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莱钢特钢锻造钩尾框用25MnCrNiMoA圆钢（化学成分机械性能）的开发
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-04-19
钩尾框是铁道车辆上的关键配件，25Mn-CrNiMoA钢为锻造钩尾框的专用钢材牌号。钩尾框使用条件恶劣，对钩尾框的机械性能、内外部质量要求很高，另外，钩尾框形状复杂，热弯过程中容易出现裂纹现象。因此，对生产钩尾框用的25Mn-CrNiMoA热轧圆钢提出了很高的技术要求。
1、前言
我国铁道部车辆钩尾框原为铸造成型，随着铁道车辆不断提速加载，铸造钩尾框性能已不能满足车辆运输要求，强度、韧性良好的锻造钩尾框将取而代之。钩尾框是铁道车辆上的关键配件，25Mn-CrNiMoA钢为锻造钩尾框的专用钢材牌号。钩尾框使用条件恶劣，对钩尾框的机械性能、内外部质量要求很高，另外，钩尾框形状复杂，热弯过程中容易出现裂纹现象。因此，对生产钩尾框用的25Mn-CrNiMoA热轧圆钢提出了很高的技术要求。
2、技术要求
目前，国内还没有关于25MnCrNiMoA钢种的相关标准，莱钢参照钩尾框国标及客户要求，结合钩尾框实际工况条件，制定了技术协议，主要技术要求如下。
1）化学成分要求见表1。
表1：25MnCrNiMoA钢化学成分（质量分数）%
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C
|
Mn
|
Si
|
P
|
S
|
Cr
|
Ni
|
Cu
|
Mo
|
|
0.24~0.28
|
1.20~1.50
|
0.20~0.40
|
≤0.020
|
≤0.020
|
0.40~0.60
|
0.35~0.55
|
≤0.15
|
0.20~0.30
|
2）低倍组织。钢材不允许有铸态组织。疏松、锭形偏析应≯2.0级，一般点状偏析、边缘斑点状偏析及皮下气泡不允许存在，钢材横截面酸浸低倍组织试样上，不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹等。
3）非金属夹杂物按GB/T10561中的方法A及ASTM评级图评定。A、B、C、D类非金属夹杂物均≯2.0级。如同一视场中同时出现A、C类夹杂物时，应合并评定，且≤2.5级。
4）力学性能。钢材经过调制处理，淬火温度880~930℃，水冷；回火温度（580±50）℃，水冷。试样的力学性能要求：规定非比例屈服强度Rp0.2≥690MPa，抗拉强度Rm≥850MPa，断后伸长率A≥14%，断面收缩率Z≥30%；-40℃冲击功AkV≥27J。
5）末端淬透性。末端淬火试验时，按GB/T225标准要求制作试样，试样淬火温度（910±10）℃，时间为（30±5）min。试样末端淬透性结果均应符合：C≤0.24%时，J11≥30HRC；C为0.25%~0.28%时，J11≥33HRC。
3、生产实践
根据技术要求及生产实际情况，25MnCrNiMoA钢的开发采用如下工艺流程：50t电炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→合金钢连铸（260mm×300mm）→入坑缓冷→成材（Φ70~Φ150mm）。
3.1、冶炼控制要点
采用电炉冶炼，控制钢包烘烤温度≥800℃，控制冶炼钢水终点［C］≥0.10%、［P］≤0.015%，并且使钢水的残余元素含量符合设计要求。出钢温度控制在1650~1670℃，完成钢液的脱碳脱磷；同时氧化脱碳均匀沸腾，去除钢中的部分H和N。
采用LF炉精炼，精炼炉送电化渣、调渣、喂线、搅拌等，进行钢液的脱氧脱硫、去除夹杂、调整成分、控制温度等处理。出钢前酸熔铝含量控制在0.03%~0.045%的范围内。
LF炉精炼后进行VD真空处理，将VD炉（真空脱气炉）内的真空度控制为＜67Pa并保持15min以上的时间，以利于真空处理，保证脱气效果。破空后控制软吹氩的时间≥10min，从而保证足够的时间使夹杂物上浮，使成分和温度均匀。VD真空处理后上钢温度为1570~1585℃。
3.2、连铸控制要点
采用电磁搅拌、恒温、恒速、恒液面、轻压下、中间包升降、全保护浇注、动态弱冷配水模型等技术，确保铸坯质量符合要求。将结晶器的液面波动控制在（700±2）mm，中间包的液面波动控制在（800±25）mm，过热度控制在15~25℃，中间包的温度控制在（1532±5）℃，拉钢速度控制在（0.65±0.05）m/min，连铸坯入坑缓冷时间≥36h。
3.3、轧钢控制要点
加热温度影响轧前奥氏体晶粒度大小，各道次的轧制温度及终轧温度影响道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及再结晶后的晶粒大小。结合现场生产设备状况，参照国内化学成分与之接近的钢种的温度控制，制定了该钢种的加热制度：加热温度1130~1200℃，加热时间≥2.5h，开轧温度≥1080℃，终轧温度≥850℃。钢材轧后采用堆垛缓冷，控制轧制速度，使之堆垛缓冷温度达到500℃以上，冷却至100℃以下方可移出。
