鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼及車輪制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼，其化學(xué)成分重量百分比為：C0.72～0.77%、Si0.90～1.1%、Mn0.85～0.95%、Mo0.03-0.05%、Cr0.30～0.40%、Als0.010～0.025%、P≤0.015%、S≤0.015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素；本發(fā)明還公開了車輪的制備方法，包括熱處理工序，熱處理工序?yàn)椋涸?40-860℃保溫2.0-2.5小時(shí)后，空冷至室溫，然后在830－850℃保溫2.0-2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至550℃以下，輪輞內(nèi)部金屬以2℃/s～5℃/s的冷卻速度加速冷卻，最后在500－520℃回火處理4.5-5.0小時(shí)。
【專利說明】鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼及車輪制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明屬于鐵路車輪用鋼及其熱處理方法，尤其涉及軸重≥40t、運(yùn)行速度(100km/h的高硬度、高強(qiáng)度、高塑性鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼及車輪制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)現(xiàn)有鐵路里程占世界鐵路總里程的6%，卻完成了世界鐵路1/4的工作量，鐵路貨運(yùn)量、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、運(yùn)輸密度均居世界第一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速擴(kuò)張，鐵路貨運(yùn)需求不斷加大，鐵路貨運(yùn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要制約瓶頸之一
[0003]在目前鐵路資源條件下，解決貨運(yùn)能力的當(dāng)務(wù)之急是重載運(yùn)輸。這也是世界鐵道運(yùn)輸?shù)谋厝悔厔?shì)。事實(shí)上，我國(guó)重載貨運(yùn)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國(guó)家，美國(guó)鐵路貨車標(biāo)準(zhǔn)軸重已達(dá)到33t ;加拿大、巴西和澳大利亞在其主要干線均采用了軸重達(dá)30t左右的大型貨車；瑞典鐵路已將貨車軸重提高到30t ;近年來俄羅斯鐵路正在將貨車軸重提高到27t，并且在加緊研究適用于35t軸重的重載貨運(yùn)技術(shù)。
[0004]近幾年來通過不斷的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)30t軸重重載貨運(yùn)技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，國(guó)內(nèi)35t乃至40t軸重重載貨運(yùn)必然會(huì)得到迅猛發(fā)展。但是，貨運(yùn)重載的發(fā)展對(duì)現(xiàn)有車輪材料將提出挑戰(zhàn)性要求，這是因?yàn)檩S重的增加不可避免的會(huì)引起車輪的使用條件惡化，使車輪受到的機(jī)械載荷大幅度增大，磨損、接觸疲勞、輾寬等機(jī)械損傷將成為車輪使用過程中的突出問題。
[0005]為適應(yīng)30t軸重重載貨運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已成功開發(fā)出常規(guī)CL70材質(zhì)貨車車輪并已順利通過相關(guān)認(rèn)證，其服役性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的CL60材質(zhì)貨車輪，但是隨著軸重的進(jìn)一步增加，可以預(yù)見，將會(huì)使車輪的使用條件進(jìn)一步惡化，因此，為未來35t乃至40t軸重重載技術(shù)做準(zhǔn)備，極有必要開發(fā)出更高硬度等級(jí)的重載車輪材質(zhì)，在兼顧塑性指標(biāo)基本保持穩(wěn)定的前提下，進(jìn)一步提高車輪的強(qiáng)硬度性能水平，以進(jìn)一步改進(jìn)車輪的耐磨性能，使其能夠更好的適應(yīng)35t乃至40t軸重重載的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種鐵路貨車用高碳低合金車車輪鋼及其制備方法，目的是在保持常規(guī)CL70車輪塑韌性的基礎(chǔ)上提高車輪的強(qiáng)度、硬度性能，以獲得更良好的綜合性能，增強(qiáng)車輪的耐磨性能和抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能，降低對(duì)鋼軌的磨耗。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼，其化學(xué)成分重量百分比為:C0.72 ~0.77%, Si0.90 ~1.1%, Mn0.85 ~0.95%, Mo0.03-0.05%,Cr0.30 ~0.40%, Als0.010 ~0.025%, P ≤ 0.015%, S ≤ 0.015%，其余為 Fe 和不可避免的
雜質(zhì)元素。
