一種鐵路車輪用含釩中碳鋼,其用途及其熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路輾鋼車輪的制造領(lǐng)域，具體涉及一種鐵路車輪用含釩中碳鋼的合 金化設(shè)計(jì)及車輪制備的熱處理方法，主要涉及提高車輪斷裂韌性指標(biāo)的合金化設(shè)計(jì)和熱處 理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輪是鐵路機(jī)車車輛最為重要的走行部件之一，在支撐機(jī)車車輛運(yùn)行的同時(shí)還承 擔(dān)著傳遞牽引動(dòng)力和制動(dòng)力的基礎(chǔ)作用，因此，車輪對(duì)于鐵路運(yùn)輸?shù)囊饬x是不言而喻的。世 界上有鐵路運(yùn)輸?shù)膰?guó)家均會(huì)對(duì)車輪的生產(chǎn)或使用進(jìn)行研宄，車輪生產(chǎn)、運(yùn)用和維護(hù)水平往 往也從某種程度上代表了這個(gè)國(guó)家的鐵路發(fā)展水平。
[0003] 我國(guó)是鐵路大國(guó)，對(duì)車輪技術(shù)的研宄從未間斷，特別是近些年隨著國(guó)內(nèi)車輪生產(chǎn) 制造技術(shù)的不斷深化，鐵路車輪整體研發(fā)技術(shù)水平已經(jīng)有了顯著提升，部分產(chǎn)品已達(dá)世界 先進(jìn)水平。
[0004] 目前我國(guó)鐵路使用的車輪按照其生產(chǎn)工藝的不同可分為輾鋼車輪和鑄鋼車輪。輾 鋼車輪的使用歷史較長(zhǎng)，最早于1964年投入運(yùn)用，運(yùn)用范圍涵蓋了貨車、客車、機(jī)車和動(dòng)車 組。而鑄鋼車輪在國(guó)內(nèi)的使用時(shí)間相對(duì)較短，正式使用開(kāi)始于1998年，目前僅運(yùn)用于貨車， 沒(méi)有在客車、機(jī)車、動(dòng)車組上使用。歐洲和日本等以客運(yùn)鐵路為主的國(guó)家也是以輾鋼車輪為 主。
[0005] 強(qiáng)度和韌性一直是車輪材料研宄和開(kāi)發(fā)的一對(duì)矛盾體。長(zhǎng)期以來(lái)，在滿足強(qiáng)度和 硬度的情況下，車輪鋼的很難達(dá)到較高水平，通過(guò)降低碳含量來(lái)提高韌性時(shí)又常常使強(qiáng)度 達(dá)不到要求。為此，成分設(shè)計(jì)方面，多采用降低碳含量并進(jìn)行微合金化的方法來(lái)改善車輪鋼 的強(qiáng)韌性。雖然各國(guó)對(duì)微合金化元素釩在車輪鋼中的作用的看法各不相同，但含釩鋼車輪 在各國(guó)也得到了應(yīng)用，在我國(guó)，按TJZL-01-2004《中國(guó)鐵路機(jī)車用粗制整體輾鋼車輪訂貨技 術(shù)條件》生產(chǎn)的牌號(hào)3整體機(jī)車輪以及后來(lái)按TJ/JW004-2013《鐵路機(jī)車Jll、J12鋼整體 輾鋼車輪技術(shù)條件》生產(chǎn)的J11整體機(jī)車輪采用的都是含釩車輪鋼。
[0006] 韌性是車輪鋼材料性能的重要指標(biāo)之一。隨著列車速度的提高，對(duì)車輪鋼的韌性 也提出了越來(lái)越高的要求。斷裂韌性是表征材料韌性的常用方法，由于斷裂韌性試驗(yàn)是建 立在比較嚴(yán)格的斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的，因此斷裂韌性更能反映材料的韌性和使用質(zhì)量，對(duì)于 作為機(jī)車車輛關(guān)鍵行走部件的車輪，斷裂韌性水平的高低尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種改善機(jī)車車輛用含釩中碳鋼車輪斷裂韌性的合金化 設(shè)計(jì)及熱處理方法，使得采用這種合金化設(shè)計(jì)和熱處理方法的含釩中碳鋼車輪在具有高強(qiáng) 度和硬度基礎(chǔ)上，顯著提高其斷裂韌性，從而確保機(jī)車車輛車輪具有良好的使用安全性能。 具體技術(shù)方案如下：
[0008] 一種含釩中碳車輪鋼，進(jìn)一步地，按照質(zhì)量百分比含有：C0.48~0.56%、Si 0. 15 ~0.40%、Mn0.60 ~0.90%、V0.06 ~0.015%、（X0.30%，Als彡 0.010%、P彡0. 030%、S彡0. 025%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0009] 進(jìn)一步地，P和S的含量不超過(guò)0.015%。
[0010] 進(jìn)一步地，按照質(zhì)量百分比含有：C0. 54%、Si0. 25%、Mn0. 73%、V0. 086%、Cr 0.20%，Als0.010%、P0.006%、S彡0.002%。
[0011] 上述的含釩中碳車輪鋼的用途，用于制造鐵路車輪。
[0012] 上述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，包括如下步驟：
[0013] (1)車輪隨爐升溫至860~920°C;
[0014] (2)保溫；
