25MnCrNiMoA鐵道車輛鍛造鉤尾框用圓鋼的開發(fā)與生產(chǎn)

1、前言

我國鐵道部車輛鉤尾框原為鑄造成型，隨著鐵道車輛不斷提速加載，鑄造鉤尾框性能已不能滿足車輛運輸要求，強度、韌性良好的鍛造鉤尾框?qū)⑷《?。鉤尾框是鐵道車輛上的關(guān)鍵配件，25Mn-CrNiMoA鋼為鍛造鉤尾框的專用鋼材牌號。鉤尾框使用條件惡劣，對鉤尾框的機械性能、內(nèi)外部質(zhì)量要求很高，另外，鉤尾框形狀復(fù)雜，熱彎過程中容易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。因此，對生產(chǎn)鉤尾框用的25Mn-CrNiMoA熱軋圓鋼提出了很高的技術(shù)要求。

2、技術(shù)要求

目前，國內(nèi)還沒有關(guān)于25MnCrNiMoA鋼種的相關(guān)標準，萊鋼參照鉤尾框國標及客戶要求，結(jié)合鉤尾框?qū)嶋H工況條件，制定了技術(shù)協(xié)議，主要技術(shù)要求如下。

1）化學(xué)成分要求見表1。

表1：25MnCrNiMoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

2）低倍組織。鋼材不允許有鑄態(tài)組織。疏松、錠形偏析應(yīng)≯2.0級，一般點狀偏析、邊緣斑點狀偏析及皮下氣泡不允許存在，鋼材橫截面酸浸低倍組織試樣上，不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等。

3）非金屬夾雜物按GB/T10561中的方法A及ASTM評級圖評定。A、B、C、D類非金屬夾雜物均≯2.0級。如同一視場中同時出現(xiàn)A、C類夾雜物時，應(yīng)合并評定，且≤2.5級。

4）力學(xué)性能。鋼材經(jīng)過調(diào)制處理，淬火溫度880~930℃，水冷；回火溫度（580±50）℃，水冷。試樣的力學(xué)性能要求：規(guī)定非比例屈服強度Rp0.2≥690MPa，抗拉強度Rm≥850MPa，斷后伸長率A≥14%，斷面收縮率Z≥30%；-40℃沖擊功AkV≥27J。

5）末端淬透性。末端淬火試驗時，按GB/T225標準要求制作試樣，試樣淬火溫度（910±10）℃，時間為（30±5）min。試樣末端淬透性結(jié)果均應(yīng)符合：C≤0.24%時，J11≥30HRC；C為0.25%~0.28%時，J11≥33HRC。

3、生產(chǎn)實踐

根據(jù)技術(shù)要求及生產(chǎn)實際情況，25MnCrNiMoA鋼的開發(fā)采用如下工藝流程：50t電爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→合金鋼連鑄（260mm×300mm）→入坑緩冷→成材（Φ70~Φ150mm）。

3.1、冶煉控制要點

采用電爐冶煉，控制鋼包烘烤溫度≥800℃，控制冶煉鋼水終點［C］≥0.10%、［P］≤0.015%，并且使鋼水的殘余元素含量符合設(shè)計要求。出鋼溫度控制在1650~1670℃，完成鋼液的脫碳脫磷；同時氧化脫碳均勻沸騰，去除鋼中的部分H和N。

采用LF爐精煉，精煉爐送電化渣、調(diào)渣、喂線、攪拌等，進行鋼液的脫氧脫硫、去除夾雜、調(diào)整成分、控制溫度等處理。出鋼前酸熔鋁含量控制在0.03%~0.045%的范圍內(nèi)。

LF爐精煉后進行VD真空處理，將VD爐（真空脫氣爐）內(nèi)的真空度控制為＜67Pa并保持15min以上的時間，以利于真空處理，保證脫氣效果。破空后控制軟吹氬的時間≥10min，從而保證足夠的時間使夾雜物上浮，使成分和溫度均勻。VD真空處理后上鋼溫度為1570~1585℃。

3.2、連鑄控制要點

采用電磁攪拌、恒溫、恒速、恒液面、輕壓下、中間包升降、全保護澆注、動態(tài)弱冷配水模型等技術(shù)，確保鑄坯質(zhì)量符合要求。將結(jié)晶器的液面波動控制在（700±2）mm，中間包的液面波動控制在（800±25）mm，過熱度控制在15~25℃，中間包的溫度控制在（1532±5）℃，拉鋼速度控制在（0.65±0.05）m/min，連鑄坯入坑緩冷時間≥36h。

