铸钢材料、钩舌及其制备方法、轨道车辆

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种铸钢材料、钩舌及其制备方法、轨道车辆。

背景技术

近年来，随着世界铁路货车“重载”进程的不断推进，对铁路货车整车及零部件的制造质量要求也越来越高。从国际上来看，澳大利亚力拓公司是世界铁矿石生产巨头，其开行的Q系列40吨轴重不锈钢矿石车，是目前世界轴重和牵引吨位最大的铁路货车，列车编组数量为240辆，载重高达139.5吨，牵引吨位高达3.8万吨。其全自动无人驾驶火车的正式投入运营，更是对整车的运行可靠性要求提出了前所未有的挑战。从国内来看，重载程度最高的大秦线已开行30吨轴重货车，牵引吨位两万吨，年运量4亿吨。钩舌作为铁路货车钩缓部分的重要连接部件，在货车重车运行中承受着较大的拉伸应力及冲击应力，是货车钩缓部分的薄弱部件，运行中容易发生断裂。由于大轴重铁路货车的开行和钩舌使用工况条件进一步恶化，钩舌在运用中受到的随机的、交变的各种力的作用越来越大，钩舌的疲劳断裂问题也日益突出，并成为钩舌失效的主要形式。既有钩舌产品已经不能满足重载列车的使用要求，考虑钩缓部件的互换性、其结构无法进行大的改变，因此从材料角度入手开展研究是提高钩舌使用寿命的有效途径。从材料方面看，钩舌疲劳源产生的原因是钩舌铸钢材料整体韧性较差或材料强度储备不足。

基于上述考虑，在满足一定强度要求的前提下，努力提高钩舌材料的塑性和韧性是提高钩舌疲劳寿命的一条有效途径。基于上述情况并结合目前钩舌材料性能标准，确定新材料钩舌力学性能指标见表1。

表1

由上表1中的新标准与AAR标准相比：强度指标、延伸率指标提高了15％，伸长率提高33％，冲击功提高了1.5倍。

众所周知，一种材料的强度与塑韧性是一对矛盾，强度越高，材料的塑韧性指标越低，反之亦然。因此，要满足如此高的新标准要求，必须提高新材料钩舌的力学性能。

目前，我国铁路货车钩舌产品制造工艺为造型-制芯-冶炼-浇注-清理而进行整体成型的工艺。材料为符合AAR标准的E级铸钢，热处理工艺为调质。材料经热处理后的力学性能检测数据见表2。

表2

由上表2中的E级铸钢钩舌的材料平均性能中的平均抗拉强度为878MPa，平均屈服强度为776MPa，平均-40℃V型缺口冲击功为44.7J。这样钩舌材料的抗拉强度、屈服强度及冲击性能均较低，不符合新材料力学性能指标要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铸钢材料、钩舌及其制备方法、轨道车辆，以解决现有技术中铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铸钢材料，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

进一步地，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.19～0.22％的C、0.23～0.38％的Si，0.87～1.05％的Mn，0.007～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.14％的Cr、0.96～1.05％的Ni，0.42～0.75％的Mo、0.023～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.047～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.048％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

进一步地，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.20～0.22％的C、0.23～0.34％的Si，0.92～1.02％的Mn，0.009～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.09％的Cr、0.98～1.05％的Ni，0.43～0.75％的Mo、0.037～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.057～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.046％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

进一步地，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.20％的C、0.30％的Si，0.98％的Mn，0.011％的P、0.011％的S、1.05％的Cr、0.99％的Ni，0.47％的Mo、0.050％的Al、0.12％的Cu、0.065％的V、0.054％Nb，0.034％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；或者0.20％的C、0.32％的Si，0.93％的Mn，0.009％的P、0.011％的S、1.07％的Cr、1.05％的Ni，0.52％的Mo、0.042％的Al、0.09％的Cu、0.065％的V、0.065％的Nb，0.041％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钩舌，钩舌的材料采用上述的铸钢材料。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种上述的钩舌的制备方法，包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼过程中根据上述的铸钢材料进行配料冶炼。

进一步地，在清理步骤之后，制备方法还包括热处理工序，热处理工序包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理。

