一种低碳偏析、高致密性铁路车轴钢及其制造方法与流程

本技术属于铁基合金，具体涉及一种低碳偏析、高致密性的轴类钢及其制造方法。

背景技术：

1、铁路车轴钢坯是铁路货车、机车、城铁、高铁等常用的关键钢种之一，对铁路车辆的载重能力和行车速度都具有重要影响，质量要求高，行业门槛高。

2、铁路货车车轴采用中碳优质碳素钢，除钢中的磷、硫等杂质元素及残余元素外，不含其它作为合金元素有意加入的元素，在生产过程中既要保证化学成分，又要保证力学性能，车轴钢的性能主要取决于含碳量，含碳量的增加、钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。所以，车轴钢必须具备均匀的组织，才能满足车轴对强韧性的要求。其中，对组织均匀性的影响最大的指标之一就是碳偏析。

3、中国专利公开号cn108342647a的专利文献公开了一种铁路车辆用车轴钢及其生产方法，钢的元素成分(wt.％)为：c：0.33-0.38％，si：0.15-0.40％，mn：0.90-1.05％，p≤0.020％，s≤0.020％，v：0.03-0.05％，als：0.015-0.035％，n：0.004-0.090％，钢水中稀土元素re的加入量为0.020-0.050%，其余为fe和不可避免的杂质元素。

4、中国专利公开号为cn114130976a的专利文献公开了一种车轴钢大圆坯中心致密性的提升方法，公开的生产工艺流程涉及：生产工艺依次经过电炉冶炼、精炼、真空脱气、大圆坯连铸和铸坯缓冷的连铸工艺设计思路。采用三段式电磁搅拌避免凝固穿晶现象发生，增加中心等轴晶比例，增强补缩效果，将原本凝固收缩产生的大尺寸缩孔分散至中心等轴晶区域内，改善中心质量；将凝固末端压下技术首次应用到大圆坯连铸，起到直接压合缩孔的效果，显著提升了铸坯的中心致密性。

5、中国专利公开号为cn115637310a的专利文献公开了一种提高车轴产品质量的工艺改进方法，包括在精炼后控制钢水中al含量为0.020-0.035%；在精炼白渣后加入钛铁约120kg，确保成品ti控制在0.020-0.025%；在连铸工序中降低结晶器内的冷却强度；在末端电磁搅拌位置提高凝固末端电磁搅拌的搅拌强度。该提高车轴钢产品质量的工艺改进方法能够更好地保证lz50车轴坯的晶粒度质量和探伤质量。

6、但现有技术中关于抑制连铸钢中碳偏析的研究较少，在面对连铸钢中的碳偏析现象，目前还没有一个有效的控制方法。

技术实现思路

1、本技术的目的是要提供一种铁路车轴钢及其制造方法，所述钢的c含量为0.33-0.38%，其具有低碳偏析、高致密性的特点，方案的关键是要获得一种低碳偏析的连铸坯。

2、本技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种低碳偏析、高致密性铁路车轴钢，其特征在于：以fe为基础元素，且还包含如下质量百分比的化学成分，c：0.33-0.38％；si：0.10-0.40％；mn：0.80-1.10％；s：≤ 0.015%；p：≤0.015%；cr：≤0.30%；al：0.010-0.040%；v：0.020-0.10％； n：0.003-0.009％；和不可避免的杂质元素。

3、本技术方案中p元素作为不可避免的杂质，也是钢中的有害元素，理论上是越低越好，在本技术方案中优选将p元素的含量控制在0.010％以下。

4、以下对本技术中所含成分的作用及用量设置作具体说明：

5、c：c是钢中最基本的元素，也是最经济的强化元素，通过固溶强化并配合碳化物形成元素的析出强化，提高钢的强度，但c含碳量越高，钢的硬度就越高，会对钢的塑、韧性带来不利影响。本技术c含量的范围确定为0.33～0.38%。

6、si：si可以作为脱氧元素，也是基本的固溶强化元素、提高淬透性。但是si含量过高增加了铁素体的脆性，使钢中的过热敏感性、裂纹敏感性增大。一般来说，镇静钢中的含硅量不超过0.5%，对钢性能影响不大。本技术si含量的范围确定为0.10-0.40%。

7、mn：mn是钢的固溶强化元素，能显著提高钢的淬透性，强化钢的基体和细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度，且锰合金又较价廉易取，是高强度级别钢设计中的优选元素。本技术mn含量范围确定为0.80～1.10%。

8、s:为适应铁路运输向高速发展，车轴钢必须降低硫含量，减少钢中夹杂物以净化钢水纯净度，本技术s含量范围确定为≤0.015%。

9、p：p能强化铁素体提高强度，但是同时会导致塑性降低，引起冷脆。对于冷锻用钢来说，p促进钢的延迟断裂和收缩率，本技术设计控制p≤0.015%。

10、v：v是重要的析出强化元素，适量添加v含量可以在不影响塑韧性的情况下，在铁素体中的析出物能够大幅度地提高钢材料的强度，不过，添加太多的v就会增加合金添加成本，为此，在本技术v含量的控制范围为0.020-0.10％。

