu)異的抗疲勞性能的高速動車組車軸用鋼及其熱處理工藝。

一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝技術(shù)方案

《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》按重量百分比含有C：0.24～0.30，Si：0.20～0.40，Mn：0.70～1.00，Cr：0.90～1.20，Ni：0.70～1.30，Mo：0.20～0.30，Cu：0.10～0.60，Zr：0.01～0.04，V：0.04～0.08，Ti：0.015～0.030，Ca：0.001～0.005，P≤0.010，S≤0.008，T[O]≤0.0015，Als：0.015～0.045，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)；所述鋼的組織為回火索氏體 少量下貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量為100％，車軸1/2半徑處回火索氏體含量在80～90％。進一步地，按重量百分比含有C：0.29，Si：0.24，Mn：0.91，Cr：0.97，Ni：0.87，Mo：0.2，Cu：0.56，Zr：0.03，V：0.04，Ti：0.021，Ca：0.003，P：0.005，S：0.001，T[O]：0.0006，Als：0.035，余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)。進一步地，其縱向力學(xué)性能達到：Rm：750兆帕～900兆帕，ReL或Rp0.2≥600兆帕，A≥18％，Z≥40％，-40℃縱向沖擊吸收功千伏₂≥150焦；斷裂韌性KQ值≥120兆帕·米^1/2；光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限RfL≥375兆帕，缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限RfE≥310兆帕，缺口敏感性RfL/RfE≤1.15；過盈量為0.04毫米試樣的微動疲勞極限≥215兆帕；鹽霧腐蝕14循環(huán)周次試樣的腐蝕疲勞極限為≥275兆帕；鋼材的奧氏體晶粒度大于等于8.0級。上述含釩鈦動車組車軸用鋼的熱處理工藝，包括如下步驟：（1）正火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度870～900℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.2～1.7分鐘/毫米計算，空冷；（2）淬火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度850～880℃，在該溫度段加熱保溫時間按1.5～2.0分鐘/毫米計算，隨后冷卻；（3）回火：將含釩鈦高速動車組車軸用鋼加熱至溫度620～680℃，在該溫度段加熱保溫時間按2～2.5分鐘/毫米計算，隨后空冷至室溫。進一步地，步驟（1）-（3）中加熱速度均為50～100℃/小時。進一步地，步驟（2）中，在淬火槽中，通過噴嘴對車軸進行水下噴水快速水冷至室溫。進一步地，冷卻速度控制在1.5～2.5℃/秒。進一步地，步驟（1）中以80℃/小時加熱至溫度870℃，加熱保溫時間300分鐘，空冷。進一步地，步驟（2）中以80℃/小時加熱至溫度860℃，加熱保溫時間270分鐘，快速水冷；和/或，步驟（3）中以80℃/小時加熱至溫度650℃，加熱保溫時間420分鐘，空冷。進一步地，其用于含釩鈦動車組車軸用鋼的制造工藝，包括步驟：電弧爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH或VD真空脫氣→連鑄→鑄坯加熱爐加熱→車軸坯軋制→車軸坯鍛造→毛坯車軸粗車→車軸齊端面加工→正火 調(diào)質(zhì)熱處理→車軸外圓精車加工→車軸內(nèi)孔鏜削加工→外圓磨削→探傷。

一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝改善效果

《一種含釩鈦動車組車軸用鋼及其熱處理工藝》與2016年6月以前的技術(shù)相比具有強度高、抗疲勞性能優(yōu)良的優(yōu)點。可獲得700兆帕以上的高強度，其塑性和韌性明顯優(yōu)于商業(yè)鋼，其疲勞極限要顯著高于商業(yè)鋼，呈現(xiàn)出良好的強度韌性配合及優(yōu)異的抗疲勞性能。其中：Rm：750兆帕～900兆帕，ReL或Rp0.2≥600兆帕，A≥18％，Z≥40％，-40℃縱向沖擊吸收功千伏₂≥150焦；斷裂韌性KQ值≥120兆帕·米^1/2；光滑試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限RfL≥375兆帕，缺口試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限RfE≥310兆帕，缺口敏感性RfL/RfE≤1.15；過盈量為0.04毫米試樣的微動疲勞極限≥215兆帕；鹽霧腐蝕14循環(huán)周次試樣的腐蝕疲勞極限為≥275兆帕；鋼材的奧氏體晶粒度大于等于8.0級；高速動車組車軸“正火 調(diào)質(zhì)（淬火 高溫回火）”熱處理后鋼的組織為回火索氏體 少量下貝氏體，其中，車軸近表面回火索氏體含量為100％，車軸1/2半徑處回火索氏體含量在80～90％。

