一种细化车轮钢组织的氧化物冶金方法

技术领域

本发明涉及高速车轮钢组织的细化，特别涉及采用氧化物冶金技术手段细化车轮钢组织，改善其综合性能，属于新材料冶金技术领域。

背景技术

随着铁路运输向着高速、重载方向的迅速发展，对车轮和轮箍的质量与性能提出了更高的要求。以客运专线运营200-250 km/h时速、货车轴重由21 T提高到25T为标志，我国铁路对车轮的质量与性能提出了更高的要求。需要优良的冶金质量确保安全性，以高的强度来适应大载重量，以高韧性来保证车轮运行的可靠性，以高的耐磨性来延长其使用寿命。采用氧化物冶金这一低成本的方法来改善铸坯和产品组织的均匀性和致密性，消除大颗粒夹杂和元素偏析，从而降低氢致开裂敏感性，提高车轮综合性能。

氧化物冶金技术核心是通过在钢中形成弥散分布的第二相（氧化物、硫化物及金属碳氮化物等）来细化晶粒尺寸而提高综合机械性能。

JP 2001-288509文献中，将钢水中的氧控制在20~80ppm后，依次添加Ti、Al和Ca进行脱氧，这是按照脱氧能力从弱到强的顺序添加的，可以细化并增加氧化物含量。这种方法既可以减少钢水中氧的过饱和度，还可以反复进行脱氧反应，起到了抑制氧化物过度生长和粗化的作用。但是，在专利文献中，夹杂物的成分由反复添加的脱氧元素决定，而且氧化物弥散量由初期溶解于钢水中的氧决定，而且也不能促进氧化物的细化和弥散。并且这种方法只是应用于低碳钢，未提及中碳钢。 

专利JP 8-246026中，在添加脱氧剂后，向镇静状态的钢水中吹氧来控制钢中夹杂物的形态。专利JP10-193046中，提到了氧气的供给方法（用固体氧离子导体，通过施加电压，将氧气加到钢水中）、细小氧化物生成和弥散方法以及向钢水中吹入氧化性气体，使细小氧化物弥散的方法。这些方法都是在低氧状态下供氧的，在脱氧反应中饱和度不高，可以抑制粗大脱氧生成物的生成。

发明内容

本发明目的是通过选择、添加合适的微量合金元素，形成弥散的氧化物质点，促进铸坯组织晶粒细化，在随后的轧制和热处理过程中使合金元素作为第二相析出，阻止奥氏体晶粒长大，使车轮钢弥散强化，从而达到提高力学性能的目的。

氧化物冶金技术中，氧化物（包括由氧化反应生成的碳氮化物等第二相）的种类和大小以及分布是其关键因素。弥散分布的氧化物质点有利于细化钢组织，强化钢性能。车轮钢炼钢生产工艺为转炉炼钢—炉外精炼—VD除气—连铸浇铸，氧化物的最终产物不仅与钢液中C、N和O等含量有关，而且与脱氧元素、合金元素及添加顺序有关。对于合金元素，Cr是强碳化物形成元素，能提高A_c1、A_c3的临界点，同时可使钢具有适度的淬透性，加入Cr可以减少碳在奥氏体中的扩散系数，从而细化奥氏体晶粒尺寸，减小珠光体片间距，使车轮钢强度、硬度、耐磨性升高，但会降低钢的塑性。Al和Ti在钢中形成AlN、钛化物等析出物钉扎晶界，使奥氏体细化。

一种细化车轮钢组织的氧化物冶金方法，浇注前钢中元素含量为：C：0.45~0.60 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%，O：25ppm以下、N：45ppm以下，其余为Fe；在VD除气后、连铸浇铸前加入的Ti首先在1650-1550℃浇铸过程中形成氮化钛第二相，促进结晶，细化初晶尺寸，同时阻止N与添加Ti以后再加入的Al 在较高温度下反应生产大尺寸夹杂物，在连铸后钢坯在1180-1250℃控制轧制时，Al与N通过扩散反应产生纳米级AlN析出，阻止轧制过程中奥氏体晶粒的粗化；随后在810-890℃热处理，使纳米级CrC析出，进一步强化车轮钢。即弥散强化和细晶强化相结合，提高车轮钢的综合性能。

与现有的技术相比，本发明特点在于，通过选择、添加合适的微量合金元素，形成弥散的氧化物质点，使氮化物颗粒作为促进形核的质点，在不改变先后车轮生产工艺的情况下改善铸坯和产品组织的均匀性和致密性。使车轮钢强度（抗拉强度≥850 MPa）和韧性（常温冲击韧性≥15J，断裂韧性≥85 MPa·m1/2）匹配良好，获得优异的综合性能；由于添加合金后临界点Ac1和Ms较高，还具有良好的抗热损伤、抗机械疲劳损伤能力；对氮化物弥散强化和合金元素固溶强化配合，一方面，合金元素少而廉价，加入量容易控制，同时钢中氮化物在钢中不影响钢的性能，不增加生产成本。

附图说明

图1为实施例1的金相图

图2为实施例2的金相图

图3为实施例3的金相图

图4为实施例4的金相图

图5为实施例1、2、3、4钢的有效晶粒度级别图

图6为实施例2中纳米级AlN析出的透射电镜（TEM）图像

表1为实施例1、2、3、4钢的化学成分

表2为实施例1、2、3、4钢的性能。

具体实施方式

实施例1： 采用通用的冶炼设备，按表1标号1的组分及含量，采用通常的冶炼工艺进行冶炼，连铸成圆坯；然后将圆坯模切块、加热、锻压、轧制、热处理。其金相如图，性能检测见表2。

实施例2：分别按照表1标号2的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。

实施例3：分别按照表1标号3的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。

实施例4：分别按照表1标号4的组分及含量重复实施例1的方法，对其进行加工处理，性能检测见表2。

实施例1、2、3、4试样的金相微观组织如图1至图4。对比实施例1、2、3、4试样的金相图1、图2、图3及图4，提高脱氧元素Al以及合金元素Cr和Ti的含量，有利于车轮钢组织细化。按照GB/T6394-2002采用三圆截点法对实施例1、2、3、4试样的晶粒度进行统计，不同实施例的车轮钢的晶粒度级别如图5所示。可见，将Als提高到0.032wt%，Ti提高到0.025 wt%，Cr提高到0.035wt%，车轮钢组织明显细化。

按照GB/T4161-2007、GB7314-1987、GB/T231.1-2002和GB/T 229-1994进行测试获得的断裂韧性、常温抗拉强度、布氏硬度和常温冲击功如表2所示。由表可见，与实施例1相比，实施例2、3、4试样强度（抗拉强度≥850 MPa）和韧性（常温冲击韧性≥15J，断裂韧性≥85 MPa·m^1/2）明显提高，并且匹配良好。                                            

综上所述，本发明可以使车轮钢的晶粒细化和组织均匀化，并且明显提高车轮钢的综合性能。

 表1

    [0018]表2