鍛造鉤尾框用鋼25 Mn CrNiMoA的研發(fā)

供稿|齊峰 / QI Feng

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速。隨著列車車速、載重的提高，列車關(guān)鍵部位零件的質(zhì)量要求也隨之提高。車鉤緩沖裝置是鐵路車輛中具有使車輛與車輛相互連接、牽引及緩和列車運(yùn)行中沖擊力的裝置。鉤尾框是車鉤裝置的重要組成部分，在車輛牽引、連掛和發(fā)生緩沖時(shí)，鉤尾框?qū)⑼瓿绍囕v間縱向力的傳遞，在工作中會經(jīng)常承受巨大的沖擊載荷。傳統(tǒng)的鉤尾框因其形狀復(fù)雜，均采用鑄造生產(chǎn)。但鑄造工件經(jīng)常出現(xiàn)氣孔、砂眼、縮孔、冷隔等缺陷，且鑄造工件致密度低于鍛造工件，其強(qiáng)度、韌性無法滿足高速鐵路列車的需求，若列車行進(jìn)中鉤尾框開裂將會引起嚴(yán)重事故，對鐵路運(yùn)輸安全存在巨大威脅。因此，我國開始使用鍛造鉤尾框代替鑄造鉤尾框。本鋼據(jù)此開始研究采用“轉(zhuǎn)爐→矩形坯連鑄”工藝生產(chǎn)鐵路鉤尾框用鋼，并獲得成功。鍛造工藝生產(chǎn)鉤尾框提高了車鉤緩沖裝置產(chǎn)品質(zhì)量和行車安全，滿足了高速列車的需要。本文重點(diǎn)論述了本鋼采用“轉(zhuǎn)爐→矩形坯連鑄→連軋”生產(chǎn)工藝成功生產(chǎn)出25MnCrNiMoA鉤尾框用鋼的過程。

鍛造鉤尾框生產(chǎn)要求

鍛造鉤尾框結(jié)構(gòu)

鍛造鉤尾框結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜，其成品形貌如圖1所示。

鋼材生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)

為了提高鉤尾框的使用安全性，對制造鉤尾框用材料的有害元素提出了很高的要求。降低有害元素P、S可以提高鉤尾框的強(qiáng)韌性能，控制W、V、Ti等其它殘余元素可以保證鉤尾框性能的穩(wěn)定。

圖1 鍛造鉤尾框結(jié)構(gòu)形貌圖片

為了保證鋼水成分穩(wěn)定，25MnCrNiMoA化學(xué)成分內(nèi)控指標(biāo)被限定在很窄的范圍內(nèi)。

由于鉤尾框經(jīng)常承受極大的沖擊載荷，要求制造材料具有很高的機(jī)械性能。保證材料具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)具有一定的塑性、韌性。

鋼材標(biāo)準(zhǔn)成份及內(nèi)控要求

本鋼參照同行業(yè)其他廠家及鐵路鉤尾框生產(chǎn)行業(yè)技術(shù)、設(shè)備水平，結(jié)合本鋼實(shí)際設(shè)備能力，制定了鉤尾框用鋼25MnCrNiMoA標(biāo)準(zhǔn)。其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分及內(nèi)控要求如表1所示。

表1 25MnCrNiMoA的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和內(nèi)控要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

由表1可見，鋼中碳及合金元素含量內(nèi)控要求范圍較窄，有害殘余元素較低。

鍛造鉤尾框用鋼生產(chǎn)工藝

鋼材生產(chǎn)工藝流程

依據(jù)鉤尾框用鋼25MnCrNiMoA的質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)工藝路線為：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→ LF精煉→RH真空循環(huán)脫氣精煉→矩形坯連鑄（350 mm×470 mm）→鑄坯熱送→鑄坯加熱→800軋機(jī)→φ150 mm～φ162 mm圓鋼→鋼材保溫、檢驗(yàn)、包裝和發(fā)貨。

