CN102230069B - 一种车轮钢增韧的热处理工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种车轮钢增韧的热处理工艺方法，涉及高速车轮钢的增韧，特别涉及采用热处理的手段提高高速车轮钢的断裂韧性。本发明主要解决车轮钢生产过程中采用热处理组织不均匀而导致低的断裂韧性的问题。提出先采用（840~890）℃正火预处理，然后快速（10~20℃/min）加热将轧态车轮钢加到奥氏体区温度区间（810℃~860℃），并进行控制冷却（0.5~2℃/s）,并且在450℃~550℃进行回火。本发明使轧态的车轮钢的晶粒细化和组织均匀化，从而提高车轮钢的断裂韧性。该方法简便易行，所有设备较常见及试验参数在生产过程中容易实现，可以实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及高速车轮钢的增韧，特别涉及采用热处理的手段提高高速车轮钢的断裂韧性。
背景技术
随着我国高速列车的迅速发展，高速列车运行的安全性受到广泛的重视，车轮作为重要的运行部件，其断裂韧性使一个重要的性能指标。而钢的断裂韧性主要受组织结构参量（d、d T等）和温度、塑性（σs、εs、εf、n等）之类的一般力学性能的影响，因此钢的强韧性均取决于其组织结构状态（包括晶界、相界、亚结构、韧性相、基体和强化相形态、钢中气体夹杂等）。因而，钢的强韧化技术途径有合金化和冶金技术途径控制微观组织结构因素，主要包括：（1）细化晶粒和组织。（2）改善机体和强化相形态。（3）引入韧性相。(4)减少气体杂质、控制夹杂形态。
车轮钢典型制造工艺：炼钢、成型、热处理、机加工及检测。因而提高车轮钢的综合性能（特别是断裂韧性）的主要途径有（1）利用冶金技术改善钢的铸坯的质量；（2）在成型的的过程中利用形变热处理细化晶粒和组织；（3）热处理过程中，采用合适的热处理工艺细化和均匀化车轮钢组织。CN 101245434A 公开一种车轮钢及其冶炼方法，在冶炼过程中通过微合金化和钙处理等方式控制合金成分，改善冶金质量，提高车轮钢的综合性能。针对成型过程中的形变热处理细化晶粒和组织，这种方法的缺点是增加了后来机加工的难度。采用热处理改善车轮钢组织，提高车轮钢的综合性能是较常见的手段。CN 101597682A 提出一种细化晶粒的热处理工艺，但其车轮钢服役的组织是超细马氏体加铁素体的复相组织。而对于我国研发的车轮钢（其服役组织为珠光体+铁素体）的增韧轧后热处理工艺报道尚少，且效果不佳。
我国的高速车轮钢选材方面采用中碳低合金钢（0.45~0.60 wt%C，0.2~1.2 wt%Si，0.7~1.2 wt%Mn，0.005~0.02wt%P，0.003~0.02 wt%S），其具有良好综合性能以及合理强度和韧性匹配。按照高速车轮性能指标要求：常温轮辋抗拉强度在820~940MPa，常温轮辋断裂韧性≥80 MPa·m1/2。目前采用常规热处理工艺，很难达到其指标要求。
针对我国采用的中碳低合金钢，要具有良好的综合性能，在无法改变现有冶炼及热成型工艺的前提下，其关键工艺为轧后热处理工艺。而现有的改善服役组织为珠光体+铁素体的车轮钢的综合性能的轧后热处理工艺效果还都不够理想。
发明内容
本发明提出一种轧后热处理工艺，通过细化晶粒和均匀化组织，提高高速车轮钢的综合性能，特别是其断裂韧性。
实现本发明的所提出的热处理工艺过程为：将轧态的车轮钢（0.45~0.60 wt%C，0.2~1.2 wt%Si，0.7~1.2 wt%Mn，0.005~0.02wt%P，0.003~0.02 wt%S，其余为Fe）试样采用以10~20 ℃/min加热速率加热到840 ℃~890 ℃（保温1.5~3.5小时）进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度10~20℃/min加热到810℃~860℃，后进行控制冷却（0.5~2 ℃/s）至室温；再将冷却至室温的试样在450 ℃~550 ℃保温2~5小时，进行回火处理。
将轧态的车轮钢快速加到奥氏体区温度区间，并进行控制冷却。通过上述热处理工艺轧态的车轮钢的晶粒细化和组织均匀化。
与现有技术相比，本发明的特点在于，快速加热可以加快试样的奥氏体化，并且加热温度（810 ℃~890 ℃）不高，则奥氏体晶粒有较高的形核后来不及长大，使晶粒细化，从而在随后的相转变过程会得到较细化的组织（网状铁素体和珠光体）。同时在450 ℃~550℃回火2~5h，使细化的组织均匀化，没有明显的混晶现象存在。从而使车轮钢的断裂韧性显著提高。
附图说明
图1为试样1（2 ℃/min 加热至 880 ℃~890 ℃空冷至室温，将冷却至室温的试样在 510 ℃回火4 h）的金相图
图2为试样2（10 ℃/min加热至 880 ℃~890 ℃空冷至室温，将冷却至室温的试样在 510 ℃回火4 h）的金相图
图3、4和5分别为实施例1、2和3试样的金相图
