連鑄工藝試制重載鐵路貨車軸坯的試驗研究*

吳 毅，劉鑫貴，許亞娟，項 彬

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

連鑄工藝試制重載鐵路貨車軸坯的試驗研究*

吳 毅，劉鑫貴，許亞娟，項 彬

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

鐵路貨車車軸作為列車運(yùn)行的關(guān)鍵部件，鋼坯基本上均是采用模鑄坯軋制成型，隨著連鑄裝備及連鑄工藝技術(shù)的進(jìn)步，連鑄坯整體質(zhì)量大大提升，通過連鑄工藝在試制重載鐵路貨車車軸鋼坯上的應(yīng)用實(shí)踐以及相關(guān)試驗研究表明，借助于減輕鑄坯中心缺陷、提高內(nèi)部質(zhì)量的新工藝新方法使其完全能夠滿足車軸坯使用性能要求，同時采用連鑄方式試制的車軸坯還具有鋼質(zhì)潔凈度高、結(jié)晶組織和成分均勻以及表面質(zhì)量好等方面的優(yōu)點(diǎn)。

連鑄工藝;重載鐵路;貨車軸坯;試驗研究

鐵路貨車車軸作為列車運(yùn)行的關(guān)鍵部件，隨著鐵路列車重載提速的發(fā)展，對其安全性提出了越來越高的要求，作為原材料的車軸鋼坯質(zhì)量對保證車軸性能具有至關(guān)重要的作用。

我國傳統(tǒng)的車軸鋼坯基本上均是采用模鑄坯軋制成型，目前國內(nèi)市場上90%以上的車軸鋼仍采用模鑄方法生產(chǎn)，連鑄坯相比于模鑄錠除了鋼質(zhì)潔凈度高、結(jié)晶組織和成分均勻以及表面質(zhì)量好等方面優(yōu)點(diǎn)外，坯料綜合利用率比模鑄錠至少高出10%以上，每噸可節(jié)約成本兩百多元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

為了確保車軸坯內(nèi)部質(zhì)量，世界各國對車軸的生產(chǎn)都有壓縮比的要求。模鑄工藝條件下，車軸坯內(nèi)部質(zhì)量控制主要通過大壓縮比軋制來改善鋼錠的內(nèi)部缺陷，提高軋制鋼坯的致密度，減少車軸的內(nèi)部缺陷以滿足車軸內(nèi)部探傷的嚴(yán)格要求。而連鑄工藝條件下，由于鑄坯的結(jié)晶組織、坯料規(guī)格、軋制加熱度和壓延比等的不同，在不能通過類似模鑄鋼錠增大壓縮比來軋制的方式改善鑄坯中心缺陷的情況下，需要借助于減輕鑄坯中心缺陷、提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的新工藝新方法使其滿足車軸坯內(nèi)部質(zhì)量的要求［1-4］。

盡管國外鐵路車軸標(biāo)準(zhǔn)并未嚴(yán)格限制鋼坯生產(chǎn)方式，但是由于國內(nèi)一直以來沒有大規(guī)模采用連鑄工藝生產(chǎn)鐵路貨車車軸軸坯的先例，為了充分保證車軸的質(zhì)量和安全性，鐵路部門對連鑄生產(chǎn)車軸坯的力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量等提出了更高的要求。根據(jù)我國車軸鋼坯生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代、連鑄工藝技術(shù)日漸完善的新趨勢以及節(jié)能降耗的新要求，同時借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，我國鐵路科研工作者近年來開展了大量連鑄工藝試制鐵路貨車車軸的試驗研究工作，并取得了良好的運(yùn)用效果。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

連鑄工藝試制重載鐵路貨車車軸鋼采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉，鐵水全部進(jìn)行脫硫預(yù)處理，進(jìn)行2次脫氧以盡可能降低鋼液氧活度;并采用LF爐加精煉渣進(jìn)行精煉處理，通過RH真空脫氣保證鋼液氫含量小于1.5×10－6，全氧小于20×10－6。全程輔以吹氬攪拌，充分保證鋼水溫度和成分均勻性，并且全程保護(hù)澆鑄，減少2次污染，澆鑄過程采用結(jié)晶器電磁攪拌和動態(tài)輕壓技術(shù)，同時采用合適的結(jié)晶器保護(hù)渣以保證鑄坯表面質(zhì)量。

煉鋼工藝流程為:高爐鐵水→脫硫→轉(zhuǎn)爐煉鋼→爐后精煉→LF爐精煉→RH真空處理→大方坯連鑄→加熱軋制→定尺熱鋸→清理探傷→檢查出廠。

依據(jù)《大軸重鐵路貨車用LZ45CrV車軸鋼坯技術(shù)條件》［5］，在經(jīng)一次正火(860℃)和一次回火(550℃)處理的樣坯上制取成分試樣、力學(xué)性能和顯微組織試樣，其中L1、L2為連鑄試樣，M1、M2為模鑄試樣。

