中碳空冷贝氏体钢的设计

xxx学院

学生课程设计（论文）题目：中碳空冷贝氏体钢的设计

学生姓名： xxxxxxxxxx 学号：xxxxxxxxxxxx 所在院(系)：材料工程学院

专业：材料科学与工程

班级：

指导教师： xxxxxxxx 职称：副教授

2013年12月27日

xxxxx学院教务处制

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

引言

本设计要运用金属学及热处理、金属材料学、金属材料力学性能、冶金概论等课程理论知识。分析了铁路车辆弹簧的服役条件，并探讨了中碳空冷贝氏体钢的相变原理、合金化原理、热加工工艺。最终设计出中碳空冷贝氏体钢的冶炼方法，化学成分，热加工工艺参数等。得到的中碳空冷贝氏体钢满足制作铁路车辆弹簧的要求：Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1150MPa，A5≥6%；KU2≥10J。

中碳空冷贝氏体钢的设计

火车转向架弹簧

1 铁路车辆弹簧的服役条件分析

弹簧[1]是铁路车辆的主要零部件之一，其使用寿命和性能对车辆运行质量影响较大。近年来，我国铁路货车转向架[2]弹簧普遍存在疲劳寿命偏低的问题。弹簧的疲劳寿命[3]是保证弹簧正常使用期限、减少弹簧早期断裂[4]的重要技术性能指标。影响弹簧疲劳寿命的因素很多，既有原材料方面的因素，也有工艺制造[5]方面的因素。目前，为了满足我国铁路“重载、提速”的要求，铁道部有关部门对火车转向架弹簧提出了更高的要求，并期望弹簧疲劳寿命能达到200万次以上，以保证货车提速行车安全。

由于火车转向架弹簧服役条件的复杂性和苛刻性，其失效方式有多种多样，主要有断裂失效和应力松弛（变形）失效两大类。在断裂失效中又可分为脆性断裂和塑性断裂，其中突发性的脆性断裂的危害性最大。此外，还有氢脆[6]、镉脆及黑脆等。其中疲劳断裂约占火车转向架弹簧断裂失效的80%～92%。因此铁路弹簧应向高强度、高弹减抗力、高纯净度方向发展

2 中碳空冷贝氏体钢

2.1 火车弹簧钢的选择

根据制作铁路车辆弹簧的要求：Rm≥1400MPa，R p0.2≥1150MPa，A5≥6%；KU2≥10J。并且在工程上对火车转向架弹簧的标准有弯曲疲劳[7]、弹性极限。于是本设计需要根据火车弹簧的服役条件以及其力学性能要求，选择出符合要求的用钢。部分常用弹簧钢的力学性能如下表1：

表1 部分常用弹簧钢的力学性能

钢号Rm/ MPa R p0.2/ MPa A5/ % KU2/ J

60Si2MnA 55SiMnVB 60Si2CrMnA 60Si2CrV A 50CrV A 60SiMnW A 1600

1372

1568

1862

1274

1900

1400

1225

1372

1666

1127

1700

6

5

5

6

10

9

20

30

20

20

40

20

最终本设计根据设计要求、弹簧的服役条件[8]分析以及创新原则，选择60Si2CrV A钢作为铁路弹簧用钢。

2.2 中碳空冷贝氏体钢的相变原理

贝氏体[9]分上贝氏体和下贝氏体。粒状贝氏体和准贝氏体为贝氏体转变的初级阶段；粒状组织不属于贝氏体。各类组织均有自己的C曲线。由C曲线组成中温TTT 图，能形成几个海湾。贝氏体预相变期发生溶质原子偏聚[10]，贫溶质区即形核位置。贝氏体在溶质原子扩散影响下相变基元沿缺陷面方向切变而增宽(厚)，板条端部区相变基元平行叠加而伸长。贝氏体在晶体学上有切变性质，在热力学上有切变可能。

2.3 合金化原理

合金化元素[11]在钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素综合的对钢产生了强韧化效果，同时提高材料的工艺性能。60Si2CrV A涉及的化学元素主要有C 、S i 、Cr 、V等，其作用分述如下：

（1）C含量的应主要考虑固溶强化及回火二次沉淀硬化所需。C是主要的强化元素，C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化[12]作用，它与强碳化物形成元素形成碳化物析出时，起沉淀强化作用。碳对火车弹簧的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大的影响。

（2）Si不是碳化物形成元素，基本上以固溶态存在，具有固溶强化效果高于Mn，在常用合金元素中名列前茅。Si本身不仅有固溶强化作用，而且能改变钢回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态等，提高钢的回火稳定性，因此，对提高材料强度、硬度有好处。

（3）Cr能显著提高钢的淬透性[13]，与锰共用效果更好。铬可降低钢中碳的活度，又是碳化物形成元素，提高钢中碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向。通过详细研究铬对Si—Mn系弹簧钢性能的影响，发现当铬含量在0.30％~0.56％的范围内时，降低含1％Si钢的鲍申格效应。这就说明铬降低钢的抗弹减性。

（4）V是强碳化物形成元素，固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化[14]效果，它除了提高钢的强度和硬度外，还可提高钢的抗弹减性。

钒碳化物的溶解量增加。提高奥氏体化温度会产生更大的沉淀硬化效果

2.4 热加工工艺分析

热处理质量主要取决于合理的热处理工艺。火车弹簧热处理工艺控制主要取决于钢的加热温度和加热时间这两个主要因素，温度过低组织中易出现铁素体且钢板变形增大；温度过高会使奥氏体晶粒粗大，对冷却时发生的相变及钢的性能都有影响，必须加以控制。