工藝措施

◆ 鐵水脫硫

鐵水在鐵水脫硫扒渣站，通過噴吹鎂粉和石灰粉進(jìn)行脫硫扒渣處理，鐵水經(jīng)脫硫扒渣后[S]≤0.005%。另外，要求入轉(zhuǎn)爐鐵水溫度≥1300 ℃。

◆ 轉(zhuǎn)爐冶煉

采用180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，鐵水加入量占90%，廢鋼約占10%。控制吹煉終點(diǎn)鋼水碳含量不小于0.10%、磷含量不大于0.015%。出鋼采用擋渣標(biāo)擋渣，控制鋼包渣量。出鋼過程中加復(fù)合脫氧劑脫氧，并對鋼包頂渣進(jìn)行改質(zhì)處理。

◆ LF精煉

在LF工位完成鋼水溫度和化學(xué)成分的調(diào)整、脫氧脫硫及去夾雜等作業(yè)。LF造渣精煉要造出還原渣，在還原渣下保持時(shí)間不小于15 min，全過程鋼包底吹氬攪拌，保證夾雜物充分上浮以保證鋼水純凈。加入合金微調(diào)成分以滿足目標(biāo)成分，鋼水化學(xué)成分和溫度合格后進(jìn)行RH真空處理。

◆ RH真空處理

鋼水在RH工位完成脫氣和進(jìn)一步去夾雜、均勻溫度和成分等作業(yè)。RH真空度不大于100 Pa，脫氣時(shí)間不低于15 min。RH“復(fù)壓”后進(jìn)行鋼包“軟吹氬”操作，“軟吹氬”攪拌時(shí)間不小于15 min，保證鋼水成分溫度均勻，夾雜物有足夠時(shí)間上浮。

◆ 矩形坯連鑄

中間包做好密封，防止鋼水二次氧化和吸氣。為防止鋼材產(chǎn)生“白點(diǎn)”缺陷，控制中間包鋼水[H]≤3×10-6。

中間包鋼水溫度過高，則鑄坯中心疏松加重，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)縮孔；溫度過低則鋼水流動性差，不利于保護(hù)渣的熔化和鋼中夾雜物的去除。為此，中間包鋼水過熱度控制在25±5 ℃范圍內(nèi)。

矩形坯連鑄機(jī)為弧形連鑄機(jī)，四機(jī)四流。采取浸入式保護(hù)澆注，避免澆注過程中大量增氮?？刂崎_澆噸位，合理使用二冷水制度，控制拉速0.5 m/min，保證拉速恒定。開啟結(jié)晶器電磁攪拌器，電磁攪拌電流480 A。開啟凝固末端電磁攪拌，電磁攪拌電流450 A。投入鑄坯輕壓下操作，壓下量為9 mm。

◆ 熱送及軋制

連鑄坯保溫車紅送，并于≥650 ℃進(jìn)行熱裝，不能熱裝入保溫坑進(jìn)行鑄坯保溫。連鑄坯加熱時(shí)采用端進(jìn)端出空氣單預(yù)熱蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐進(jìn)行三段式加熱，保證鋼材均勻透燒。為了保證鋼坯表面質(zhì)量，投入高壓水除鱗裝置去除氧化鐵皮。采用800軋機(jī)進(jìn)行軋制，配備專用孔型，開軋溫度≥1100 ℃，終軋溫度≥900 ℃，端頭采用鋸切。鋼材冷卻到600 ℃以上入保溫坑保溫，保溫時(shí)間≥48 h。鋼材出保溫坑后采用兩輥矯直機(jī)進(jìn)行矯直，保證鋼坯彎曲度滿足用戶要求。

生產(chǎn)實(shí)踐及討論

鋼材化學(xué)成分

該爐25MnCrNiMoA鋼化學(xué)成分實(shí)際控制水平如表2所示。由表2可見，實(shí)際生產(chǎn)的化學(xué)成分全部都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主要元素均控制的內(nèi)控水平，有害元素硫磷也控制在內(nèi)控水平。另外，殘余元素W、V、Ti等及五害元素含量極低，充分顯示了本鋼本地礦石資源的優(yōu)勢。