1.2 化學(xué)成分分析

按圖1所示在試制樣坯上制取化學(xué)成分試樣，并采用ARL4460OES真空直讀光譜儀進(jìn)行測試分析。

圖1 化學(xué)成分取樣位置示意圖

1.3 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 228.1－2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，在CMT 5305材料試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗，用半自動沖擊試驗機(jī)進(jìn)行室溫沖擊值的測定，試樣取樣位置如圖2所示。

圖2 力學(xué)性能取樣位置示意圖

1.4 金相組織觀察

取金相試樣研磨拋光，用4%硝酸酒精腐蝕，在Neophot21光學(xué)顯微鏡下以及Quata400型掃描電鏡下觀察金相組織。

1.5 非金屬夾雜物分析和低倍組織檢驗

取非金屬夾雜物試樣研磨拋光進(jìn)行觀察分析;在試制樣坯上切取低倍組織試樣，拋光后進(jìn)行酸浸腐蝕檢驗。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 化學(xué)成分分析結(jié)果

試制的重載鐵路貨車軸坯化學(xué)成分測試結(jié)果見表1，可見兩種煉鋼工藝試制的樣坯各成分均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)，不同樣品元素含量也相對穩(wěn)定，P、S、［O］含量均控制在較低水平，這對改善車軸材質(zhì)純凈度，降低夾雜物含量特別有利，從而大大提高了車軸鋼坯質(zhì)量，同時也體現(xiàn)了連鑄過程中多步精煉、充分脫氧脫氣、全保護(hù)澆注以減少氣體含量、有效避免成分偏析的先進(jìn)工藝優(yōu)勢。

表1 試制的重載鐵路貨車軸坯化學(xué)成分 wt%

進(jìn)一步對連鑄車軸樣坯橫截面不同位置化學(xué)成分分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，可以看出主要元素含量分布比較均勻，未見明顯成分偏析。

圖3 連鑄車軸樣坯橫截面不同位置化學(xué)成分分布

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

試制的重載鐵路貨車軸坯的拉伸性能測試結(jié)果和沖擊性能測試結(jié)果見表2和表3所示。從試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)一次正火加一次回火處理的樣坯各項性能指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求，且有一定的裕量。

2.3 金相組織觀察和分析

對試制的重載鐵路貨車軸坯進(jìn)行金相組織觀察及掃描電鏡分析，晶粒度結(jié)果見表4，典型金相組織如圖4～圖7所示，可見，經(jīng)一次正火加一次回火處理的樣坯金相組織達(dá)到了技術(shù)要求，晶粒細(xì)小均勻，未見異常長大現(xiàn)象。

表2 試制的重載鐵路貨車軸坯拉伸性能測試結(jié)果

表3 試制的重載鐵路貨車軸坯沖擊性能測試結(jié)果 J

表4 試制的重載鐵路貨車軸坯金相組織測試結(jié)果

圖4 試樣L1晶粒度照片

圖5 試樣M1晶粒度照片

圖6 試樣L1金相組織SEM照片

圖7 試樣M1金相組織SEM照片

2.4 非金屬夾雜物分析結(jié)果

取樣對試制的重載鐵路貨車軸坯進(jìn)行非金屬夾雜物測試，結(jié)果見表5，非金屬夾雜物典型照片見圖8～圖11所示，均符合車軸坯技術(shù)要求，且在一定程度上優(yōu)于模鑄軸坯，從而表明通過鋼包吹氬、LF精煉、RH真空脫氣處理等先進(jìn)工藝手段使得連鑄軸坯在非金屬夾雜及鋼的純凈度控制方面得到了良好的質(zhì)量保證。

表5 試制連鑄工藝重載鐵路貨車軸坯非金屬夾雜物測試結(jié)果

圖8 試樣L1A類非金屬夾雜物照片

圖9 試樣L1D類非金屬夾雜物照片

圖10 試樣M1A類非金屬夾雜物照片

圖11 試樣M1D類非金屬夾雜物照片

2.5 低倍組織檢驗結(jié)果

試制的重載鐵路貨車軸坯低倍組織測試結(jié)果見表6。就連鑄工藝而言，與模鑄工藝最大的差別主要在于連鑄軸坯的壓縮比要小于模鑄工藝的壓縮比，從而影響到鑄坯的內(nèi)部疏松和偏析質(zhì)量，最直觀的體現(xiàn)便是低倍組織檢驗。從檢驗結(jié)果來看，連鑄軸坯橫向酸浸低倍試片上無肉眼可見的縮孔、白點(diǎn)、分層、裂紋、氣泡、夾渣、白亮帶、非金屬夾雜、異金屬夾雜和翻皮等，其一般疏松、中心疏松、偏析均滿足技術(shù)要求，相比較而言也不低于模鑄工藝軸坯低倍質(zhì)量。