[0015] (3)出爐噴水冷卻；
[0016] (4)放入 480 ~500°C爐中；
[0017] (5)保溫；
[0018] (6)出爐空冷。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟（1)中所述車輪首先經(jīng)過(guò)常規(guī)工藝軋制、粗加工。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟（2)中保溫2. 5-3.Oh。
[0021] 進(jìn)一步地，步驟（3)中出爐噴水冷卻300-400s。
[0022] 進(jìn)一步地，步驟（5)中保溫4-5h。
[0023] 與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明對(duì)含釩中碳車輪鋼進(jìn)行合金化設(shè)計(jì)并對(duì)車輪進(jìn)行熱 處理，車輪具有相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度和硬度，同時(shí)改善了斷裂韌性，顯著提高了車輪的綜合使用性 能。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為高Als50. 3MPa.m1/2輪斷裂韌性試樣起裂處的顯微組織
[0025] 圖2為低Als74. 2MPa.m1/2輪斷裂韌性試樣起裂處的顯微組織
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其為本發(fā)明多種實(shí)施方式中的一種優(yōu)選實(shí) 施例。
[0027] 一種鐵路車輪用含釩中碳鋼車輪合金化設(shè)計(jì)，其化學(xué)成分重量百分比為：C 0. 48 ~0. 56%、Si0. 15 ~0. 40%、Mn0. 60 ~0. 90%、V0. 06 ~0. 015%、Cr彡 0. 30%， Als彡0. 010%、P彡0. 030%、S彡0. 025%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還 提供適用于這種車輪鋼的熱處理工藝方法，包括淬火+回火工藝。
[0028] 本發(fā)明主要是針對(duì)碳含量在0. 48~0. 56%、釩含量在0. 006~0. 015%的含釩中 碳車輪鋼。從合金元素對(duì)性能的影響規(guī)律看，為獲得高的強(qiáng)韌配合可采用微合金化。因此， 本發(fā)明重點(diǎn)對(duì)車輪鋼中的Si、Mn、Cr、Als含量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
[0029]Si是車輪鋼中重要強(qiáng)化元素，作為置換原子發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用。Si在提高鋼強(qiáng)度 的同時(shí)，還提高其淬透性和耐磨性，但Si含量的增加會(huì)提高材料的熱敏感性和脆性，不利 于提高韌性，因此本發(fā)明將Si的范圍確定為0. 15-0. 40%之間。
[0030] Mn是車輪鋼中重要強(qiáng)化元素，一般大部分作為置換原子發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用，少量 形成碳化物。Mn在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)，還提高其淬透性，但也增加了鋼的過(guò)熱敏感性和回火 脆性傾向，故Mn含量控制在0. 60-0. 90%之間。
[0031]Cr是次要的固溶強(qiáng)化元素，一般一部分作為置換原子發(fā)揮固溶強(qiáng)化作用，一部分 形成碳化物。Cr不僅能增加鋼的淬透性，而且能在提高高碳鋼硬度和耐磨性性的同時(shí)而不 使鋼變脆，還能提高鋼的高溫機(jī)械性能。但Cr的增加會(huì)導(dǎo)致塑韌性的降低，Cr含量應(yīng)該控 制在< 0? 30%。
[0032] 車輪鋼的服役組織為鐵素體+珠光體。鐵素體是材料中的軟相，韌性較好，和鐵素 體相比，珠光體的韌性較差。一般情況下，鐵素體的體積分?jǐn)?shù)越高，材料的韌性越好。
[0033] 對(duì)Als含量在0. 05-0. 10%和0. 20-0. 30%的不同Als含量的中碳含釩鋼車輪的 斷裂韌性進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明低Als含量的車輪鋼的斷裂韌性明顯高于高Als含量車輪。 為分析斷裂韌性差異過(guò)大的原因，取已完成檢驗(yàn)的高、低Als含量的車輪斷裂韌性試樣，在 起裂處取樣用掃描電鏡進(jìn)行了斷口分析、用金相顯微鏡進(jìn)行了顯微組織分析。
[0034] 掃描電鏡斷口分析未發(fā)現(xiàn)任何冶金因素的異常，可排除鋼質(zhì)的影響。
[0035] 顯微組織分析則發(fā)現(xiàn)，由于Als含量較高使V的固溶量增多，高Als含量的車輪試 樣中的鐵素體（韌性相）含量明顯低于低Als含量的車輪試樣，導(dǎo)致車輪斷裂韌性降低。
