連鑄車軸坯LZ50鋼研制與生產(chǎn)

姚鳳祥，白廣成

(北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

鐵路貨車車軸是車輛承受動載荷的關鍵零件，主要承受彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷或彎扭復合載荷，并受到一定沖擊。所以，車軸鋼研制要保證車軸在工作中不發(fā)生因疲勞、彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉伸應力而斷裂，重點是防止車軸的疲勞裂紋。連鑄LZ50車軸鋼是在模鑄LZ50車軸鋼基礎上，提出了更高的性能指標，進一步降低制造成本，保證車軸具有良好的強度，特別是考慮彎扭復合疲勞強度及韌性。

1 車軸鋼坯成分設計與過程控制

1.1 最佳成分選擇

研制過程中針對提高的力學性能和韌性指標，通過控制C、Mn質(zhì)量分數(shù)和加入Cr、V等微合金元素的方法，科學配制連鑄LZ50車軸鋼坯化學成分，降低了可逆氫，提高了材料的晶粒度級別、力學性能和超聲波透聲合格率。

1.2 精煉冶金工藝控制

在LF初期預脫氧精煉過程，過程擴散和沉淀脫氧同時進行，VD脫氣時真空度小于67Pa下保持時間大于20min，破空后保證軟吹氬時間，減少成分偏析。

1.3 連鑄過程控制

連鑄過程嚴格控制鋼水過熱度及拉速;采用φ650mm連鑄坯生產(chǎn)工藝，5.3的軋制比與國內(nèi)同類鋼廠4.5的軋制比相比較，致密度得到提高，同時提高了生產(chǎn)組織效率和成材率，有效地降低成本。

1.4 軋制過程控制

連鑄坯加熱過程增加高溫擴散時間，軋制過程控制軋制溫度及軋制節(jié)奏，保證鋼的晶粒細化進而保證力學性能指標。

2 結(jié)果與分析

2.1 LZ50車軸鋼坯檢驗結(jié)果

車軸鋼坯檢驗結(jié)果見表1～表5及圖1、圖2。

2.2 合金元素對晶粒度影響的研究

將1402×300mm的試樣，經(jīng)過850℃正火，從拉伸試樣未變形的大頭端，垂直于軸線的橫截面上截取，采用4%硝酸酒精溶液浸蝕。晶粒度評級執(zhí)行GB/T6394－2002。

表1 鋼的主要化學成分控制(wt%)

表2 低倍指標與實際檢驗結(jié)果

表3 機械性能指標與實際檢驗結(jié)果

表4 非金屬夾雜物、晶粒度指標與實際檢驗結(jié)果

表5 氣體含量指標與實際檢驗結(jié)果

圖1 250mm×250mm低倍組織

2.2.1 鋁對晶粒度的影響

圖2 250mm×250mm晶粒度7級(×100)

鋁能提高鋼的本質(zhì)晶粒度，提高晶粒粗化的溫度，對鋁的不同結(jié)合狀態(tài)(Al2O3、AlN和固溶Al)對晶粒度的影響進行了研究，見圖3。由圖3看出，鋼中殘余Al質(zhì)量分數(shù)在0.020%以上時，晶粒更加細化，此數(shù)據(jù)值正好與依據(jù)鋼中形成AlN的化學反應式計算得到的AlN中［Al］的飽和值0.020%相一致。當Al的質(zhì)量分數(shù)低于0.020%時，LZ50正火加熱時晶粒極易粗化，800℃即有粗晶出現(xiàn)，這種情況會使車軸不可避免地在正火溫度860℃下出現(xiàn)粗晶組織，原因是鋼中含Al量太低，因而形成的能阻止奧氏體晶粒長大的AlN較少。因此，標準規(guī)定鋁質(zhì)量分數(shù)大于0.020%，目的是使鋼中形成足夠的細小彌散分布的難熔化合物AlN。

2.2.2 微量元素V對晶粒長大的影晌

1402×300mm試樣，經(jīng)850℃正火后的奧氏體晶粒度一般為5～6級，但車軸經(jīng)過兩次正火、一次回火后，常常出現(xiàn)混晶的問題。所以，有必要進行V微合金化進行研究。表6中列出1號樣(不含V)和2號樣(含V 0.04%)，經(jīng)850℃、860℃、900℃、920℃正火后的奧氏體晶粒度變化情況。

圖3 LZ50鋼坯鋁質(zhì)量分數(shù)與晶粒度關系圖

表6 不同含V質(zhì)量分數(shù)的晶粒度對比(級)

由上表可以看出，1號樣正火加熱保溫溫度850～860℃時晶粒度為6級，正火加熱保溫溫度升高至900℃時晶粒度開始粗化－混晶，見圖4。細化晶粒和提高晶粒開始粗化溫度的化合物主要是AlN。2號樣(含V0.04%)好于1號樣，正火加熱保溫溫度850～920℃時晶粒度都為7級，這是因為鋼中彌散的VN，與AlN一起阻止奧氏體晶粒長大，使奧氏體晶粒的粗化溫度提高到了920℃以上，因此添加微量元素V是完全必要的，見圖5。