进一步地，预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷。

进一步地，水冷过程采用水射流搅拌冷却，且水冷过程持续时间不低于5分钟，水温不高于35℃；在水冷步骤之后，热处理工序还包括回火步骤，其回火温度为630±10℃，回火时间为3～4小时。

根据本发明的另一方面，提供了一种轨道车辆，包括钩舌，钩舌为上述的钩舌。

应用本发明的技术方案，铸钢材料按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。这样根据本申请的铸钢材料制作的轨道车辆钩舌能够获得兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而能够满足轨道车辆钩舌要求，能够解决现有技术中铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的铸钢材料的实施例5的钩舌的铸钢材料的金相组织照片；

图2示出了对比例1的力拓E+钢材料的金相组织照片；

图3示出了对比例1的力拓E+钢材料的另一金相组织照片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了解决铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题，本发明提供的一种铸钢材料。

本发明的铸钢材料，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.18～0.23％的C、0.20～0.40％的Si，0.85～1.10％的Mn，0～0.015％的P、0～0.015％的S、1.00～1.20％的Cr、0.95～1.05％的Ni，0.40～0.80％的Mo、0.020～0.050％的Al、0～0.20％的Cu、0.040～0.090％的V、0.020～0.070％Nb，0.020～0.050％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

需要说明的是，为了改善和提高钢的强度同时兼顾塑韧性，在冶炼过程中向钢中加入了C、Si，Mn，Cr，Ni，Mo，V，Ti，Nb，Al等元素。其中，

C和Si的作用是使形成固溶体组织和形成碳化物组织，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。钢中的铁素体、渗碳体等组织，都溶解有碳元素。且含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低。硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅能降低钢的焊接性能。本申请中需要考虑铸钢的焊接性，碳当量不能太高，因此需尽可能控制碳含量硅含量在较低水平，因此将C控制在0.18-0.23％，Si控制在0.20-0.40％。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰，它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰和铁形成的固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性，将锰控制在0.85-1.10％。

钢中的Cr、Ni、Mo是主要的合金元素，其中Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。Mo在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性。在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除或降低残余应力，提高塑性，结合与其他元素间的作用将Cr控制在1.00-1.20％，Ni控制在0.95-1.05％，Mo控制在0.40-0.80％。

本申请中V、Ti、Nb是重要的微合金化元素。V和碳、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性，改善钢的焊接性能。Ti和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强，也是强铁氧体形成元素之一，强烈的提高了钢的A

Al主要用来脱氧和细化晶粒。铝能抑制低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性。铝在钢中固溶强化作用大，提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度及芯部力学性能，与微合金化元素类似不易过高，过高会降低其高温强度和韧性，并给冶炼、浇注等方面带来若干困难，因此将Al元素控制在0.020-0.050％。

本申请中的S、P是钢中的有害元素，由于对钢的质量影响较大，需要对其加以控制。S在钢中偏析严重，恶化钢的质量，在高温下，降低钢的塑性。P偏析严重，增加回火脆性，显著增加钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响。S、P均是有害元素。Cu元素在铸钢中超过0.30％，会使铸钢产生热裂倾向，影响钢中质量，但考虑冶炼装备水平及冶炼原材料的源头控制，保证铸钢性能，将钢中的Cu控制在不高于0.20％。P、S控制不高于0.015％。

这样根据本申请的铸钢材料制作的轨道车辆钩舌能够获得兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而能够满足轨道车辆钩舌要求，能够解决现有技术中铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题。

优选地，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.19～0.22％的C、0.23～0.38％的Si，0.87～1.05％的Mn，0.007～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.14％的Cr、0.96～1.05％的Ni，0.42～0.75％的Mo、0.023～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.047～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.048％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。为了需要考虑铸钢良好的焊接性，碳当量不能过高，因此需尽可能控制碳含量硅含量稳定在较低水平，因此将C控制在0.19～0.22％，Si控制在0.23～0.38％。锰稳定奥氏体组织的能力接近于镍，也强烈增加钢的良好的淬透性，将锰控制在0.87～1.05％。为了Cr能进一步地提高材料表面的耐磨性，将Cr控制在1.02～1.14％，保证Ni在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响尽可能地小，将Ni控制在0.96～1.05％；Mo在钢中能进一步提高淬透性和热强性，防止回火脆性，将Mo控制在0.42～0.75％；V满足细化钢的组织和晶粒，进一步降低钢的强度和韧性，将V控制在0.047～0.086％；为了有效地避免Cu元素在铸钢中超过0.30％，会使铸钢产生热裂倾向，影响钢中质量，并考虑冶炼装备水平及冶炼原材料的源头控制，保证铸钢良好的性能，将Cu控制在0.09～0.14％，将S控制在0.010～0.013％，将P控制在0.007～0.013％。

