CN100395366C - 一种铁道车辆车轮用贝氏体钢 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种铁道车辆车轮用贝氏体钢，该贝氏体钢由下列合金元素按质量百分比(%)组成：碳C：0.08～0.45%，硅Si：0.60～2.10%，锰Mn：0.60～2.10%，钼Mo：0.08～0.60%，镍Ni：0.00～2.10%，铬Cr：＜0.25%，钒V：0.00～0.20%，铜Cu：0.00～1.00%，其余为铁和杂质元素；利用贝氏体钢优异的强韧性，低缺口敏感性，高屈服强度，高疲劳强度和抗热裂性能好的特性，大大减少车轮辋裂、掉块现象，进一步提高铁道车辆用车轮的安全性和使用寿命，满足列车高速、重载的要求。

Description

一种铁道车辆车轮用贝氏体钢

技术领域

本发明属铁道车辆车轮用钢，即是一种制造铁道车辆车轮用的贝氏体钢。

背景技术

现用于铁道车辆的车轮用钢主要是普通碳素结构钢、低合金钢和微合金化钢，这些车轮用钢含碳量高，金相组织都是珠光体、铁素体型组织，含有一定数量的碳化物，因此，屈服强度不高，韧性储备不多，白点敏感性大，抗热裂性能差，车轮在高速、重载、复杂的运行条件下，容易产生疲劳、剥离等失效、破坏现象；详见“铁道车轮、轮箍失效分析及伤损图谱”P18页之表2-1常用车轮、轮箍化学成分和机械性能(张斌等著，中国铁道出版社、2002年、北京)之中的“TB/T2708-1996铁路快速客车辗钢整体车轮技术条件”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铁道车辆车轮用贝氏体钢，利用贝氏体钢优异的强韧性，低缺口敏感性，高屈服强度，高疲劳强度和抗热裂性能好的特性，进一步提高铁道车辆用车轮的安全性和使用寿命，满足列车高速、重载的要求。

本发明的技术方案是提供一种铁道车辆车轮用贝氏体钢，该贝氏体钢由下列合金元素按质量百分比(％)组成：

碳C：0.08～0.45％，硅Si：0.60～2.10％，锰Mn：0.60～2.10％，

钼Mo：0.08～0.60％，镍Ni：0.00～2.10％，铬Cr：＜0.25％，

钒V：0.00～0.20％，铜Cu：0.00～1.00％，其余为铁和杂质元素；

且该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的优化组成是：

碳C：0.15～0.23％，硅Si：1.40～1.80％，锰Mn：1.40～2.10％，

钼Mo：0.15～0.35％，钒V：0.07～0.12％，镍Ni：≤0.25％，铬Cr：＜0.25％，

硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素。

且该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的最优组成是：

碳C：0.20％，硅Si：1.43％，锰Mn：1.91％，钼Mo：0.30％，钒V：＜0.10％，镍Ni：0.22％，铬Cr：0.03％，硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素。

其中：

碳(C)的性质和作用是：钢中基本元素，具有强烈的间隙固溶强化和析出强化作用，随着含碳量的增加，强度增加，但降低韧性；碳含量对钢的金相组织和亚单元、微观结构等有明显的影响；对Ms、Bs点，随其含量的增加使其不断下降；碳在奥氏体中的溶解度要比在铁素体中大的多，而且是一个非常有效的奥氏体稳定元素，会延缓反应的动力学；最后组织中碳化物的体积分数与钢种的碳含量成正比，因此，碳含量必须保持在0.08～0.45wt％范围内以保证具有可靠的机械性能。

硅(Si)的性质和作用是：钢中基本合金元素，常用的脱氧剂，其原子直径明显小于铁的原子直径，对奥氏体、铁素体具有强烈固溶强化作用，使奥氏体的切变强度提高；Si是非碳化物形成元素，阻止渗碳体的析出，防止过冷奥氏体分解析出碳化物，在贝氏体转变过程中抑制碳化物的析出，促进贝氏体-铁素体间富碳奥氏体膜和(M-A)岛状组织的形成，是获得无碳化物贝氏体钢的主要元素；但是，随着钢中Si含量增加至大于某一含量时，会导致大量先共析铁素体的析出，使钢的强度和韧性降低；相反Si过低，不利于获得无碳化物贝氏体组织；根据Si在钢中的利弊，其加入量一般限制为0.60～2.10wt％。