[0008]本發(fā)明還提供鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼制備車輪的方法，包括冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序，熱處理工序?yàn)?首先在840-860°C保溫2.0-2.5小時(shí)后，空冷至室溫，然后在830 - 850°C保溫2.0-2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至550°C以下，輪輞內(nèi)部金屬以2V /s~5°C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在500 - 520°C回火處理4.5-5.0小時(shí)。
[0009]下面具體說明本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容:
[0010]到目前為止，國(guó)內(nèi)外火車車輪用鋼均為鐵素體-珠光體組織的中、高碳碳素鋼，這種組織在硬度水平相當(dāng)時(shí)，具有最好的耐磨性，因此，本發(fā)明的車輪用鋼應(yīng)具有鐵素體-珠光體組織狀態(tài)。
[0011]從耐磨性方面考慮，C對(duì)強(qiáng)、硬度貢獻(xiàn)最大，隨著碳含量的提高，將會(huì)明顯提高車輪的強(qiáng)度硬度指標(biāo)，改善車輪的耐磨性能，但其含量過高將降低車輪的韌性和塑性，因此本發(fā)明將C的范圍確定為0.72-0.77%之間。
[0012]從合金元素對(duì)性能的影響規(guī)律看，為獲得高的強(qiáng)度硬度性能和高的塑性性能，應(yīng)實(shí)施復(fù)合微合金化。因此，本發(fā)明重點(diǎn)對(duì)車輪鋼中的S1、Mn、Cr、Mo、Als含量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
[0013]由化學(xué)成分與Acl、Ac3點(diǎn)的關(guān)系看，提高Si含量使車輪受熱、冷卻時(shí)不易發(fā)生奧氏體相變、馬氏體轉(zhuǎn)變，有助于改善車輪材料抗熱損傷性能，但過高的Si會(huì)增加材料的熱敏感性和脆性。因此本發(fā)明將Si的范圍確定為0.90-1.10%之間。
[0014]Mn是本發(fā)明中重要的強(qiáng)化元素，能夠有效提高車輪強(qiáng)度硬度性能，從而提高車輪的耐磨性能，但過高M(jìn)n對(duì)車輪的綜合機(jī)械性能和加工性能有不良影響，故Mn含量控制在
0.85 ~0.95% 之間。
[0015]Cr.Mo是次要的固溶強(qiáng)化元素，能夠有效提高工件強(qiáng)硬度性能，從而提高工件的耐磨性能，但是從Cr元素對(duì)完全珠光體臨界冷卻速度的影響規(guī)律看，為使鐵素體-珠光體組織易于獲得，Cr含量應(yīng)該控制在0.30-0.40%,Mo含量應(yīng)該控制在0.03-0.05%。
[0016]Als可以通過細(xì)化晶粒以使車輪獲得較好的塑性和韌性，故Als含量控制在
0.010-0.030% 之間。
[0017]P和S是雜質(zhì)元素，故其含量應(yīng)該控制在不超過0.015%。
[0018]為了實(shí)現(xiàn)與上述技術(shù)方案相同的發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼的制備方法，包括電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序，熱處理工序?yàn)?在840-860°C保溫
2.0-2.5小時(shí)，空冷至室溫，然后在830 - 850°C保溫2.0-2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至550°C以下，輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s~5°C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在500 - 520°C回火處理
4.5-5.0 小時(shí)。
[0019]在上述的熱處理工序中，在840-860"C保溫2.0-2.5小時(shí)后，空冷至室溫，室溫約25°C左右，增加此步驟，可使輪輞晶粒度由軋態(tài)的2.0級(jí)左右提升至6.0級(jí)左右。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明獲得了以下有益效果:本發(fā)明制備的車輪在保持常規(guī)CL70車輪塑韌性的基礎(chǔ)上使強(qiáng)度、硬度性能顯著增加，有效提高了車輪的耐磨性能和抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能，從而獲得了更良好的綜合力學(xué)性能；同時(shí)，本發(fā)明制成的車輪能夠保持原有車輪的鐵素體-珠光體組織狀態(tài)，不增大車輪制備的難度；另外，本發(fā)明制備的車輪能夠有效減少鋼軌的磨損，更有利于提高鋼軌的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本說明書包括以下附圖，所示內(nèi)容分別是:[0022]圖1是常規(guī)CL70車輪輪輞金相組織；
[0023]圖2是本發(fā)明車輪輪輞金相組織；
[0024]圖3是實(shí)施例車輪與常規(guī)CL70鋼車輪在經(jīng)100萬次循環(huán)后磨耗量的對(duì)比圖；【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖1-3及實(shí)施例1-2對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說明。