表6 試制連鑄工藝重載鐵路貨車軸坯低倍組織檢驗結(jié)果

綜合上述檢驗可以看出，連鑄工藝試制的重載鐵路貨車軸坯各項性能指標(biāo)測試結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求。通過采用連鑄工藝鋼包底部吹氬進(jìn)行脫氣和去除夾雜的初步精煉，采用LF爐加精煉渣進(jìn)行進(jìn)一步精煉處理以及采用RH真空脫氣進(jìn)一步減少鋼液的氣體含量并進(jìn)行化學(xué)成分微調(diào)，不但保證了化學(xué)成分控制的穩(wěn)定性，而且降低了氣體含量，減少了非金屬夾雜，提高了鋼坯潔凈度。同時，在連鑄過程中采用了結(jié)晶器電磁攪拌和動態(tài)輕壓下技術(shù)，改善了結(jié)晶器傳熱，有利于坯殼凝固、均勻生長，擴(kuò)大了連鑄坯等軸晶區(qū)，減少枝狀結(jié)晶連接和小鋼坯的形成，從而減少了鑄坯中心疏松、縮孔和偏析;通過優(yōu)化過熱度，一、二水冷及拉速等工藝參數(shù)，建立合理控制模型，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)自動控制，保證了最佳澆注工藝狀態(tài)，避免人為因素對生產(chǎn)過程的影響，從而保證鑄坯質(zhì)量，滿足了車軸鋼坯內(nèi)部質(zhì)量的要求，另外，采用合適的結(jié)晶器保護(hù)渣則進(jìn)一步提高了鑄坯的表面質(zhì)量［6-7］。

3 結(jié)論

(1)連鑄工藝試制的重載鐵路貨車軸坯化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、非金屬夾雜物以及低倍組織等各項性能指標(biāo)測試結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，且在一定程度上不低于或優(yōu)于模鑄工藝軸坯。

(2)連鑄工藝借助于減輕鑄坯中心缺陷、提高內(nèi)部質(zhì)量的新工藝新方法使得連鑄車軸坯達(dá)到了使用性能要求，同時采用連鑄方式試制的車軸坯還具有潔凈度高、結(jié)晶組織和成分均勻以及表面質(zhì)量好等方面的優(yōu)點(diǎn)。

(3)連鑄技術(shù)在重載鐵路貨車軸坯上的應(yīng)用試驗取得了初步成功，隨著我國車軸鋼坯生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備更新?lián)Q代、連鑄工藝技術(shù)日漸完善的新趨勢以及節(jié)能降耗的新要求，連鑄工藝技術(shù)也將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

［1］ 劉鑫貴，項彬，代云華，等.鐵路貨車連鑄軸坯技術(shù)的研究［C］.2008年快速重載車輛轉(zhuǎn)向架與輪軸學(xué)術(shù)研討會論文匯編.2008:307-312.

［2］ 卜文學(xué)，趙志剛，劉英武.LZ50連鑄車軸研究試制［J］.黑龍江冶金.2013，(02):6-8.

［3］ 秦添艷.連鑄和模鑄軸承鋼性能的比較［J］.熱處理.2012，27(1):42-44.

［4］ 麻曉光，王天瑤，張秀平.采用不同澆注工藝生產(chǎn)JZ35車軸用鋼坯的質(zhì)量評價［J］.世界鋼鐵.2009，(05):37-41.

［5］ 鐵道部運(yùn)輸局.運(yùn)裝貨車［2010］9號.大軸重鐵路貨車用LZ45CrV車軸鋼坯技術(shù)條件［S］.

［6］ 張新林，郝熙敏，李翠紅.采用連鑄大方坯生產(chǎn)JZ35車軸用鋼坯的試制［J］.包鋼科技.2011，(04):14-15.

［7］ 吳毅，劉鑫貴，項彬，等.新材質(zhì)LZ45CrV鐵路貨車車軸鋼坯及車軸研究與試制［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

Experimental Study on Trial-manufacture Axle Billet by Continuous Casting Process for Heavy Haul Railway

WU Yi，LIU Xingui，XU Yajuan，XIANG Bin (Metal and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China)

Railway wagon axle is the key component of train operation.The axle slab is basically formed by using die casting slab to roll.With the progress of continuous casting equipment and technology，the whole quality of continuous casting slab is greatly promoted.Through the application of continuous casting process in trail-manufacturing the axle slab of overloaded railway wagon and relevant experimental study shows that by means of new process and method to reduce the center defects and improve the internal quality of the slab can make it meet the performance requirements of the axle slab，simultaneously the axle slab trail-manufactured by using continuous casting process has the advantages of high steel cleanliness，uniform crystal structure and component and good surface quality，etc.

continuous casting process;heavy haul railway;axle billet;experimental study

U270.6+4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.17

1008－7842(2015)02－0072－04

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2011J005－B)

)男，助理研究員，博士研究生(

2014－11－03)