锰(Mn)的性质和作用是：钢中基本合金元素，改善钢液脱氧、提高钢液流动性、稳定奥氏体、增加钢的淬透性等作用，一般能够提高钢的综合力学性能，明显地提高贝氏体淬透性及贝氏体钢的强度；Mn能提高磷的扩散系数，促进磷向晶界的偏聚，增加钢的脆性和回火脆性；综合Mn的利弊，其含量控制为0.60～2.10wt％。

钼(Mo)的性质和作用是：Mo是置换式固溶体合金元素，固溶于奥氏体中时能提高其淬透性，Mo提高AC₃线的斜率，使所生成的马氏体体积分数和成分范围变的很宽，易于生产中控制；Mo在铁素体内能形成碳化物沉淀相，强降低B_S点，使铁素体-珠光体转变大大推迟，对贝氏体转变的推迟作用不明显，使铁素体-珠光体与贝氏体连续冷却转变曲线上下分离，出现两个“C”形曲线；Mo含量大于0.20％时，使下临界冷却(与铁素体析出相切的冷速)降低；含量在0.20～0.40％时，作用已十分显著，当含量大于0.6％时，这种影响减少，因此，中低碳贝氏体钢中Mo的加入量为0.08～0.60％。

镍(Ni)的性质和作用是：镍是非碳化物形成元素，这方面与硅有相似的作用，但强烈降低B_S点，能提高钢的强度及韧性，是获得高冲击韧性必不可少的合金元素，并降低冲击韧性转变温度。

铬(Cr)的性质和作用是：铬是强碳化物形成元素，强烈降低Bs点，弱降低Ms点，是降低ΔBs/ΔMs比值最强的合金元素；铬对贝氏体相转变C曲线影响较大，能提高贝氏体淬透性和钢的强度。

钒(V)的性质和作用是：强碳化物、氮化物形成元素，减少钢中固溶氮的有害作用，有细化晶粒的作用，提高钢的韧性；钒在高温下阻止软化，并能显著提高钢的抗热裂性能。

铜(Cu)的性质和作用是：铜的熔点为1083℃，也是非碳化物形成元素，具有与镍相类同的作用，在钢中容易使钢的表明产生龟裂裂纹；铜促进奥氏体形成，故有石墨化的作用；铜可抗腐蚀，由于固溶强化和弥散硬化，铜可提高钢的屈服强度和抗拉强度。它一般加在低碳钢中，而且其含量不超过1.50％，为了防止龟裂的产生，钢中加入铜后，一般要加入镍。

本发明所提及的贝氏体钢只须要采用现有的炼钢设备和炼钢工艺，按照上述合金元素和含量冶炼而成，其钢的屈服强度R_eL≥700MPa，钢的接触疲劳性能较好(抗接触疲劳强度与屈服强度有关)；根据疲劳强度与抗拉强度的关系(钢的抗拉强度越高，钢的抗疲劳性能也越好)，抗热裂性与钢的马氏体转变开始点Ms(℃)的关系(车轮钢的马氏体转变开始点Ms越高，钢的抗热裂性能也越好)，贝氏体车轮钢的抗疲劳性能和抗热裂性能都比较好。

在通用的冶炼过程中，对合金元素钼、镍、钒、铜作适当调整，即以上述的含量，在钼、镍、钒、铜中任选一种或二至三种进行冶炼，然后，上述成分的钢连铸成钢坯，在车轮轮箍厂用专用的轧制设备采用通用的轧制工艺制成车轮，以及热处理工艺，在车轮轮辋距踏面50mm～70mm范围内的组织以板条状无碳化物贝氏体为主，所得的金相组织为贝氏体，并不含珠光体组织和碳化物，可以得到不同强度级别的车轮，满足不同车辆、不同使用条件下的铁道车辆车轮的要求。

工艺简介如下：

冶炼→圆锭→切锭→加热→锻压轧制车轮→等温排氢→淬火→检验。

本发明所提的铁道车辆车轮用的贝氏体钢具有很高的强韧性、接触疲劳性能和一定的耐磨性，贝氏体钢制成的车轮使用寿命长，大大减少车轮辋裂、掉块现象，使用安全、可靠。

附图说明

(略)

