本發(fā)明涉及一種中碳鐵路貨車用車輪鋼及其制備方法，尤其涉及23t-30t軸重、運(yùn)行速度≤160km/h的中碳鐵路貨車用車輪剛及其制備方法。
背景技術(shù)：
：早在20世紀(jì)的20年代，griffith就提出了著名的裂紋體的脆斷強(qiáng)度理論。但由于當(dāng)時(shí)工業(yè)中使用的金屬結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度較低、塑形和韌性很好，因而構(gòu)件發(fā)生脆斷的情況很少。第二次世界大戰(zhàn)后，在相當(dāng)多的工業(yè)部門，尤其是航空航天工業(yè)中，廣泛使用高強(qiáng)度材料，引起了一系列的脆斷事故。因此，防止構(gòu)件裂紋萌生、抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力是斷裂力學(xué)認(rèn)為能夠真實(shí)反映材料的重要性能指標(biāo)，對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。既然是材料本身所固有的力學(xué)性能，它就由材料的成分，組織和結(jié)構(gòu)決定。成分不同，材料的抗裂紋萌生、抗裂紋擴(kuò)展能力會(huì)有明顯的不同。若對(duì)同一成分的材料，如采用不同的制備、加工和熱處理工藝，則也會(huì)獲得不同的斷裂力學(xué)性能。為盡快解決鐵路運(yùn)力不足問(wèn)題，原鐵道部早在2003年6月就提出重載運(yùn)輸?shù)蔫F路貨運(yùn)發(fā)展戰(zhàn)略，近幾年來(lái)通過(guò)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，同時(shí)，160km/h運(yùn)行速度的快捷貨運(yùn)也提到了議事日程，可以預(yù)見(jiàn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，快速重載貨運(yùn)在國(guó)內(nèi)必然會(huì)得到迅猛發(fā)展。但是，貨運(yùn)快速重載的發(fā)展對(duì)現(xiàn)有常規(guī)cl60車輪材料提出了挑戰(zhàn)性要求，這是因?yàn)樗俣群洼S重的增加不可避免的會(huì)引起車輪的使用條件惡化，沖擊力加劇，輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)明顯惡化，不僅磨損、接觸疲勞等機(jī)械損傷將成為車輪使用過(guò)程中的突出問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)車輪材料的抗裂紋萌生和抗裂紋擴(kuò)展能力也提出了越來(lái)越高的要求。為了適應(yīng)貨運(yùn)快速重載的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已基本開(kāi)發(fā)成功常規(guī)cl65材質(zhì)貨車車輪，其服役性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的cl60材質(zhì)貨車輪，但是隨著速度的進(jìn)一步增加，可以預(yù)見(jiàn)，將會(huì)使車輪的使用條件進(jìn)一步惡化，因此，為未來(lái)快捷貨運(yùn)做準(zhǔn)備，極有必要開(kāi)發(fā)出有效改善斷裂力學(xué)性能的車輪材質(zhì)，在穩(wěn)定車輪的強(qiáng)硬度性能水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高車輪抗裂紋萌生和抵抗裂紋擴(kuò)展能力，使其能夠更好的適應(yīng)未來(lái)貨運(yùn)快速重載的需要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種中碳鐵路貨車用車輪鋼及其制備方法，該方法能夠有效改善23t-30t軸重、運(yùn)行速度≤160km/h的車輪鋼的斷裂力學(xué)性能。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種中碳鐵路貨車用車輪鋼，包括以下重量百分比的化學(xué)成分：c0.62～0.68％、si0.70～1.10％、mn0.70～0.90％、cr≤0.15％、v0.07-0.15％、p≤0.012％、s≤0.012％、n0.006～0.009％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素。進(jìn)一步地，所述化學(xué)成分及重量百分比優(yōu)選為：c0.63～0.67％、si0.72～1.05％、mn0.76～0.85％、cr0.04～0.13％、v0.08-0.14％、p0.004～0.006％、s0.006～0.010％、n0.006～0.0087％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素。進(jìn)一步地，所述化學(xué)成分及重量百分比優(yōu)選為：c0.63％、si0.72％、mn0.76％、cr0.004％、v0.08％、p0.004％、s0.006％、n0.006％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素。