图6为车轮钢轧态组织的金相图
图7为试样1晶粒尺寸的分布图
图8为试样2晶粒尺寸的分布图
图9为实施例1试样晶粒尺寸的分布图
表1 为试样1、试样2和实施例试样的断裂韧性和常温抗拉强度。
表1 试样1、试样2和实施例试样的试样断裂韧性和常温抗拉强度
| 性能测试 | 轧态 | 试样1 | 试样2 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 断裂韧性/ MPa·m1/2 | 65.3 | 66.7 | 81 | 97 | 90 | 85 |
| 常温抗拉强度/MPa | 820 | 883 | 848 | 868 | 842 | 850 |
具体实施方式
实施例1：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到890 ℃（保温2.5小时）进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到860 ℃，后进行控制冷却（0.5~2 ℃/s）至室温；再将冷却至室温的试样在510 ℃保温4小时，进行回火处理。
实施例2：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到830 ℃（保温2.5小时）进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到810 ℃，后进行控制冷却（0.5~2 ℃/s）至室温；再将冷却至室温的试样在510℃保温4小时，进行回火处理。
实施例3：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到890℃（保温2.5小时）进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到860 ℃，后进行控制冷却（0.5~2 ℃/s）至室温；再将冷却至室温的试样在450 ℃保温2小时，进行回火处理。
实施例试样的断裂韧性和常温抗拉强度，如表1所示。实施例试样金相如图3、4和5所示。取实施例1试样进行晶粒尺寸分布统计，图9为热处理后试样晶粒尺寸分布图。
从实施例所得到的试样组织的金相图3、4和5对比车轮钢轧态金相图6，可以看出经过实施例热处理工艺的试样晶粒明显细化。同时实施例试样组织的金相图3、4和5对比其他热处理试样金相图1、图2，可以明显看出实施例试样的组织比较均匀，珠光体和网状的铁素体都没有出现混晶现象。
试样晶粒尺寸分布图7、8和9通过以下方法获得：计算晶粒尺寸时，取晶粒直径d=（d l·d s）1/2，其中d l、d s分别为测得的晶粒最大和最小直径，每个试样统计400~500个晶粒。 实施例1试样晶粒尺寸分布图9对比其他热处理试样晶粒尺寸分布图7、图8，可以看出实施例试样的晶粒尺寸分布接近于正态分布，最大晶粒直径仅为48 μm。由此可以知，实施例试样更加组织均匀化。
试样的断裂韧性和常温抗拉强度表1是按照国标GB/T4161-2007和GB7314-1987进行测试获得，对比轧态车轮钢试样和其他热处理试样，实施例试样断裂韧性明显提高，并且断裂韧性和常温抗拉强度匹配良好。
综上所述，本发明可以使轧态的车轮钢的晶粒细化和组织均匀化，并且明显提高车轮钢的断裂韧性。
Claims (3)
1.一种车轮钢增韧的热处理工艺方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到890 ℃，保温2.5小时，进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到860 ℃，后进行控制冷却至室温，冷却速度为0.5~2℃/s；再将冷却至室温的试样在510 ℃保温4小时，进行回火处理。
2.一种车轮钢增韧的热处理工艺方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到830 ℃，保温2.5小时，进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到810 ℃，后进行控制冷却至室温，冷却速度为0.5~2℃/s；再将冷却至室温的试样在510℃保温4小时，进行回火处理。
3.一种车轮钢增韧的热处理工艺方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将轧态车轮钢试样采用KFD S90型马弗炉，以20 ℃/min加热速率加热到890℃，保温2.5小时，进行正火预处理；然后对正火后的试样，以加热速度20 ℃/min加热到860 ℃，后进行控制冷却至室温，冷却速度为0.5~2℃/s；再将冷却至室温的试样在450 ℃保温2小时，进行回火处理。
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