11、al、n：n与合金元素al生产氮化物和氮碳化物，将晶粒细化，进而通过析出强化来提高钢的强韧性基于此，但是过高的al会给钢中带来氧化物类夹杂。因此，设置al含量范围为0.010-0.040%；n的含量控制在0.003-0.009％。

12、本技术的另一目的是提供一种制造上述低碳偏析、高致密性铁路车轴钢的方法，包括：

13、步骤一、钢水冶炼：按照化学成分冶炼钢水，依次经kr铁水预处理、转炉冶炼、lf精炼、rh精炼。

14、步骤二、铸造钢坯：采用连铸工艺将钢水浇铸成坯，连铸过程控制冷却比水量、铸流电磁搅拌、轻压下量以改善连铸坯的碳偏析。

15、步骤三、热轧成型：连铸坯入炉加热保温使钢中的合金元素充分固溶，组织完全奥氏体化，保温完成后，进行表面除鳞处理，然后进行方坯轧制，开轧温度在1000 ～ 1150℃，采用大压下轧制，总压缩率≥70%，总共轧制7~9道次，平均道次压缩比12~18%，最大单道次压下率≥18~30%，保证单道次压下量在30mm以上，以保证连铸坯心部缺陷被充分弥合。为了改善方坯中心疏松情况，本技术采用大压下的方式进行轧制生产。连铸坯通过匹配不同道次的压缩比，改善了钢材内部质量。

16、步骤四、缓冷：轧至成品尺寸后快速下冷床入坑缓冷，确保入坑方坯温度≥500℃，时坯料无白点缺陷。

17、步骤五、将冷却至室温的钢材，进行矫直、倒棱，保证端部质量和弯曲度，然后进行超声探伤，探伤不合格产品报废，确保产品质量。

18、进一步地，步骤二，连铸时研究铸流冷却、电磁搅拌、轻压下对铸坯碳偏析的影响：

19、（1）通过提高二冷区比水量，参数设定在0.18~0.30l/kg，采用结晶器足辊水强冷，提高足辊喷嘴流量，强化初生坯壳快速均匀生长，抑制早期柱状晶过度生长；铸流中段平缓冷却，控制铸坯表面回温≤100℃/m，避免局部急冷造成坯壳厚度剧烈波动，凝固末端弱冷（如水雾冷却），避免两相区急冷诱发内部裂纹。适度提高铸流整体冷却强度，缩小铸坯液芯长度，确保在末端电磁搅拌位置处液芯长度控制在100~160mm长度，抑制碳溶质在凝固前沿的选分富集；同时均匀坯壳生长速度，减少柱状晶连续贯通形成的溶质输送通道，搭配中间包感应加热稳定钢水过热度 15~30℃。

20、（2）创新设计低频、低电流电磁搅拌，提升铸流表层等轴晶比例，缩小横截面碳含量极差，结晶器频率控制在0.3~0.7hz、电流控制在50~200a；凝固末端再降低电磁强度，频率控制在1.5~3.0hz，电流控制在150~300a，适度搅拌破碎凝固桥，将中心大尺度碳偏析带拆解为弥散细小偏析点，同时推动溶质均匀扩散，降低 1/2 半径位置碳含量与熔炼基准的偏差。

21、（3）铸流采用多段连续渐进式轻压下，在中心固相率fs=0.3~0.6时开始实施轻压下，总压下量18mm，采用多辊小压下量连续施加，前4台拉矫机单台压下量控制在2mm以内，第5台拉矫机开始单台压下量控制在3~5mm，直至达到总压下量。前段采用小压下量，避免中间裂纹，后段大压下量，补偿凝固收缩，阻止高碳富集区向铸坯中心汇集。

22、通过连铸期间冷却强度、电磁搅拌、轻压下的协同作用，通过控制冷却比水量控制坯壳生长速率，控制液芯长度，结晶器电磁搅拌提升表层等轴晶比例，凝固末端低频低电流电磁搅拌破碎凝固桥，降低铸坯1/2半径及中心偏析；轻压下对铸流中心液相区进行渐进式凝固补偿收缩，通过前后段压下量分配，阻断富集溶质向中心聚集，减轻中心偏析带。

23、进一步地，步骤二，连铸完成后，连铸坯下坑缓冷，避免因应力不均而开裂，连铸坯冷却至100～300℃出坑。

24、进一步地，步骤三，连铸坯轧前加热至1150～1250℃，加热时间3～5小时，使钢中的合金元素充分固溶，发挥其合金化作用，保证最终产品的成分及性能。

25、与现有技术相比，本技术的优点在于： 本技术制造的车轴钢具有低碳偏析、高致密性的特点。本技术钢材同一截面上最大c含量与最小c含量的差不能超过0.05%，且二分之一半径偏析位置与熔炼c含量的偏差不超过0.03%，采用连铸坯热轧成型，通过强压下轧制，保证连铸坯心部缺陷充分弥合，在相同的连铸坯质量条件下，心部探伤合格率提升了5%，一般疏松≤2.0，中心疏松≤2.0，锭型偏析≤2.0。