[0036] 因此，降低中碳含釩車輪鋼中Als含量，可解決斷裂韌性偏低問(wèn)題。根據(jù)解剖分析 結(jié)果，確定Als含量控制在< 0.010%。
[0037] P和S是雜質(zhì)元素，故其含量應(yīng)該控制在不超過(guò)0.015%。
[0038] 在較低的加熱溫度下，含V鋼的鐵素體含量較多，因而斷裂韌性較高。隨加熱溫度 提高，鐵素體含量減少，含V鋼的斷裂韌性降低，強(qiáng)度增加。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了該種鋼車輪的 較佳的熱處理溫度范圍，使得車輪的強(qiáng)度和韌性都處在較高水平。
[0039] 具體的熱處理方法如下：
[0040] 將按照常規(guī)工藝軋制、粗加工后的車輪隨爐升溫至860~920°C，保溫2. 5-3.Oh出 爐噴水冷卻300-400S，然后放入480~500°C爐中，保溫4-5h后，出爐空冷。
[0041] 實(shí)施例1:
[0042] 實(shí)施例1和對(duì)比例1車輪鋼熔煉化學(xué)成分見(jiàn)表1。
[0043] 表1實(shí)施例1及對(duì)比例1車輪鋼熔煉化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，wt-% )
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含釩中碳車輪鋼，其特征在于，按照質(zhì)量百分比含有：C0.48~0. 56%、Si 0. 15 ~0. 40%、Mn0. 60 ~0. 90%、V0. 06 ~0. 015%、Cr彡 0. 30%，Als彡 0. 010 %、 P彡0. 030%、S彡0. 025%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2. 如權(quán)利要求1所述的含釩中碳車輪鋼，其特征在于，P和S的含量不超過(guò)0. 015%。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的含釩中碳車輪鋼，其特征在于，按照質(zhì)量百分比含有： C0.54%,Si0.25%,Mn0.73%,V0.086%,Cr0.20%,Als0.010%,P0.006%, S彡 0? 002% 〇
4. 如權(quán)利要求1-3所述的含釩中碳車輪鋼的用途，其特征在于，用于制造鐵路車輪。
5. 如權(quán)利要求1-3所述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 車輪隨爐升溫至860~920°C; (2) 保溫； (3) 出爐噴水冷卻； (4) 放入480~500 °C爐中； (5) 保溫； (6) 出爐空冷。
6. 如權(quán)利要求5所述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，其特征在于，步驟⑴中所述車 輪首先經(jīng)過(guò)常規(guī)工藝軋制、粗加工。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，其特征在于，步驟⑵中保 溫 2. 5-3.Oh。
8. 如權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，其特征在于，步驟 (3)中出爐噴水冷卻300-400s。
9. 如權(quán)利要求5-8中任一項(xiàng)所述的含釩中碳車輪鋼的熱處理方法，其特征在于，步驟 (5)中保溫4-5h。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鐵路車輪用含釩中碳鋼，其用途及其熱處理方法，其化學(xué)成分重量百分比為：C 0.48～0.56％、Si 0.15～0.40％、Mn 0.60～0.90％、V 0.06～0.015％、Cr≤0.30％，Als≤0.010％、P≤0.030％、S≤0.025％、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還提供適用于這種車輪鋼的熱處理工藝方法，包括淬火+回火工藝。本發(fā)明對(duì)含釩中碳車輪鋼進(jìn)行合金化設(shè)計(jì)并對(duì)車輪進(jìn)行熱處理，車輪具有相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度和硬度，同時(shí)改善了斷裂韌性，顯著提高了車輪的綜合使用性能。
【IPC分類】C21D9-34, C22C38-12, C21D8-00, C22C38-24
【公開(kāi)號(hào)】CN104789874
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510231019
【發(fā)明人】鐘斌, 陳剛, 魯松, 江波, 趙海, 畢軍華, 鄒強(qiáng), 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
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年5月7日