車軸是各種車輛中涉及安全的最重要的運動和承載部件之一。由于車軸承受著動載荷，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，如彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、彎扭復(fù)合載荷，并受到一定沖擊，特別是高速動車組車軸，其受力狀態(tài)更為復(fù)雜。因此，高速動車組車軸在服役過程中可能會因為疲勞、彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉伸應(yīng)力等而發(fā)生斷裂，其中疲勞斷裂是高速車軸的普遍斷裂形式。為確保車輛的安全運行，高速動車組車軸必須具有足夠的可靠性和疲勞安全系數(shù)。高速動車組車軸材料是決定車軸使用壽命和可靠性的關(guān)鍵因素之一，因此，全球十分重視對高速動車組車軸用鋼的研發(fā)和疲勞性能的研究。隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，對動車組車軸的需要急劇增加，截至2016年6月，仍主要依賴于進口，因此，迫切需要開發(fā)適用于中國鐵路發(fā)展特點的高強高韌及長疲勞壽命的新材質(zhì)車軸鋼。

自2016年6月以來，中國開展了抗疲勞破壞車軸鋼的研究開發(fā)。如中國專利申請201110417295.9中的抗疲勞破壞車軸鋼，仍然采用傳統(tǒng)中碳車軸鋼的高C含量思路，C含量（0.42～0.45％）較高，這使得鋼的韌性較差，無法滿足動車組車軸對韌性的要求，且抗疲勞性能改善的幅度有限高。中國專利申請201210384581.4中的一種新型空心車軸用合金鋼，盡管碳含量較低，具有較好的強韌性配合，但疲勞強度仍較低。從歐洲引進的動車組車軸主要采用調(diào)質(zhì)處理的合金鋼EA4T，雖然給出了化學(xué)成分及力學(xué)性能要求，但沒有給出關(guān)鍵熱處理工藝參數(shù)，更重要的是鋼中的影響淬透性的合金元素含量偏低，導(dǎo)致大規(guī)格的動車組車軸內(nèi)部的組織（存在不允許存在的鐵素體）和性能（近心部強度、韌性和疲勞性能偏低）往往難以達到標準的要求。這些均在實際應(yīng)用中受到了限制，更為關(guān)鍵的是車軸鋼抗疲勞性能改善的幅度均有限，影響其推廣應(yīng)用。

專利榮譽

2021年6月24日，《一種氣化爐燒嘴及其使用方法、含其的氣化爐》獲得第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎。

一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法專利目的

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的第一個目的是提供一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的第二個目的是提供這種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼的制造方法。

一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法技術(shù)方案

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》提供的高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼具有如下以重量百分比計的化學(xué)成分：C：0.02～0.10％；Si：≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P：≤0.05％；S：≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼具有的抗拉強度為350兆帕～430兆帕。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼的合金設(shè)計理由如下：

C：0.02～0.10％。C是重要的固溶強化元素，可以使材料獲得高的強度，但高的碳含量會使材料的沖壓性和焊接性惡化，所以碳不能太高，再結(jié)合考慮材料需要達到的350～430兆帕的強度級別和性能范圍，因此碳控制在0.02～0.10％。

Si：≤0.1％。Si是鐵素體固溶強化元素，極大地提高強度，但對于熱鍍鋅鋼板來說，Si含量高時在鋼板表面析出產(chǎn)生氧化膜影響表面處理，從而降低鋼板和液體鋅的濕潤粘附張力，會直接影響基板的可鍍性，從而影響熱鍍鋅鋼板表面質(zhì)量，所以Si元素控制盡量少。

Mn：為了保證鋼的綜合機械性能（強度、韌性），需要添加一定量的Mn，Mn尤其對抗拉強度影響較大。但Mn含量高時一方面會影響基板的可鍍性和表面質(zhì)量，同時也對焊接性不利，所以在保證材料強度的前提下盡量減少錳元素的添加量。