進(jìn)一步地，所述化學(xué)成分及重量百分比優(yōu)選為：c0.67％、si1.05％、mn0.85％、cr0.13％、v0.14％、p0.006％、s0.010％、n0.0087％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素本發(fā)明還提供了所述中碳鐵路貨車用車輪鋼的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：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；所述的熱處理工序?yàn)椋菏紫仍?50-870℃保溫2.0-2.5小時(shí)后，空冷至室溫，然后加熱至870-890℃保溫2.5-3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，然后在500-520℃回火處理4.0小時(shí)。輪輞噴水冷卻使輪輞內(nèi)部金屬以2℃/s～5℃/s的冷卻速度加速冷卻到560℃以下。進(jìn)一步地，所述的熱處理工序?yàn)椋菏紫仍?55-865℃保溫2.0-2.5小時(shí)后，空冷至室溫，然后加熱至875-885℃保溫2.5-3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，然后在500-520℃回火處理4.0小時(shí)。進(jìn)一步地，所述的熱處理工序?yàn)椋菏紫仍?55℃保溫2.0小時(shí)后，空冷至室溫，然后加熱至875℃保溫3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，然后在520℃回火處理4.0小時(shí)。進(jìn)一步地，所述的熱處理工序?yàn)椋菏紫仍?65℃保溫2.0小時(shí)后，空冷至室溫，然后加熱至885℃保溫3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，然后在500℃回火處理4.0小時(shí)。所述中碳鐵路貨車用車輪鋼的金相組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體。對(duì)于重載貨運(yùn)車輪來(lái)說(shuō)，首要考慮是耐磨性，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(guò)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0.62-0.68％之間。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si、mn、v含量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由化學(xué)成分與ac1、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(guò)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0.70-1.10％之間。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(guò)高mn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0.70-0.90％之間。v是固溶強(qiáng)化元素，同時(shí)可以與n結(jié)合形成vn達(dá)到細(xì)化晶粒的作用，在合理的熱處理?xiàng)l件下可同時(shí)提高車輪的強(qiáng)硬度和韌性綜合性能。但v含量過(guò)高，會(huì)明顯提高車輪鋼的淬透性能，誘發(fā)非鐵素體-珠光體組織的形成，因此，v含量應(yīng)該控制在0.07-0.15％，同時(shí)，為確保細(xì)化晶粒的效果，n含量應(yīng)該控制在0.006-0.009％。p和s是雜質(zhì)元素，故其含量應(yīng)該控制在不超過(guò)0.012％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：本發(fā)明制備的車輪相比cl65材質(zhì)車輪鋼，在強(qiáng)硬度水平基本相當(dāng)?shù)臈l件下，能夠有效提高車輪的裂紋擴(kuò)展門檻值和斷裂韌性，從而有效增強(qiáng)了車輪的抗裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展能力。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。附圖說(shuō)明圖1為常規(guī)cl65材質(zhì)車輪輪輞金相組織；圖2為實(shí)施例1-2車輪輪輞金相組織。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖1-2及實(shí)施例1-2對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例1一種中碳鐵路貨車用車輪鋼，包括如表1中實(shí)施例1所示的重量百分比的化學(xué)成分。其制備方法為：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的圓坯，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后形成直徑為1098mm的車輪，具體為：鋼水經(jīng)過(guò)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)椋菏紫仍?55℃保溫2.0小時(shí)后，空冷至室溫，在875℃保溫3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以2℃/s～5℃/s的冷卻速度加速冷卻到560℃以下，最后在520℃回火處理4小時(shí)。如圖1、2所示，本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織與cl65材質(zhì)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，其強(qiáng)硬度指標(biāo)與cl65材質(zhì)車輪相當(dāng)，但塑性指標(biāo)上升。