[0026]實(shí)施例1-2中的車輪鋼的化學(xué)成分重量百分比如表1所示，實(shí)施例1-2均采用100噸超高功率電弧爐冶煉經(jīng)LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成Φ 380mm的圓坯，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后形成直徑為915mm的車輪。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]將化學(xué)成分如表1實(shí)施例1的鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。所述的熱處理工序?yàn)?首先在855°C保溫2.0小時(shí)后，空冷至20°C左右，然后在845°C保溫2.0小時(shí)，噴水冷卻輪輞至510°C，使輪輞內(nèi)部金屬以4°C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在510°C回火處理4.5小時(shí)。
[0029]如圖1、2所示， 本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織與常規(guī)CL70鋼車輪基本一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體。本實(shí)施例車輪機(jī)械性能如表2所示，其塑性指標(biāo)與常規(guī)CL70鋼車輪基本相同，而強(qiáng)度和硬度比常規(guī)CL70鋼車輪明顯提高。在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了磨耗性能對(duì)比試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下(試驗(yàn)過程中下試樣為本實(shí)施例制備的車輪試樣和常規(guī)CL70鋼車輪試樣,上試樣均為相同硬度的U71Mn鋼軌試樣,下試樣轉(zhuǎn)速400rpm，上試樣轉(zhuǎn)速360rpm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率0.75%，接觸應(yīng)力2200MPa，循環(huán)次數(shù)100萬次)，本發(fā)明車輪的磨耗失重量比常規(guī)CL70鋼車輪明顯降低，如圖3所示。在麗S-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞對(duì)比試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下(試驗(yàn)過程中上試樣為常規(guī)CL70鋼車輪試樣，下試樣為本實(shí)施例制備的車輪試樣，下試樣轉(zhuǎn)速400rpm,上試樣轉(zhuǎn)速360rpm ;對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率10.5%，接觸應(yīng)力llOOMPa)，經(jīng)過250萬次循環(huán)后，常規(guī)CL70鋼車輪試樣發(fā)生剝落現(xiàn)象，而本實(shí)施例制備的車輪試樣除壓痕外未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象，這表明本實(shí)施例抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能優(yōu)于常規(guī)CL70鋼車輪。
[0030]這表明本發(fā)明制備的車輪與常規(guī)CL70鋼車輪塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度、耐磨性能、抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能明顯提高，從而獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。
[0031]同時(shí)，從圖3還可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，與本實(shí)施例制備的車輪試樣進(jìn)行對(duì)磨的U71Mn鋼軌試樣的磨耗失重量也比常規(guī)CL70鋼車輪試樣進(jìn)行對(duì)磨的U71Mn鋼軌試樣的磨耗失重量明顯降低，這也更有利于提高鋼軌的使用壽命。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]將化學(xué)成分如表1實(shí)施例2的鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。熱處理工序?yàn)?首先在845°C保溫2.0小時(shí)后，空冷至室溫25°C左右，然后在835°C保溫2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至500°C，使輪輞內(nèi)部金屬以3°C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在500°C回火處理5.0小時(shí)。