圖4 1號樣(不含V)900℃正火晶粒度3－6級混晶

圖5 2號樣(含V)900℃正火晶粒度7級

2.2.3 氮質(zhì)量分數(shù)與車軸坯晶粒度的關系

爐料在生鐵或鐵水比例≥35%的情況下，工藝采用EBT+LF+VD路線，會使高檔車軸坯氮質(zhì)量分數(shù)波動在50～100ppm，當鋼中氮質(zhì)量分數(shù)在55～75ppm之間時，晶粒度級別最高，見下圖6。

圖6 氮質(zhì)量分數(shù)與晶粒度對應關系

氮質(zhì)量分數(shù)在55～75ppm之間，可以使LZ50鋼產(chǎn)生足夠多的細小分散AlN顆粒，它能阻止奧氏體晶粒在加熱過程中長大，因而得到了細晶粒的奧氏體鋼使鋼的塑性提高。但當?shù)|(zhì)量分數(shù)超過75ppm時，隨著AlN顆粒增多，部分顆粒以細碎的分子狀態(tài)析出，導致晶粒度級別和塑性略有下降。

2.3 氧化鋁類夾雜及元素C、Mn與車軸坯徑向探傷質(zhì)量研究

目前的精煉工藝會使高檔車軸坯氧質(zhì)量分數(shù)≤15ppm，如果從脫氧和細化晶粒的角度考慮，與之平衡的Al質(zhì)量分數(shù)在0.020%～0.035%比較合適，當Alt質(zhì)量分數(shù)＞0.035%時會隨著Al質(zhì)量分數(shù)的增加，氧化鋁類的夾雜也隨之增加，導致鋼坯按照SEP1921標準探傷時，D/d級檢驗達標率會相應下降，見圖7。

圖7 LZ50軸坯Al質(zhì)量分數(shù)與超聲探傷關系圖

為使連鑄LZ50軸坯為獲得良好的低倍質(zhì)量，確保軸坯超聲波探傷質(zhì)量達到SEP 1921 D/d級標準，鋼中的Al質(zhì)量分數(shù)應控制在0.020%～0.035%范圍內(nèi)。

2.4 鋼中Al質(zhì)量分數(shù)與氧質(zhì)量分數(shù)的關系

LZ50鋼連鑄車軸坯冶煉工藝路線為轉(zhuǎn)爐+LF+VD，鋼水和鋼渣脫氧良好、終脫氧Al在真空前喂入、連鑄坯采用氬氣保護澆注的條件下，鋼中Al質(zhì)量分數(shù)控制在0.020%～0.035%之間，可以保證LZ50連鑄車軸坯氧質(zhì)量分數(shù)≤20ppm，如圖8所示。

圖8 鋼中鋁含量與氧含量關系

2.5 鋼中添加Cr質(zhì)量分數(shù)的必要性

研究發(fā)現(xiàn)，適當降低C、Mn質(zhì)量分數(shù)，添加Cr等與碳化物相結(jié)合力強的元素，有效控制Fe3C穩(wěn)定性差的問題，使鋼抗非可逆氫能力增強，解決了過去LZ50高溫條件下易在疏松區(qū)域與氫發(fā)生Fe3C+4H=CH4+3Fe脫碳反應、心部常伴有氫脆裂紋(車軸軸向探傷合格率較低)的技術(shù)難題。提高了材料的晶粒度級別、綜合力學性能和超聲波透聲合格率。見表7。

表7 Cr質(zhì)量分數(shù)與探傷合格率

3 結(jié)論

(1)在研究鋼材晶粒粗化機理基礎上，運用微合金細化晶粒理論，在符合《連鑄工藝生產(chǎn)鐵道車輛車軸用LZ50鋼坯技術(shù)條件(暫行)》的要求基礎上完成連鑄LZ50車軸鋼坯成分優(yōu)化設計，制定出成熟的冶煉、軋制工藝，提高鋼水純凈度，保證車軸鋼坯內(nèi)在質(zhì)量，顯著提高了材料的晶粒度和力學性能。

(2)Al的質(zhì)量分數(shù)控制在0.020%～0.035%范圍，LZ50連鑄車軸坯氧質(zhì)量分數(shù)可達到≤20ppm，且可形成足夠的細小彌散分布的難熔化合物AlN。

(3)氮質(zhì)量分數(shù)在55～75ppm之間，可以使LZ50鋼產(chǎn)生足夠多的細小分散AlN顆粒，能阻止奧氏體晶粒在加熱過程中長大，從而得到細晶粒的奧氏體鋼。