因为本设计选择的60Si2CrV A已经有较好的力学性能，所以只采用常规的热处理工艺，采用输送带或步进式连续加热炉，保护气氛加热到850℃时油淬[15]，再在热风循环的周期性作业炉或连续式回火炉中进行中温回火[16]，温度大致为400℃~450℃，使其硬度达到标准值。

3 60Si2CrV A的冶炼方法

3.1 化学成分

60Si2CrV A的化学成分[17]较为简单。碳含量大致为0.56%~0.64%，硅含量大致为1.40%~1.80%，铬含量大致为0.90%~1.20%，锰含量大致为0.40%~0.70%，镍含量应小于0.35%，铜含量应小于0.25%，硼含量应小于0.03%。

3.2 冶炼方法

本设计采用电弧炉炼钢工艺[18]冶炼火车转向架弹簧。传统的电弧炉冶炼工艺可分为氧化法、返回吹氧法和不氧化法三种类型。氧化法的特点是：冶炼过程有完整的氧化期和完整的还原期，能脱碳、脱磷、脱硫、去气、去夹杂，对炉料无特别要求，有利于钢质量的提高。传统的电弧炉冶炼工艺操作过程由补料、装料、熔化、氧化、还原与出钢六个阶段组成，主要分为熔化期、氧化期和还原期。

3.3 热处理工艺参数

由于铁路车辆除了承受车厢及载物的巨大重量，还要承受因转弯、铁轨连接处不平所引起的冲击和振动。为了避免某些零件因冲击而过早破坏，本设计要采用一些热处理对火车弹簧用钢进行处理。使其具有高的弹性极限、疲劳极限以及足够高的弹性变形能力。

热成型[19]制造铁路车辆的工艺路线大致为：扁钢剪断→热卷成型后中温回火→喷丸→装配。对于60Si2CrV A弹簧钢来说，回火温度一般为420℃，其组织为回火托氏体。此时马氏体已充分分解，分解出的渗碳体以细小颗粒状分布在α相基体上；α相的回复过程也已充分进行，开始多边化，但亚结构尚未长大；钢中的残余奥氏体已经分解，内应力已大幅度下降。弹簧钢的弹性极限达到了最高值。

弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，表面微小的缺陷如脱碳、裂纹、夹杂、斑痕等，均可使钢的疲劳强度降低，因此弹簧热处理后还用喷丸[20]处理来进行表面强化[21]，使表面层产生残余压应力，提高其疲劳强度。

4 结论

由于火车转向架弹簧服役条件的复杂性和苛刻性。再根据设计要求、弹簧的服役条件分析以及创新原则，选择60Si2CrV A钢作为铁路弹簧用钢。碳含量大致为0.56%~0.64%，硅含量大致为1.40%~1.80%，铬含量大致为0.90%~1.20%。最后采用常规的热处理工艺，采用输送带或步进式连续加热炉，保护气氛加热到850℃时油淬。再在热风循环的周期性作业炉或连续式回火炉中进行中温回火，温度为420℃，使其硬度达到标准值。

参考文献

[1] 杨才福,苏航,惠卫军,许达等.高速列车用车轮钢.轴承钢和弹簧钢的发展[J].机车电传动,

2003(12).

[2] 王红,商跃进,孟广浦.新型货车转向架变刚度弹簧组的试验寿命估算及疲劳强度分析[J].

中国铁道科学,2007,28(1).

[3] 张英会.弹簧手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[4] 张丽萍,姚衡,邓枝生. 螺旋弹簧失效分析[J].物理测试.1993,5:100081.

[5] 崔柏伟.影响铁路货车摇枕弹簧疲劳寿命的工艺因素及其控制[J].机械研究与应

用,2007,29(4):213164.

[6] 孙捷,陈佳,曹新鑫,王丽.铁路货车减振弹簧断裂分析[J].最新工程技术,2004,(9).

[7] 穆凤军.铁路货车用两级刚度弹簧应力标准选择的探讨[J].铁道车辆, 2003,41(3):425.

[8] 严隽髦.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,1999:1032104.

[9] 张增歧,刘耀中,樊志强.贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用[J].材料热处理学报.2002(3).

[10] 黄维刚,清华大学博士学位论文,1996.

[11] 田中健.原材料对铁路货车弹簧疲劳性能的影响[J].试验研究,2000(5):550017.

[12] 聂义宏,惠卫军,傅万堂.等温处理对中碳超高强度弹簧钢组织与力学性能的影响[J].钢

铁.2008(04).

[13] 张懿,张香平,罗靖平,唐建新.热处理对中碳低合金耐磨钢力学性能的影响[J].铸造技

术,2010,31(12):610025.

[14] 段宝玉.内蒙古科技大学硕士学位论文.

[15] 陈景榕,李承基编著.金属与合金中的固态相变[M].北京:冶金工业出版社,1997:50~150.

[16] 刘宗昌.钢中相变的自组织[J],金属热处理.2003,28(2):13~18.

[17] 张懿,唐建新.硅含量和热处理工艺对低合金耐磨钢力学性能的影响[J].材料热处理技

术,2011(6).

[18] 杜长坤.冶金工程概论[M].冶金工业出版社,2012.

[19] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理.第2版[M].北京:机械工业出版社,2007.

[20] 吴承建,陈国良,强文江.金属材料学[M].北京:冶金工业出版社,2000.

[21] 戴起勋.金属材料学[M].北京:化学工业出版社,2005.