优选地，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.20～0.22％的C、0.23～0.34％的Si，0.92～1.02％的Mn，0.009～0.013％的P、0.010～0.013％的S、1.02～1.09％的Cr、0.98～1.05％的Ni，0.43～0.75％的Mo、0.037～0.050％的Al、0.09～0.14％的Cu、0.057～0.086％的V、0.028～0.065％的Nb，0.026～0.046％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。为了需要考虑铸钢良好的焊接性，碳当量不能过高，因此需控制碳含量硅含量保持在较低水平，因此将C控制在0.20～0.22％，Si控制在0.23～0.34％。锰稳定奥氏体组织的能力越接近于镍，也强烈增加钢的较高的淬透性，将锰控制在0.92～1.02％。为了Cr材料表面的有足够高的耐磨性，将Cr控制在1.02～1.09％，保证Ni在提高钢强度的同时，有效地缩小对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响，将Ni控制在0.98～1.05％；Mo在钢中能大大提高淬透性和热强性，防止回火脆性，将Mo控制在0.43～0.75％；V进一步细化钢的组织和晶粒，有效地降低钢的强度和韧性，将V控制在0.057～0.086％。

优选地，为了在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有更好的综合性能，按重量百分含量计，铸钢材料包括：0.20％的C、0.30％的Si，0.98％的Mn，0.011％的P、0.011％的S、1.05％的Cr、0.99％的Ni，0.47％的Mo、0.050％的Al、0.12％的Cu、0.065％的V、0.054％Nb，0.034％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质；或者0.20％的C、0.32％的Si，0.93％的Mn，0.009％的P、0.011％的S、1.07％的Cr、1.05％的Ni，0.52％的Mo、0.042％的Al、0.09％的Cu、0.065％的V、0.065％的Nb，0.041％的Ti、余量的Fe和不可避免的杂质。

本申请的铸钢材料可以通过常规工艺制备得到性能良好的轨道车辆钩舌。

本申请还提供了一种钩舌，钩舌的材料采用上述的铸钢材料。这样，根据本申请的铸钢材料制作的轨道车辆钩舌能够获得兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而能够满足轨道车辆钩舌要求，能够解决现有技术中铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题。

为了获得性能更优的轨道车辆钩舌，可以对钩舌的制备方法进行优化，具体包括依次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理步骤，冶炼过程中上述的铸钢材料进行配料冶炼。

优选地，为了铸钢材料能够获得兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，在清理步骤之后，制备方法还包括热处理工序，热处理工序包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理。

优选地，预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷。这样对预备正火处理过程的钩舌材料淬火冷却过程的有效控制，最大限度挖潜材料的性能。

优选地，水冷过程采用水射流搅拌冷却，且水冷过程持续时间不低于5分钟，水温不高于35℃；在水冷步骤之后，热处理工序还包括回火步骤，其回火温度为630±10℃。回火时间为3～4小时。这样针对刚刚入水的处于较高温度下的钩舌材料，采用水射流搅拌冷却冲破淬火钩舌表面的气膜，进而使钩舌直接与冷却水接触，由于水的导热系数明显高于空气，能够更快的将待处理工件冷却，保证钩舌热处理效果。

根据本申请还提供了一种轨道车辆，本实施例的轨道车辆包括钩舌，钩舌为上述的钩舌。由于上述的钩舌能够解决现有技术中铸钢材料无法兼顾较高的屈服强度、抗拉强度及更好的冲击性能，从而导致其无法满足轨道车辆钩舌要求的问题，使得采用上述的钩舌的轨道车辆能够解决同样的技术问题。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1至16