T.Al：0.02～0.10％。Al的主要功能是脫氧劑，不宜過低，但過高時影響連鑄生產(chǎn)。

P：≤0.05％。P是一種價廉的固溶強化元素，適量的P對強度是有益的，但過高時影響焊接性。所以《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》在保證材料強度的前提下盡量控制P元素；

S：≤0.015％。S在鋼中易形成MnS，引起熱脆，同時影響焊接性，所以S要盡量低，一般控制在0.015％以下。

Nb：0.002～0.02％。一方面Nb通過抑制再結(jié)晶細化晶粒提高材料的強度和韌性，另一方面，NbC、NbN等析出物彌散分布，通過位錯的“繞過析出物”和“切過析出物”兩種機理起到析出強化的作用，但考慮《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的材料強度相對較低，抗拉強度350兆帕，所以添加了很少量的Nb元素，在降低C、Si、Mn、P元素含量的情況下保證材料的強度，同時使材料有高的屈強比（0.7以上），從而保證材料有好的綜合機械性能、良好的焊接性和表面質(zhì)量。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的第二方面提供上述高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼的制備方法，包括冶煉、連鑄、熱軋、酸洗、冷軋軋制、退火和熱鍍鋅工序，其中熱軋工序控制加熱溫度≤1250℃，終軋溫度≥870℃，卷取溫度在600℃～680℃；退火工序控制溫度在720℃～820℃。

按如下以重量百分比計的化學(xué)成分進行冶煉：C：0.02～0.10％；Si≤0.1％；Mn：0.10～0.80％；P≤0.05％；S≤0.015％；T.Al：0.01～0.10％；Nb：0.002～0.02％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。

然后通過連鑄鑄成板坯。

熱軋工序中控制以下參數(shù)：

終軋溫度：熱軋時材料是進行完全再結(jié)晶軋制，為了避免材料進入兩相區(qū)軋制導(dǎo)致混晶，所以終軋溫度≥870℃，控制在Ar3溫度之上。

卷曲溫度：卷曲溫度過高，會導(dǎo)致晶粒粗大最終對成品材料強度影響較大。綜合考慮到析出物的析出和長大，采用600～680℃的高溫卷曲，以得到較細小的鐵素體基體晶粒組織和尺寸適當?shù)奶肌⒌龀鑫镌冀M織。

然后按常規(guī)進行酸洗冷軋。

退火工序如圖1所示。再結(jié)晶退火溫度是控制高強鋼性能最為重要的工藝因素，在保證材料完全再結(jié)晶退火和奧氏體組織不粗化的前提下盡量采取低的退火溫度；但考慮到鋅層的可鍍性，所以退火溫度不要太低?！兑环N高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》的高屈強比熱鍍鋅鋼板制備方法中，臨界再結(jié)晶退火溫度為720～820℃。

一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法改善效果

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》涉及的一種抗拉強度350～430兆帕熱鍍鋅汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造技術(shù)，具有良好的焊接性、高屈強比和優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量，基板為冷軋板，鍍層分有熱鍍純鋅及鋅鐵合金化熱鍍鋅，微觀組織如圖2所示為均勻的鐵素體基體加沿晶界彌散析出的滲碳體。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》通過控制一定量的碳含量，低的錳含量（0.3以下），不加Si，不添加Mo和Cr，添加少量的微合金元素Nb，通過碳錳的固溶強化和NbC的析出強化的效果得到抗拉強度350～430兆帕的析出強化鋼，同時較低的Si、Mn含量使熱鍍鋅鋼板有好的可鍍性從而保證材料有高的表面質(zhì)量?！兑环N高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》鋼種的微觀組織如圖2所示，為均勻的鐵素體基體加沿晶界彌散析出的滲碳體。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》鋼材的成分體系低硅、低錳，且不含鉻、鉬等合金元素，故成本低。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》鋼材的橫向力學(xué)性能滿足屈服強度260～330兆帕，抗拉強度350～430兆帕，延伸率EL₈₀≥26％。

《一種高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼及其制造方法》屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼，特別涉及高屈強比熱鍍鋅結(jié)構(gòu)件用鋼。