3.3、軋鋼控制要點

加熱溫度影響軋前奧氏體晶粒度大小，各道次的軋制溫度及終軋溫度影響道次之間及終軋后的奧氏體再結(jié)晶程度及再結(jié)晶后的晶粒大小。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備狀況，參照國內(nèi)化學(xué)成分與之接近的鋼種的溫度控制，制定了該鋼種的加熱制度：加熱溫度1130~1200℃，加熱時間≥2.5h，開軋溫度≥1080℃，終軋溫度≥850℃。鋼材軋后采用堆垛緩冷，控制軋制速度，使之堆垛緩冷溫度達到500℃以上，冷卻至100℃以下方可移出。

4、產(chǎn)品質(zhì)量分析

首輪共試制7爐，軋制成兩個規(guī)格，其中Φ70mm規(guī)格1爐（爐號T211-5471），Φ150mm規(guī)格6爐。每爐取兩個試樣進行機械性能及非金屬夾雜檢驗，檢驗結(jié)果見表2、表3。

表2：鋼材的機械性能

表3：鋼材非金屬夾雜物級別級

火車的啟起、剎車以及速度突然改變時，鉤尾框都會受到?jīng)_擊，剎車愈急，起動愈猛，沖擊力就愈大。通常情況下，材料抵抗沖擊載荷作用的能力用沖擊功Ak值來評定。材料Ak值隨著溫度變化的總趨勢是隨著溫度的降低而降低；當(dāng)溫度降低到到某一數(shù)值時，Ak值急劇下降，鋼材由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種轉(zhuǎn)變即為冷脆轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度稱為冷脆溫度。歷史上由于冷脆而造成火車、船舶等大型結(jié)構(gòu)件脆性斷裂的事故曾在世界各國發(fā)生，造成了巨大的損失。隨著火車運行范圍不斷擴大，零件使用溫度達到-40℃，甚至更低，因此，需要檢測鉤尾框材料的沖擊性能和冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

確定脆性轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）的方法很多，本研究采用能量法及斷口觀察結(jié)合的方法來確定。根據(jù)能量法，取上階能與下階能的1/2所對應(yīng)的溫度，作為脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖1為依據(jù)沖擊試驗平均值做出的脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線。從沖擊功數(shù)值可以看出，下階能為65J，上階能為152J，二者平均值所對應(yīng)的溫度在-50℃左右。根據(jù)斷口形貌確定脆性轉(zhuǎn)變溫度，以斷口中韌脆各占50%時所對應(yīng)的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度。將沖擊試樣的斷口在掃描電鏡上進行觀察，微觀斷口形貌如圖2所示。-40℃時微觀斷口呈現(xiàn)較深的等軸韌窩（見圖2a），說明在斷裂前經(jīng)歷了很大的塑性變形。-60℃時，斷口中出現(xiàn)大部分理石狀解理花樣和小部分準理解小平面，表明斷裂已屬于脆性斷裂（見圖2b）；而當(dāng)溫度降低至-80℃時，斷口呈現(xiàn)明顯的完全解理花樣，證明斷裂達到完全的脆性斷裂（見圖2c）。由此可知，脆性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在-40℃與-60℃之間，結(jié)合能量法所得出的結(jié)論，將脆性轉(zhuǎn)變溫度確定為-50℃。

產(chǎn)品質(zhì)量檢測表明，萊鋼開發(fā)的25MnCrNiMoA鋼機械性能和非金屬夾雜控制均能滿足客戶要求，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，質(zhì)量合格。

5、結(jié)語

通過控制鋼的化學(xué)成分，采用合理的冶煉、連鑄、軋制工藝獲得純凈的鋼質(zhì)和良好的組織，可保證25MnCrNiMoA鋼的沖擊性能，生產(chǎn)出合格的鐵道車輛鉤尾框用鋼，滿足客戶的要求。

材料低溫沖擊試驗表明，萊鋼生產(chǎn)的25Mn-CrNiMoA鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度為-50℃，完全滿足鉤尾框在寒冷地區(qū)的使用要求。鋼的沖擊性能和冷脆性能對材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織非常敏感，如夾渣、氣泡、分層、夾雜物和鍛造、熱處理所造成的缺陷，包括過熱、過燒、回火脆性、淬火及鍛造裂紋等均明顯降低材料的沖擊性能。材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、合金元素及雜質(zhì)對鋼的沖擊性能和冷脆性能影響也很大。因此，通過適當(dāng)調(diào)整成分，采用合理的冶煉、加工及熱處理工藝以獲得純凈的鋼質(zhì)和良好的組織，就能夠提高鋼的沖擊性能和冷脆性能，提高零件的承載能力。目前已形成小批量生產(chǎn)，平均每月生產(chǎn)銷售300t左右，質(zhì)量穩(wěn)定，用戶反映使用情況良好。

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