实施例1至16中分别以不同成分的铸钢材料制备了钩舌，其具体成分如表3所示。

表3

钩舌的制备方法采用一次进行的造型、制芯、冶炼、浇注、清理和热处理步骤，具体如下：

造型：采用酯硬化造型线造型，水平分型，一箱8件，钩舌内腕面对侧处引入浇注系统，钩舌外轮廓采用覆膜砂壳芯带出。

制芯：钩舌共制备三种砂芯，分别有采用覆膜砂热芯盒壳芯机射制，砂芯芯头在开盒面留0.5mm的分型负数。采用水玻璃砂手工打制，二氧化碳盒内硬化，钩舌内腕面部位的形状要求由整块活块带出，活块可在鼻部拆分，并在对应上箱排气针位置加设砂芯排气孔，钩舌内腕面额外加0.5mm的加工余量。采用合脂砂制作，远红外线烘干窑烘干。要求所有砂芯表面涂刷醇基锆英粉涂料。

冶炼：根据各实施例中的配方进行钢水冶炼，包括依次进行的熔炼和精炼，得到温度为1580℃±10℃的钢水。

浇注：浇注钩舌：钩舌合箱前，对砂型内浮砂进行吹扫。浇注温度不大于1585℃，浇注时钢水包铸口对正浇口杯，钢水包距浇口杯高度为150～250mm。基尔试棒的浇注：浇注前将基尔试棒砂型在150℃烘干炉中，烘烤1小时，从烘干炉中取出对砂型内浮砂进行吹扫，从烘干炉中取出到浇注基尔试棒时间不得大于1小时。

清理：对钩舌进行表面清砂处理，除局部无法清除的粘砂外，一切可清掉的砂子全部清除，冷、芯铁全部清掉。采用气割方式，将铸件的浇冒口、明气眼、飞边、毛刺用气割切除，浇冒口残留余量不大于5mm。然后，进行一次抛丸处理，除内、外表面局部抛不到部位之外，铸件内外表面清洁、无粘砂。采用气刨方式对所有分型面、浇冒口根部及飞边、毛刺刨平。其次，进行二次抛丸处理，除内、外表面局部抛不到部位之外，铸件内外表面清洁、无粘砂。进行铸件焊修处理。

热处理：采用连续热处理炉进行该热处理，生产节拍：35分钟进出一车工件。热处理包括依次进行的预备正火处理和调质淬火处理：预备正火处理过程中，正火温度为950±10℃，保温3～4小时后风冷；调质淬火处理过程中，淬火温度为870±10℃，保温2～3小时后水冷。冷却采用水射流搅拌冷却，具体是在钩舌入淬火池后，在钩舌的底部和四周距钩舌尽量小的位置密布排列射流喷嘴，淬火时高压水从喷嘴中高速喷出，既搅拌淬火水池，又能依靠高压水流将工件刚入水时表面产生的高温蒸汽膜冲破，提高淬火烈度。钩舌在冷却水池停留时间不低于5分钟，控制水温不高于35℃。回火温度：630±10℃，保温时间：3～4小时，入水冷却。

对比例1

以力拓E+钢材料制备的钩舌作为对比。

性能测试：

将实施例1至16制备的钩舌以及对比例1中的钩舌进行力学性能测试，测试方法如下：

屈服强度：采用GB/T228.1-2021进行测试；

抗拉强度：采用GB/T228.1-2021进行测试；

冲击功：采用GB/T229-2020进行测试；

伸长率：采用GB/T228.1-2021进行测试；

断面收缩率：采用GB/T228.1-2021进行测试。

结果如表4所示：

表4

本发明实施例1至16制备得到的钩舌平均屈服强度为855.4MPa、平均抗拉强度为954.1MPa，试样的冲击功最低值为69J(焦耳)，最高值达到107.7J，平均值为82J，满足68J要求。

此外，以上实施例1-2、5-7、10-11中制备的钩舌，在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有更好的综合性能，其中实施例5和6中钩舌的综合表现最佳。

另外，对实施例5和对比例1中的钩舌进行晶粒度检测，其中实施例5中钩舌的金相组织照片见图1，对比例1中钩舌的金相组织照片见图2和图3。由图中可以看出，本发明相比于对比例1中的舌钩铸钢材料晶粒明显细化，对比例1图2所示晶粒度为-7.5级，图2中为-7.3级，本发明高强度，高塑韧性铸钢材料晶粒度达到-8.7级，可有效提高材料的强度和塑韧性，从而使得钩舌在屈服强度、抗拉强度、冲击性能等方面具有如前文所示的优异表现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。