25MnCrNiMoA鐵道車輛鍛造鉤尾框用圓鋼的開發與生產

1、前言

我國鐵道部車輛鉤尾框原為鑄造成型，隨著鐵道車輛不斷提速加載，鑄造鉤尾框性能已不能滿足車輛運輸要求，強度、韌性良好的鍛造鉤尾框將取而代之。鉤尾框是鐵道車輛上的關鍵配件，25Mn-CrNiMoA鋼為鍛造鉤尾框的專用鋼材牌號。鉤尾框使用條件惡劣，對鉤尾框的機械性能、內外部質量要求很高，另外，鉤尾框形狀復雜，熱彎過程中容易出現裂紋現象。因此，對生產鉤尾框用的25Mn-CrNiMoA熱軋圓鋼提出了很高的技術要求。

2、技術要求

目前，國內還沒有關于25MnCrNiMoA鋼種的相關標準，萊鋼參照鉤尾框國標及客戶要求，結合鉤尾框實際工況條件，制定了技術協議，主要技術要求如下。

1）化學成分要求見表1。

表1：25MnCrNiMoA鋼化學成分（質量分數）%

2）低倍組織。鋼材不允許有鑄態組織。疏松、錠形偏析應≯2.0級，一般點狀偏析、邊緣斑點狀偏析及皮下氣泡不允許存在，鋼材橫截面酸浸低倍組織試樣上，不得有目視可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等。

3）非金屬夾雜物按GB/T10561中的方法A及ASTM評級圖評定。A、B、C、D類非金屬夾雜物均≯2.0級。如同一視場中同時出現A、C類夾雜物時，應合并評定，且≤2.5級。

4）力學性能。鋼材經過調制處理，淬火溫度880~930℃，水冷；回火溫度（580±50）℃，水冷。試樣的力學性能要求：規定非比例屈服強度Rp0.2≥690MPa，抗拉強度Rm≥850MPa，斷后伸長率A≥14%，斷面收縮率Z≥30%；-40℃沖擊功AkV≥27J。

5）末端淬透性。末端淬火試驗時，按GB/T225標準要求制作試樣，試樣淬火溫度（910±10）℃，時間為（30±5）min。試樣末端淬透性結果均應符合：C≤0.24%時，J11≥30HRC；C為0.25%~0.28%時，J11≥33HRC。

3、生產實踐

根據技術要求及生產實際情況，25MnCrNiMoA鋼的開發采用如下工藝流程：50t電爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→合金鋼連鑄（260mm×300mm）→入坑緩冷→成材（Φ70~Φ150mm）。

3.1、冶煉控制要點

采用電爐冶煉，控制鋼包烘烤溫度≥800℃，控制冶煉鋼水終點［C］≥0.10%、［P］≤0.015%，并且使鋼水的殘余元素含量符合設計要求。出鋼溫度控制在1650~1670℃，完成鋼液的脫碳脫磷；同時氧化脫碳均勻沸騰，去除鋼中的部分H和N。

采用LF爐精煉，精煉爐送電化渣、調渣、喂線、攪拌等，進行鋼液的脫氧脫硫、去除夾雜、調整成分、控制溫度等處理。出鋼前酸熔鋁含量控制在0.03%~0.045%的范圍內。

LF爐精煉后進行VD真空處理，將VD爐（真空脫氣爐）內的真空度控制為＜67Pa并保持15min以上的時間，以利于真空處理，保證脫氣效果。破空后控制軟吹氬的時間≥10min，從而保證足夠的時間使夾雜物上浮，使成分和溫度均勻。VD真空處理后上鋼溫度為1570~1585℃。

3.2、連鑄控制要點

采用電磁攪拌、恒溫、恒速、恒液面、輕壓下、中間包升降、全保護澆注、動態弱冷配水模型等技術，確保鑄坯質量符合要求。將結晶器的液面波動控制在（700±2）mm，中間包的液面波動控制在（800±25）mm，過熱度控制在15~25℃，中間包的溫度控制在（1532±5）℃，拉鋼速度控制在（0.65±0.05）m/min，連鑄坯入坑緩冷時間≥36h。

