CN101880838A - 钢及其制成的车钩 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钢及其制成的车钩，包括以下成分：碳，重量百分比为0.24-0.32％；硅，重量百分比为0.20-0.50％；锰，重量百分比为1.30-1.70％；磷，重量百分比为≤0.02％；硫，重量百分比为≤0.02％；铜，重量百分比为≤0.30％；铬，重量百分比为0.50-0.80％；镍，重量百分比为0.40-0.70％；钼，重量百分比为0.25-0.45％；铝，重量百分比为0.02-0.08％；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明提供的钢具有强度高、韧性好的优点，力学性能高于现有的E级钢的标准。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种具有较高力学性能的钢及其制成的车钩。
背景技术
随着工业发展，对钢材料的力学性能要求越来越高。例如：铁路货车在“提速、重载”发展中，铁路货车的总牵引重量大大增加，对货车零部件的制造质量要求也越来越高；车钩作为货车之间的连接部件，在货车运行中承受着较大拉应力及冲击力；车钩的钩舌为货车的薄弱部件，在货车的运行过程中容易发生断裂。钩舌在货车运行过程中的断裂通常为疲劳断裂，而疲劳断裂的产生包括有钩舌的材料韧性较差或材料强度储备不足等原因。
由此，为了满足日益发展的工业需求，如为了提高车钩的疲劳寿命，需要提高钢的强度和韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢及其制成的车钩，以提高钢的力学性能，尤其是提高钢的强度和韧性，并提供一种力学性能好的车钩。
为了实现上述目的，本发明提供一种钢，其包括以下成分：碳，重量百分比为0.24-0.32％；硅，重量百分比为0.20-0.50％；锰，重量百分比为1.30-1.70％；磷，重量百分比为≤0.02％；硫，重量百分比为≤0.02％；铜，重量百分比为≤0.30％；铬，重量百分比为0.50-0.80％；镍，重量百分比为0.40-0.70％；钼，重量百分比为0.25-0.45％；铝，重量百分比为0.02-0.08％；余量为铁及其他不可避免的元素。
其中，所述碳的重量百分比优选为0.25-0.29％，更优选为0.25-0.28％。
所述锰的重量百分比优选为1.35-1.60％，更优选为1.35-1.55％。
所述磷的重量百分比优选为≤0.015％。
所述硫的重量百分比优选为≤0.015％。
所述铝的重量百分比优选为0.02-0.06％，更优选为0.02-0.05％。
为了实现上述目的，本发明还提供一种由本发明提供的钢制成的车钩。
本发明提供的钢及其制成的车钩具有强度高、韧性好的优点，力学性能高于现有的E级钢的标准。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种钢，其包括以下成分：碳，重量百分比为0.24-0.32％；硅，重量百分比为0.20-0.50％；锰，重量百分比为1.30-1.70％；磷，重量百分比为≤0.02％；硫，重量百分比为≤0.02％；铜，重量百分比为≤0.30％；铬，重量百分比为0.50-0.80％；镍，重量百分比为0.40-0.70％；钼，重量百分比为0.25-0.45％；铝，重量百分比为0.02-0.08％；余量为铁及其他不可避免的元素。
其中，碳的重量百分比优选为0.25-0.29％，更优选为0.25-0.28％。锰的重量百分比优选为1.35-1.60％，更优选为1.35-1.55％。磷的重量百分比优选为≤0.015％。硫的重量百分比优选为≤0.015％。铝的重量百分比优选为0.02-0.06％，更优选为0.02-0.05％。
硅的重量百分比优选为0.20-0.40％，更优选为0.21-0.39％。铬的重量百分比优选为0.50-0.65％，更优选为0.50-0.60％。镍的重量百分比优选为0.40-0.60％，更优选为0.40-0.55％。钼的重量百分比优选为0.25-0.35％，更优选为0.25-0.30％。