具体实施方式：

一种铁道车辆车轮用的贝氏体钢，该贝氏体钢由下列合金元素按质量百分比(％)组成：

碳C：0.08～0.45％，硅Si：0.60～2.10％，锰Mn：0.60～2.10％，

钼Mo：0.08～0.60％，镍Ni：0.00～2.10％，铬Cr：＜0.25％，钒V：0.00～0.20％，

铜Cu：0.00～1.00％，其余为铁和杂质元素；

且该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的优化组成是：

碳C：0.15～0.23％，硅Si：1.40～1.80％，锰Mn：1.40～2.10％，

钼Mo：0.15～0.35％，钒V：0.07～0.12％，镍Ni：≤0.25％，铬Cr：＜0.25％，

硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素；

且该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的最优组成是：

碳C：0.20％，硅Si：1.43％，锰Mn：1.91％，钼Mo：0.30％，钒V：＜0.10％，

镍Ni：0.22％，铬Cr：0.03％，硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素。

本发明在研究获得无碳化物贝氏体钢的化学组分及其含量范围的技术数据后，根据钢中合金元素的作用机理，借助关于贝氏体钢的性能参量与其主要化学组分及其含量之间的关系，根据经验公式分别计算出对应于设计成分范围内的上位、中位、下位成分的相关性能参量；将计算获得的参量与设计要求的参量进行比较，选定本发明实例的化学组分和含量；

1)钢的成分设计——成分设计目的是使钢的组织为无碳化物贝氏体，其方案见表1：

表1贝氏体钢几种典型化学成分设计方案/wt％

2)钢的性能参量-----根据经验公式，对表1的成分方案分别计算得出的性能数据见表2，经验计算公式如下(化学元素的含量用质量百分数)：

抗拉(破断)强度计算公式：

R_m(MPa)＝15.4(16+125C+15Mn+15Cr+12Mo+2.5Si+8Ni+4Cu)

屈服强度计算公式：

R_eL(MPa)＝(0.65～0.55)×R_m

贝氏体转变开始温度计算公式：

Bs点(℃)＝830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo

马氏体转变开始温度计算公式：

Ms点(℃)＝539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo

表2 几种贝氏体钢力学强度性能和相变点参数

3)对比例

本发明实例与对比例见表3和表4。

表3本发明例与对比例钢的化学成分/wt％

表4 本发明例与对比例车轮钢的力学性能

表3和表4中的对比例数据来源于《理化检验-物理分册》2001年第5期，第210～213页，由陈虎、陈刚撰文《25G客车车轮踏面缺陷分析》，表3和表4结果表明，本发明在碳含量远低于对比例情况下，综合力学性能远优于对比例，其主要原因是本发明车轮轮辋组织是以无碳物贝氏体组织为主，而对比例轮辋组织则是珠光体+断续网状铁素体。

表2中，方案A、B、C、D几种贝氏体钢的屈服强度、破断强度都符合设计要求：屈服强度大于700MPa，抗拉强度≥910MPa(TB/T2708-1996铁路快速客车辗钢整体车轮技术条件)，化学成分范围广、力学强度指标稳定，给生产组织带来一定的方便；对贝氏体转变开始点、马氏体转变开始点的分析、比较可知：相变转变温度也较合适。

实施例

通过上述参量数据的比较分析，设计方案A、B、C、D都满足设计要求。但是，基于无碳化物贝氏体钢的组织和性能之间的相互关系，车轮生产工艺的复杂性，以及尽量减少贵重元素，综合考虑后，就方案B的化学组分与含量进行了适量调整，作为本发明的实施例，化学成分见表5。

表5 无碳化物贝氏体钢的化学成分/wt％

按表5中的化学成分进行冶炼、轧制、热处理成成品车轮，经检验分析：距车轮踏面50～70mm范围内的显微组织主要是无碳化物贝氏体组织，只含少量粒状贝氏体；力学性能见表4，各项性能指标均远远优于本发明的对比例。

Claims (3)

1.一种铁道车辆车轮用贝氏体钢，该贝氏体钢由下列合金元素按质量百分比(％)组成：

碳C：0.08～0.45％，硅Si：0.60～2.10％，锰Mn：0.60～2.10％，

钼Mo：0.08～0.60％，镍Ni：0.00～2.10％，铬Cr：＜0.25％，

钒V：0.00～0.20％，铜Cu：0.00～1.00％，其余为铁和杂质元素。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆车轮用贝氏体钢，该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的组成是：

碳C：0.15～0.23％，硅Si：1.40～1.80％，锰Mn：1.40～2.10％，

钼Mo：0.15～0.35％，钒V：0.07～0.12％，镍Ni：≤0.25％，铬Cr：＜0.25％，

硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的铁道车辆车轮用贝氏体钢，该贝氏体钢的合金元素，按质量百分比(％)的组成是：

碳C：0.20％，硅Si：1.43％，锰Mn：1.91％，钼Mo：0.30％，钒V：＜0.10％，镍Ni：0.22％，铬Cr：0.03％，硫S≤0.015％，磷P≤0.015％，其余为铁和杂质元素。