3.3、軋鋼控制要點

加熱溫度影響軋前奧氏體晶粒度大小，各道次的軋制溫度及終軋溫度影響道次之間及終軋后的奧氏體再結晶程度及再結晶后的晶粒大小。結合現場生產設備狀況，參照國內化學成分與之接近的鋼種的溫度控制，制定了該鋼種的加熱制度：加熱溫度1130~1200℃，加熱時間≥2.5h，開軋溫度≥1080℃，終軋溫度≥850℃。鋼材軋后采用堆垛緩冷，控制軋制速度，使之堆垛緩冷溫度達到500℃以上，冷卻至100℃以下方可移出。

4、產品質量分析

首輪共試制7爐，軋制成兩個規格，其中Φ70mm規格1爐（爐號T211-5471），Φ150mm規格6爐。每爐取兩個試樣進行機械性能及非金屬夾雜檢驗，檢驗結果見表2、表3。

表2：鋼材的機械性能

表3：鋼材非金屬夾雜物級別級

火車的啟起、剎車以及速度突然改變時，鉤尾框都會受到沖擊，剎車愈急，起動愈猛，沖擊力就愈大。通常情況下，材料抵抗沖擊載荷作用的能力用沖擊功Ak值來評定。材料Ak值隨著溫度變化的總趨勢是隨著溫度的降低而降低；當溫度降低到到某一數值時，Ak值急劇下降，鋼材由韌性斷裂變為脆性斷裂，這種轉變即為冷脆轉變，轉變溫度稱為冷脆溫度。歷史上由于冷脆而造成火車、船舶等大型結構件脆性斷裂的事故曾在世界各國發生，造成了巨大的損失。隨著火車運行范圍不斷擴大，零件使用溫度達到-40℃，甚至更低，因此，需要檢測鉤尾框材料的沖擊性能和冷脆轉變溫度。

確定脆性轉變溫度（DBTT）的方法很多，本研究采用能量法及斷口觀察結合的方法來確定。根據能量法，取上階能與下階能的1/2所對應的溫度，作為脆性轉變溫度。圖1為依據沖擊試驗平均值做出的脆性轉變溫度曲線。從沖擊功數值可以看出，下階能為65J，上階能為152J，二者平均值所對應的溫度在-50℃左右。根據斷口形貌確定脆性轉變溫度，以斷口中韌脆各占50%時所對應的溫度作為脆性轉變溫度。將沖擊試樣的斷口在掃描電鏡上進行觀察，微觀斷口形貌如圖2所示。-40℃時微觀斷口呈現較深的等軸韌窩（見圖2a），說明在斷裂前經歷了很大的塑性變形。-60℃時，斷口中出現大部分理石狀解理花樣和小部分準理解小平面，表明斷裂已屬于脆性斷裂（見圖2b）；而當溫度降低至-80℃時，斷口呈現明顯的完全解理花樣，證明斷裂達到完全的脆性斷裂（見圖2c）。由此可知，脆性轉變溫度應在-40℃與-60℃之間，結合能量法所得出的結論，將脆性轉變溫度確定為-50℃。

產品質量檢測表明，萊鋼開發的25MnCrNiMoA鋼機械性能和非金屬夾雜控制均能滿足客戶要求，脆性轉變溫度低，質量合格。

5、結語

通過控制鋼的化學成分，采用合理的冶煉、連鑄、軋制工藝獲得純凈的鋼質和良好的組織，可保證25MnCrNiMoA鋼的沖擊性能，生產出合格的鐵道車輛鉤尾框用鋼，滿足客戶的要求。

材料低溫沖擊試驗表明，萊鋼生產的25Mn-CrNiMoA鋼的脆性轉變溫度為-50℃，完全滿足鉤尾框在寒冷地區的使用要求。鋼的沖擊性能和冷脆性能對材料品質、宏觀缺陷和顯微組織非常敏感，如夾渣、氣泡、分層、夾雜物和鍛造、熱處理所造成的缺陷，包括過熱、過燒、回火脆性、淬火及鍛造裂紋等均明顯降低材料的沖擊性能。材料的內部組織結構、合金元素及雜質對鋼的沖擊性能和冷脆性能影響也很大。因此，通過適當調整成分，采用合理的冶煉、加工及熱處理工藝以獲得純凈的鋼質和良好的組織，就能夠提高鋼的沖擊性能和冷脆性能，提高零件的承載能力。目前已形成小批量生產，平均每月生產銷售300t左右，質量穩定，用戶反映使用情況良好。

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