[科普中国]-车轴钢

简介

车轴钢用于制造铁路机车和车辆车轴的专业用钢。车轴受力和车轴钢的性能要求车轴是承受机车、车辆质量的关键部件，在运行中承受旋转弯曲和冲击等多项复杂应力，疲劳裂损是其主要破坏形式。因而要求车轴钢具有足够的强度和韧性，并且对可以成为车轴裂纹源的各种冶金缺陷的要求十分严格1。

分类按用途可分为货车轴用钢和客车轴用钢；按化学成分可分为碳素钢和合金钢车轴，其中货车和普通客车以碳钢为主，高速列车以合金钢为主。按我国钢种分类标准，目前世界上所采用的货车车轴钢的碳含量均在0.35%～0.57%之间变动，属于中碳优质碳素钢类，高速列车采用低碳合金钢。近年来，随着铁路车辆高速化的发展，合金钢空心车轴发展迅速。

车轴钢冶炼工艺流程车轴钢冶炼采用的工艺流程为:电炉炼钢→LF精炼→VOD/VD处理→浇注成锭。电炉容量为30t,出钢时用铝或复合脱氧剂进行脱氧; LF精炼通过添加足量的铝、碳化硅或电石来实现脱氧,适当控制钢液含氧量并测量其活度;LF精炼后对钢水进行VOD/VD处理,在真空度达到0.5托时,停留15min以上,最后采用氩气保护浇注成锭2。

车轴钢冶炼过程中影响氢含量的主要因素车轴钢中氢的含量往往和冶炼工艺的全过程都有密切联系。从入炉原料的准备、冶炼过程、浇注等这些都会影响钢中氢的含量。在实际生产过程中,影响钢液中氢含量主要是通过两种方面即钢液的氢吸入和钢液脱氢能力。从冶炼过程的各个环节着手防止增氢,是控制钢中氢含量的有效措施。

钢中原始氢含量钢中原始氢含量和炉料中的氢含量紧密相关。废钢的锈层、炉气中的氢含量及压力、大气湿度等等决定了钢中原始氢的含量。在实际冶炼过程中原料入炉前往往进行一系列的预处理。废钢要进行清洁干燥,去除其表面的油污/锈层/水等方能入炉。其它原料如合金等也应烘烤进行干燥脱水处理等。炉气中的氢不可避免地会进入钢液中,这是钢中溶解氢的来源之一。冶炼高温也会促进氢在钢中溶解。入炉生铁块作为电炉的主要原料,生铁块中的氢含量直接影响到钢水中的氢含量。同时融化后生铁块的成分如C、Al、S、P、Mn等对氢的活度系数均有不同程度的影响。

钢液的氧化情况对氢含量的影响表明钢中氢含量与钢液氧化情况有关。钢中含氧量高时,有利于钢中氢的降低。反之,钢液氧化程度低时,有利于氢在钢液中的溶解。电炉出钢时钢液与空气接触会增加吸氢量。但因初炼钢水有较高的氧含量又会阻碍吸氢。LF冶炼时造还原渣,并采用强脱氧剂Al、Mn、Si等脱氧,配合氩气微气泡搅拌,创造良好的动力学条件,促进脱氧产物和气体上浮去除。但脱氧后钢液中的氢含量会增加。

添加合金元素对氢的活度系数的影响车轴钢主要的合金化元素是Cr、Mo 等元素。LF冶炼时添加渣料、铁合金等物质。添加的这些合金元素调整钢液成分后会使钢中的氢含量增加。尤其是Cr、Mn等元素能降低钢中溶解氢的活度,不利于脱氢。

冶炼过程中炉渣的影响实际冶炼过程中对钢水冶炼质量的掌握往往都是通过对炉渣的控制来实现的。炉渣成分和渣量对整个冶炼过程能否顺利进行起关键性作用。冶炼中电炉氧化渣全部留在炉中,LF操作时按一定比例重新造还原渣。由于精炼渣碱度高,尤其是渣中石灰成分,造成水蒸汽溶解度也会随之增加,势必会增加钢中氢含量。

炉渣的粘度与炉渣成分有关,也影响到炉渣的流动性。对流动性好的炉渣而言,其氢渗透力较好,容易把氢输送到钢液中。借鉴其它厂家的经验,采取适当控制碱度、减少渣量、降低Al2O3 含量等措施可以有效地降低钢包精炼时及精炼后的氢含量。

VOD /VD脱氢处理经LF冶炼后,车轴钢中的氢含量仍超标,仍然需要进一步去氢。真空处理是钢液脱除气体的有效方法。通过降低气相中氢的分压可以较大程度地减少氢含量,实现深度脱氢。V其效果与处理时间、真空度等因素有关3。

在我国的发展状况我国铁路货车车辆车轴的材质一直是采用碳素结构钢。从五十年代的普通碳素结构钢发展到八十年代的车轴专用优质碳素结构钢。优质碳素结构钢是碳素钢中磷、硫及其他有害杂质含量较低、纯洁度和化学成分均匀性交高，除含有铁、碳、硅、锰和限量以内的磷、硫等杂质元素及残余元素外，不含其他作为合金元素有意加入的元素；在生产过程中既要保证化学成分，又要保证力学性能。碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。铁路车辆用车轴钢的品种从LZ40车轴钢发展到现在使用的LZ50车轴钢。到2020 年国内铁路投资达2 万亿元（人民币），车轴产品需求在未来一段时间内将以8%稳定递增，车轴坯需求预计今后将会是上升趋势，特别是随着国内车轴新产品的开发，将逐渐取代进口车轴1。