4、产品质量分析
首轮共试制7炉，轧制成两个规格，其中Φ70mm规格1炉（炉号T211-5471），Φ150mm规格6炉。每炉取两个试样进行机械性能及非金属夹杂检验，检验结果见表2、表3。
表2：钢材的机械性能
|
炉号
|
Rp0.2/MPa
|
Rm/MPa
|
A/%
|
Z/%
|
-40℃AkV/J
|
J11/HRC
|
|
T211-5471
|
770
|
890
|
16
|
39
|
150
|
38.1
|
|
T211-5472
|
900
|
1020
|
15
|
56
|
152
|
41.4
|
|
T211-5473
|
895
|
1015
|
15
|
59
|
148
|
41.2
|
|
T211-5474
|
890
|
1015
|
15
|
60
|
153
|
36.0
|
|
T211-5475
|
890
|
1010
|
15
|
59
|
151
|
39.0
|
|
T211-5476
|
900
|
1015
|
15
|
59
|
149
|
36.6
|
表3：钢材非金属夹杂物级别级
|
炉号
|
A类
|
B类
|
C类
|
D类
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||||
|
粗系
|
细系
|
粗系
|
细系
|
粗系
|
细系
|
粗系
|
细系
|
|
|
T211-5471
|
0.5/0
|
1.5/1
|
0/0
|
0.5/1
|
0/0
|
0/0
|
0/0
|
0/0.5
|
|
T211-5472
|
0/0
|
1/1
|
0/0
|
0.5/0.5
|
0/0
|
0/0
|
0/1
|
0.5/1
|
|
T211-5473
|
0/0
|
1/1
|
0/0.5
|
0/0.5
|
0/0
|
0/0
|
0.5/1
|
0.5/0.5
|
|
T211-5474
|
0.5/1
|
1/1
|
0/0.5
|
0/0.5
|
0/0
|
0/0
|
0.5/1
|
0/0.5
|
|
T211-5475
|
0/0
|
1/1
|
0/0
|
0.5/0.5
|
0/0
|
0/0
|
0.5/1
|
0.5/0.5
|
|
T211-5476
|
0.5/1
|
1/1
|
0/1
|
0/1.5
|
0/0
|
0/0
|
0.5/1
|
0.5/1
|
火车的启起、刹车以及速度突然改变时，钩尾框都会受到冲击，刹车愈急，起动愈猛，冲击力就愈大。通常情况下，材料抵抗冲击载荷作用的能力用冲击功Ak值来评定。材料Ak值随着温度变化的总趋势是随着温度的降低而降低；当温度降低到到某一数值时，Ak值急剧下降，钢材由韧性断裂变为脆性断裂，这种转变即为冷脆转变，转变温度称为冷脆温度。历史上由于冷脆而造成火车、船舶等大型结构件脆性断裂的事故曾在世界各国发生，造成了巨大的损失。随着火车运行范围不断扩大，零件使用温度达到-40℃，甚至更低，因此，需要检测钩尾框材料的冲击性能和冷脆转变温度。
确定脆性转变温度（DBTT）的方法很多，本研究采用能量法及断口观察结合的方法来确定。根据能量法，取上阶能与下阶能的1/2所对应的温度，作为脆性转变温度。图1为依据冲击试验平均值做出的脆性转变温度曲线。从冲击功数值可以看出，下阶能为65J，上阶能为152J，二者平均值所对应的温度在-50℃左右。根据断口形貌确定脆性转变温度，以断口中韧脆各占50%时所对应的温度作为脆性转变温度。将冲击试样的断口在扫描电镜上进行观察，微观断口形貌如图2所示。-40℃时微观断口呈现较深的等轴韧窝（见图2a），说明在断裂前经历了很大的塑性变形。-60℃时，断口中出现大部分理石状解理花样和小部分准理解小平面，表明断裂已属于脆性断裂（见图2b）；而当温度降低至-80℃时，断口呈现明显的完全解理花样，证明断裂达到完全的脆性断裂（见图2c）。由此可知，脆性转变温度应在-40℃与-60℃之间，结合能量法所得出的结论，将脆性转变温度确定为-50℃。
产品质量检测表明，莱钢开发的25MnCrNiMoA钢机械性能和非金属夹杂控制均能满足客户要求，脆性转变温度低，质量合格。
5、结语
通过控制钢的化学成分，采用合理的冶炼、连铸、轧制工艺获得纯净的钢质和良好的组织，可保证25MnCrNiMoA钢的冲击性能，生产出合格的铁道车辆钩尾框用钢，满足客户的要求。
材料低温冲击试验表明，莱钢生产的25Mn-CrNiMoA钢的脆性转变温度为-50℃，完全满足钩尾框在寒冷地区的使用要求。钢的冲击性能和冷脆性能对材料品质、宏观缺陷和显微组织非常敏感，如夹渣、气泡、分层、夹杂物和锻造、热处理所造成的缺陷，包括过热、过烧、回火脆性、淬火及锻造裂纹等均明显降低材料的冲击性能。材料的内部组织结构、合金元素及杂质对钢的冲击性能和冷脆性能影响也很大。因此，通过适当调整成分，采用合理的冶炼、加工及热处理工艺以获得纯净的钢质和良好的组织，就能够提高钢的冲击性能和冷脆性能，提高零件的承载能力。目前已形成小批量生产，平均每月生产销售300t左右，质量稳定，用户反映使用情况良好。
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