钢的化学成分，基本决定了钢材料的力学性能；冶炼工艺通过提高钢水的纯净度，降低气体及有害元素的含量，为材料的后续处理提供良好的基础；冶炼工艺后的热处理工艺可以挖掘材料力学性能的最大潜力。因此，要提高钢的力学性能，化学成分是至关重要的。其中，碳、锰是提高材料强度的主要元素；降低有害元素的P、S含量，适当增加镍含量，有利于提高材料的韧性；适当增加锰、铬、钼含量可提高材料的淬透性，同时钼含量增加可更有效抑制材料的回火脆性；控制铝的含量，可在后续的热处理中细化晶粒。
本发明还提供了一种由本发明提供的钢制成的车钩。该车钩具有较高的力学性能，强度高、韧性好，可以承受较大的拉应力和冲击力。该车钩可以应用于多种场景中，例如：应用于铁路货车或铁路客车上。
实验例
本发明提供的钢的实验例1-1～1-10的化学成分参见表1；实验例1-1～1-10的钢的力学性能参见表2。其中，实施例1-1～1-10的热处理工艺为现有的热处理工艺，即调质处理(包括淬火和回火工艺)：淬火温度为910℃，保温时间为2小时，水淬；回火温度为560℃，保温时间为3.5小时，风冷。
表1
表2
由表1和表2可知，本发明提供的钢的力学性能都远高于E级钢，屈服强度比E级钢的标准提高了约20％，抗拉强度比E级钢的标准提高了约13％，冲击功比E级钢的标准提高了约90％，延伸率和断面收缩率也远高于E级钢；其中，冲击功越高，表示钢的韧性越好。
其中，美国AAR(美国铁路协会)M201标准按强度从低到高将钢划分为以下几个等级：A级钢、B级钢、B+级钢、C级钢、E级钢。最高等级为E级钢。
由于具有上述化学成分，本发明提供的钢具有较好的力学性能，强度高、韧性好，力学性能高于E级钢的标准。
为了进一步提高材料的力学性能，本发明的钢材料尤其可以通过以下热处理工艺得到，该热处理工艺包括对冶炼产物进行预备热处理和调质热处理工艺，所述预备热处理为正火处理，调质热处理工艺为淬火和回火处理过程，具体可以包括以下步骤：
步骤1、对钢进行预备热处理，其中，正火温度为900-960℃，保温时间为3-5小时，空冷或风冷；其中，正火温度优选为920-950℃，更优为930-950℃，保温时间优选为3.5-4.5小时，更优为4小时；
步骤2、对步骤1中进行过预备热处理的钢进行淬火处理，淬火温度为900-920℃，保温时间为2-3小时，冷却方式为水淬；
步骤3、对步骤2中进行过淬火处理的钢进行回火处理，回火温度为520-580℃，保温时间为3-5小时，冷却方式为水冷；其中回火温度还可以为550-570℃，或者为530-550℃。
本发明提供的钢经过预备热处理工序，可以消除钢的铸态组织，细化晶粒，为调质热处理做好组织准备；并且在回火处理中采用水冷，消除回火脆性，钢的力学性能得到显著提高。
在对钢进行热处理工艺之前，还包括对钢的冶炼工艺。该冶炼工艺可以采用现有的冶炼工艺，例如可以包括以下步骤：
步骤a1、原材料准备；根据冶炼钢种的成分要求，把冶炼过程中需要的铁合金经称重后，送至电弧炉炉前，同时把各种造渣材料、增碳剂、氧化材料、还原材料统一送至炉前。
步骤a2、装料；把经过切割、分选，尺寸和重量符合装炉要求的废钢，按“大、中、小、轻”互相搭配装入炉料斗中，同时配加增碳剂和部分铁合金，经电瓶车运送加料跨，称重后，分批次装入电弧炉中。
步骤a3、通电熔化；废钢装入电弧炉后，即可通电熔化。采用不同的电流和电压，把电能转为热能，使废钢熔化成钢水。为加快熔化速度，在通电的过程中，还可以采用吹氧助熔的工艺。
步骤a4、氧化；废钢熔化成钢水后，加入造渣材料，使钢水表面覆盖一层炉渣，在钢水温度合适的情况下，加入氧化材料，通过碳和氧的反应，使钢水发生沸腾，去除钢水中的气体。由于钢水发生了沸腾，使得钢水与炉渣充分接触，钢水中有害元素磷则转移到炉渣中。在氧化期间可分2-3次对钢水成分进行检测。在氧化末期，可对钢水包进行烘烤。
步骤a5、扒渣；氧化末期，在成分和温度符合工艺规定的情况下，停电，扒净氧化期的炉渣，以防止有害元素磷再次进入钢水中。
步骤a6、还原；扒净氧化期的炉渣后，送电并迅速加入造渣材料，通过扩散脱氧和沉淀脱氧的方式，去除钢水中氧元素，依据铁合金易氧化的程度不同，按次序把铁合金加入到钢水中。在还原过程中，采用惰性气体搅拌，使钢水发生流动，与炉渣充分接触，钢水中有害元素硫则转移到炉渣中。在脱氧、脱硫、调整钢水成分的同时，也不断的提高钢水的温度，为出钢做好准备。