表2 25MnCrNiMoA鋼化學(xué)成分實(shí)際控制結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鋼材低倍組織

25MnCrNiMoA鋼低倍試片如圖2所示，其低倍組織評級結(jié)果如表3所示。由表3可見，鋼材檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，沒有縮孔、內(nèi)部裂紋及皮下氣泡、皮下夾雜等缺陷。說明連鑄工藝參數(shù)選擇合理（包括結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度，末攪電磁攪拌強(qiáng)度，二冷制度及拉速等），鋼水過熱度保證25±5 ℃等措施改善鑄坯的低倍質(zhì)量。

圖2 25MnCrNiMoA低倍試片

表3 25MnCrNiMoA低倍組織評級

鋼材高倍組織

鋼水經(jīng)LF和RH精煉后純凈度得到了較大提高，為連鑄提供了優(yōu)質(zhì)純凈的鋼水。連鑄采取保護(hù)澆鑄、結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌等措施，促進(jìn)了夾雜物上浮，減輕了偏析。因此，獲得了非金屬夾雜含量較低的25MnCrNiMoA鋼材。其非金屬夾雜評級結(jié)果如表4所示。

表4 非金屬夾雜物

鋼材力學(xué)性能

鋼材力學(xué)性能檢測結(jié)果如表5所示。由表5可見，鋼材的力學(xué)性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢驗(yàn)-40 ℃低溫沖擊性能，為積累數(shù)據(jù)，特增做的-20 ℃、-30 ℃、-50 ℃沖擊檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可見，試制的25MnCrNiMoA鋼材低溫沖擊吸收能量遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且-20～-50 ℃范圍內(nèi)沖擊吸收能量波動范圍小，沖擊性能穩(wěn)定。-50 ℃未達(dá)到韌脆轉(zhuǎn)變溫度，鉤尾框可以在杭冷地區(qū)安全工作[1]。

表6 沖擊檢驗(yàn)結(jié)果

鋼材末端淬透性

末端淬透性檢驗(yàn)J11點(diǎn)，其結(jié)果如表7所示。由表7可見，φ150 mm、φ162 mm兩個(gè)規(guī)格鋼材淬透性穩(wěn)定，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即成分設(shè)計(jì)達(dá)到了要求。

表7 末端淬透性檢驗(yàn)結(jié)果

鋼材使用情況

本鋼首次生產(chǎn)φ150 mm、φ162 mm兩個(gè)規(guī)格總計(jì)150 t 25MnCrNiMoA鉤尾框用鋼并全部發(fā)貨。鉤尾框用鋼在坯料加工成成品鉤尾框后，進(jìn)行了超聲波探傷、磁粉探傷、力學(xué)性能、低溫沖擊、動態(tài)撕裂共計(jì)5大檢驗(yàn)。用戶反饋使用效果良好，本鋼生產(chǎn)的25MnCrNiMoA鋼完全滿足用戶需求。

結(jié)論

（1）本鋼依靠“人參鐵”資源優(yōu)勢生產(chǎn)出的25MnCrNiMoA鉤尾框用鋼不僅P、S含量低（P≤0.010%，S≤0.003%），W、V、Ti之和≤0.02%，鋼的純凈度很高。

（2）本鋼采用“轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH真空循環(huán)脫氣→矩形坯連鑄→連軋”生產(chǎn)的鉤尾框用鋼內(nèi)部質(zhì)量好、強(qiáng)度高、低溫沖擊性能優(yōu)越且穩(wěn)定，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。投放用戶后，加工性能好，鉤尾框成品檢驗(yàn)全部合格，終端產(chǎn)品使用效果良好。

[1] 王玉玲. 鐵道車輛鉤尾框用25MnCrNiMoA鋼研究. 機(jī)械管理開發(fā),2009, 24(5): 99