[0034]如圖1、2所示，本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織與常規(guī)CL70鋼車輪基本一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體。本實(shí)施例車輪機(jī)械性能如表2所示，其塑性指標(biāo)與常規(guī)CL70鋼車輪基本相同，而強(qiáng)度和硬度比常規(guī)CL70鋼車輪明顯提高。在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了磨耗性能對(duì)比試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下(試驗(yàn)過程中下試樣為本實(shí)施例制備的車輪試樣和常規(guī)CL70鋼車輪試樣,上試樣均為相同硬度的U71Mn鋼軌試樣,下試樣轉(zhuǎn)速400rpm，上試樣轉(zhuǎn)速360rpm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率0.75%，接觸應(yīng)力2200MPa，循環(huán)次數(shù)100萬次)，本發(fā)明車輪的磨耗失重量比常規(guī)CL70鋼車輪明顯降低，如圖3所示。在麗S-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞對(duì)比試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下(試驗(yàn)過程中上試樣為常規(guī)CL70鋼車輪試樣，下試樣為本實(shí)施例制備的車輪試樣，下試樣轉(zhuǎn)速400rpm,上試樣轉(zhuǎn)速360rpm ;對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率10.5%，接觸應(yīng)力llOOMPa)，經(jīng)過250萬次循環(huán)后，常規(guī)CL70鋼車輪試樣發(fā)生剝落現(xiàn)象，而本實(shí)施例制備的車輪試樣除壓痕外未發(fā)現(xiàn)剝落現(xiàn)象，如所示，這表明本實(shí)施例抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能優(yōu)于常規(guī)CL70鋼車輪。
[0035]這表明本發(fā)明制備的車輪與常規(guī)CL70鋼車輪塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度、耐磨性能、抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能明顯提高，從而獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。
[0036]同時(shí)，從圖3還可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，與本實(shí)施例制備的車輪試樣進(jìn)行對(duì)磨的U71Mn鋼軌試樣的磨耗失重量也比常規(guī)CL70鋼車輪試樣進(jìn)行對(duì)磨的U71Mn鋼軌試樣的磨耗失重量明顯降低，這也更有利于提高鋼軌的使用壽命。
[0037]表1實(shí)施例1 一 2及常規(guī)CL70鋼所采用的火車車輪的合金成分(重量百分比％)
[0038]
【權(quán)利要求】
1.鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼，其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比為:c0.72~0.77%, Si 0.90 ~1.1%，Mn 0.85 ~0.95%，Mo 0.03-0.05%, Cr 0.30 ~0.40%，Als 0.010 ~0.025%，P≤0.015%, S≤0.015%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼，其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比為:C 0.73 ~0.76%, Si 0.92 ~1.05%, Mn 0.87 ~0.92%, Mo 0.03-0.05%, Cr0.30 ~0.38%, Als 0.015 ~0.024%, P ≤0.015%, S ≤ 0.015%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比為:c 0.73%, Si 0.92%,Mn 0.87%,Mo 0.03%, Cr 0.30%, Als 0.024%, P 0.007%,S 0.008%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的鐵路貨車用高碳低合金車輪鋼制備車輪的方法，包括熱處理工序，其特征在于，熱處理工序?yàn)?在840-860°C保溫2.0-2.5小時(shí)，空冷至室溫，然后在830 - 850°C保溫2.0-2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至550°C以下，輪輞內(nèi)部金屬以2V /s~50C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在500 - 520°C回火處理4.5-5.0小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備車輪的方法，其特征在于，所述熱處理工序?yàn)?在845-855°C保溫2.0-2.5小時(shí)，空冷至室溫，然后在835 — 845°C保溫2.0-2.5小時(shí)，噴水冷卻輪輞至550°C以下，輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s~5°C /s的冷卻速度加速冷卻，最后在500 —510°C回火處理4.5-5.0小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C22C38/22GK103710627SQ201310731332
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】陳剛, 王世付, 李翔, 江波, 趙海, 鄧榮杰, 鐘斌, 孫曼麗 申請(qǐng)人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司