步骤a7、出钢；在钢水成分合格、钢水温度和钢水包烘烤符合工艺规定、钢水脱氧试验良好的前提下，可以停电出钢。
步骤a8、钢水精练；在出钢的过程中，向钢水包内吹入惰性气体，并保持一定的时间。待出钢结束后，向钢水包内喂入脱氧剂。
为了保证高强度运行车辆的可靠性和安全性，矿石生产厂商对用作车钧的材料的力学性能提出了更高的要求，该要求高于对E级钢的要求，以下将符合该要求的钢称为E+级钢，E+级钢的力学性能的要求参见表3。
表3
如表3所示，E+级钢的力学性能要求高于E级钢，E+级钢的屈服强度、抗拉强度比E级钢的标准提高10％，冲击功比E级钢的标准提高20％。
采用E级钢(实验例2-1～2-10)，并使用现有的热处理工艺，最终得到E级钢件的力学性能参见表4。其中，实验例2-1～2-10中的原料可以为市售的E级钢，也可以为根据E级钢的要求厂家自己生产的E级钢。
表4
其中，现有的得到E级钢件的热处理工艺过程为：淬火处理温度为910℃，保温时间为2小时，水淬；回火温度为560℃，保温时间为3.5小时，风冷。
由表4的数据可知，随着强度(屈服强度和抗拉强度)的提高，E级钢件冲击功(韧性)指标下降并呈现不稳定状态，与E+级钢的要求相比，力学性能合格率仅为50％。
下面使用本发明提供的新成份的钢(实验例3-1～3-10)，经过冶炼工艺后，进行本发明提供的热处理工艺过程，最终得到的钢的力学性能参见表5。
表5
其中，实验例3-1～3-10中钢的具体成分参见表6。
表6
如表5所示，由本发明提供的新成分的钢，通过本发明提供的热处理工艺后形成的钢的力学性能明显高于E+级钢标准要求(尤其是冲击功)，合格率达到100％。与表4所示的现有的E级钢相比，本发明提供的钢的力学性能远高于E级钢。
由表5和表2的数据可知，本发明提供的具有新成分的钢，在经过特殊的热处理过程(表5)后，其力学性能比仅经过现有的热处理过程时明显提高，尤其是在强度没有降低的情况下，大大的提高了冲击功。即本发明提供的具有新成分的钢，在不降低强度，甚至是提高强度的前提下，仍可以提高其韧性。
本发明提供了一种强度高、韧性好的钢材料，该钢材料可以应用在多个方面，例如：用作铁路货车用车钧，以适应铁路货车“提速、重载”的需要。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种钢，其特征在于，包括以下成分：
碳，重量百分比为0.24-0.32％；
硅，重量百分比为0.20-0.50％；
锰，重量百分比为1.30-1.70％；
磷，重量百分比为≤0.02％；
硫，重量百分比为≤0.02％；
铜，重量百分比为≤0.30％；
铬，重量百分比为0.50-0.80％；
镍，重量百分比为0.40-0.70％；
钼，重量百分比为0.25-0.45％；
铝，重量百分比为0.02-0.08％；
余量为铁及其他不可避免的元素。
2.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述碳的重量百分比为0.25-0.29％。
3.根据权利要求2所述的钢，其特征在于，所述碳的重量百分比为0.25-0.28％。
4.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述锰的重量百分比为1.35-1.60％。
5.根据权利要求4所述的钢，其特征在于，所述锰的重量百分比为1.35-1.55％。
6.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述磷的重量百分比为≤0.015％。
7.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述硫的重量百分比为≤0.015％。
8.根据权利要求1所述的钢，其特征在于，所述铝的重量百分比为0.02-0.06％。
9.根据权利要求8所述的钢，其特征在于，所述铝的重量百分比为0.02-0.05％。
10.一种由权利要求1-9任一所述的钢制成的车钩。
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