在zwickhfp300kn高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展門檻值對(duì)比試驗(yàn)，試樣為直通型ct30mm，均取自cl65材質(zhì)車輪和本實(shí)施例車輪輪輞相同部位處，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，相比于cl65材質(zhì)車輪，本實(shí)施例的裂紋擴(kuò)展門檻值更好，阻止裂紋萌生的能力更強(qiáng)。按gb/t4161-2007標(biāo)準(zhǔn)，采用ct50mm直通型缺口緊湊拉伸試樣在mts試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行輪輞斷裂韌性kic測(cè)試試驗(yàn)，試樣均取自cl65材質(zhì)車輪和本實(shí)施例車輪輪輞相同部位處。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，本實(shí)施例斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于對(duì)比例，阻止裂紋擴(kuò)展能力更強(qiáng)。實(shí)施例2一種中碳鐵路貨車用車輪鋼，包括如表1中實(shí)施例2所示的重量百分比的化學(xué)成分。其制備方法為：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的圓坯，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后形成直徑為1098mm的車輪，具體為：鋼水經(jīng)過(guò)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)椋菏紫仍?65℃保溫2.0小時(shí)后，空冷至室溫，在885℃保溫3小時(shí)，輪輞噴水冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以2℃/s～5℃/s的冷卻速度加速冷卻到560℃以下，最后在500℃回火處理4小時(shí)。如圖1、2所示，本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織與cl65材質(zhì)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，其強(qiáng)硬度指標(biāo)與cl65材質(zhì)車輪相當(dāng)，但塑性指標(biāo)上升。在zwickhfp300kn高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展門檻值對(duì)比試驗(yàn)，試樣為直通型ct30mm，均取自對(duì)比例和本實(shí)施例車輪輪輞相同部位處，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，相比于cl65材質(zhì)車輪，本實(shí)施例的裂紋擴(kuò)展門檻值更好，阻止裂紋萌生的能力更強(qiáng)。按gb/t4161-2007標(biāo)準(zhǔn)，采用ct50mm直通型缺口緊湊拉伸試樣在mts試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行輪輞斷裂韌性kic測(cè)試試驗(yàn)，試樣均取自cl65材質(zhì)車輪和本實(shí)施例車輪輪輞相同部位處。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，本實(shí)施例斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于cl65材質(zhì)車輪，阻止裂紋擴(kuò)展能力更強(qiáng)?？梢?jiàn)，本發(fā)明制備的車輪相比cl65材質(zhì)車輪鋼，在強(qiáng)硬度水平基本相當(dāng)?shù)臈l件下，能夠顯著提高車輪的裂紋擴(kuò)展門檻值和斷裂韌性，從而有效增強(qiáng)了車輪的抗裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展能力。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。表1實(shí)施例1-2及常規(guī)cl65材質(zhì)所采用的車輪合金成分(重量百分比％)csimnpscrvn實(shí)施例10.630.720.760.0040.0060.040.080.006實(shí)施例20.671.050.850.0060.0100.130.140.0087cl65材質(zhì)0.540.300.780.0090.0140.250.0040.0047表2實(shí)施例1-2和常規(guī)cl65材質(zhì)制造的車輪輪輞機(jī)械性能rm(mpa)a％z％踏面下30mm處硬度(hb)實(shí)施例110481642.6299實(shí)施例210661739.3305cl65材質(zhì)10471640.5301表3實(shí)施例1-2和cl65材質(zhì)制造的車輪輪輞裂紋擴(kuò)展門檻值試驗(yàn)結(jié)果表4實(shí)施例1-2和cl65材質(zhì)制造的車輪輪輞斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果上述參照實(shí)施例對(duì)一種中碳鐵路貨車用車輪鋼及其制備方法進(jìn)行的詳細(xì)描述，是說(shuō)明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個(gè)實(shí)施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12