一种利用钢中第二相改善车轮钢白点敏感性的方法

摘要

一种利用钢中第二相改善车轮钢白点敏感性的方法，属于新材料冶金技术领域。本发明主要通过选择、添加合适的微量合金元素，通过控制轧制工艺，使钢中析出细小弥散的第二相颗粒。钢液经VD从除气后，连铸浇铸前首先将钢中酸溶铝Als提高到0.025~0.030wt%；搅拌后再通过添加合金元素将Ti提高到0.015~0.025wt%、合金元素V提高到0.015~0.025wt%。随后车轮钢在1180-1250℃控制轧制，可使N与Ti和V进一步反应生产纳米级TiN和VN析出，形成氢陷阱，同时细化晶粒，增加晶界比例，抑制白点形成。本发明使车轮钢形成白点的临界氢浓度升高，白点敏感性下降。并且不降低车轮钢的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及车轮钢组织的改善，特别涉及采用第二相析出作为钢中残余氢的陷阱， 改善其白点敏感性综合性能，属于新材料冶金技术领域。

背景技术

车轮是列车运行的重要部件，车轮的性能和质量关系着列车的运行安全，特别是 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。车轮钢中的白点是危害车轮安全运行的缺陷之一，是车轮和轮箍中所不允 许出现的。白点是钢中残留的氢引起的，传统上认为，当钢中氢浓度低于2ppm是， 白点不再出现，随着冶金技术中去氢能力的提高，在相当长的时间内，白点问题不再 受关注。但随着钢铁生产工艺的发展，尤其是连铸代替模铸，以及钢结晶化程度的提 高。白点问题用不断出现。近年来，国内外均发生过因车轮钢中白点引起的事故。如 1998年3月21日英国一个运行仅4500英里的车轮发生断裂，分析表明车轮钢断裂是 由于氢致裂纹(白点)在疲劳作用下裂纹扩展导致的。因此，消除车轮中的白点成了 车轮生产厂和使用者共同关心的问题。

解决白点问题可以有不同的方法，首先是降低钢中的氢浓度。降低钢中氢浓度的 方法一种是利用真空除气系统降低钢液中的氢浓度，但该方法的成本较高，如一台 RH(循环脱气)脱气装置要数亿元投资。另一种是通过热处理进一步降低钢中的氢 浓度，由于车轮截面较大，通过热处理使氢大部分扩散处车轮需数小时甚至十数小时， 不仅消耗大量能量，而且影响车轮的生产周期。因此如能使钢中的白点敏感性降低， 即车轮在氢浓度相对较高的情况下也不会出现白点，这样就会大大降低车轮的生产成 本，并且提高车轮的安全性。

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，在车轮钢的凝固和轧制过程 中形成一定数量和分布的第二相质点，成为钢中氢的聚集点(氢陷阱)，使钢中的氢 均匀分散于钢中的这些氢陷阱中，而不发生聚集，从而不形成白点。

第二相以及第二相与基体的界面往往都是钢中的氢陷阱，晶界也是钢中的氢陷 阱，也就是在这些位置，与正常晶格相比，具有更高的氢结合能和氢的溶解度。因此， 氢会向这些位置扩散并聚集。当钢中初始残留的氢浓度一定时，如果钢中的第二相较 少，氢就会向这些少量的位置聚集，导致该位置的氢浓度大大升高，当氢浓度达到一 个临界值时，就会形成氢致开裂，氢致裂纹进一步扩展就会形成宏观可以观察到的白 点；而如果钢中的第二相较多且分布均匀时，氢就会分散聚集在这些第二相处，因此 每个第二相处的氢浓度就会相对降低，避免氢浓度达到临界值，从而不会形成白点。

在炼钢实践中，TiN和VN是常用的第二相强化粒子。适当加入Ti和V合金，在 控制O和N的条件下，在一定的生产工艺下，钢中会析出纳米级TiN和VN第二相 颗粒，这些第二相如果均匀弥散的分布在钢中，不仅可以起到钢的强化作用，还会细 化晶粒，提高钢的综合性能。晶粒细化后，晶界所占的比例增加，使晶界所能容纳的 氢量增加，也减少了白点发生的几率。

钢中的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。

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，析出相不仅 与钢液中合金元素含量、钢液中残余的C、N和O等含量有关，而且与钢的热处理制 度有关。

一种利用钢中第二相改善车轮钢白点敏感性的方法，浇注前钢中元素含量为：C： 0.45～0.60wt％，Si：0.2～1.2wt％，Mn：0.7～1.2wt％，P：0.0030～0.0050wt％，S： 0.005～0.008wt％，Ti：0.015～0.025wt％，Als：0.025～0.030wt％，V：0.015～0.025wt％， O：≤25ppm，N：40-65ppm，其余为Fe；实施方法为：VD从除气后、连铸浇铸前 首先将钢中酸溶铝Als提高到0.025～0.030wt％；搅拌后再通过添加合金元素将Ti提 高到0.015～0.025wt％、合金元素V提高到0.015～0.025wt％。加入的Al首先与O和N 反应，控制钢中残余O和N的含量，同时阻止N与Ti的反应生产大尺寸夹杂物，加 入的Ti和V在浇铸过程中形成碳氮化物第二相。随后车轮钢在1180-1250℃控制轧制， 可使N与Ti和V进一步反应生产纳米级TiN和VN析出，形成氢陷阱，同时细化晶 粒，增加晶界比例，抑制白点的形成。同时不会降低车轮钢的力学性能。

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，也不影响车轮钢性能的情况下降低车轮钢的白点敏感性。另一方面，合金元素少 而廉价，加入量容易控制，不增加生产成本。

附图说明

图1为实施例1的透射电子显微镜照片。

图2为实施例2的透射电子显微镜照片。

图3为实施例2(图2)中第二相的局部放大透射电子显微镜照片。

图4为实施例图3中第二相的电子能谱分析结果，显示为TiN颗粒。

表2为实施例1、2、3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。其性能检 测结果见表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。

按照GB7314-1987进行测试获得的常温拉伸性能如表2所示。表2中也列出了不同 材料出现白点的临界氢浓度。由表可见，与实施例1相比，实施例2、3试样的出现白点 的临界氢浓度明显升高，且拉伸性能基本没有变化。

综上所述，本发明可以使车轮钢的白点敏感性明显下降，并且有对车轮钢的力学性 能没有不良影响。

表1

表2