CN103741033B

CN103741033B - 一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢车轮的制备方法

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Publication number: CN103741033B
Application number: CN201310736262.XA
Authority: CN
Inventors: 钟斌; 陈刚; 王世付; 江波; 李翔; 赵海; 邓荣杰; 孙曼丽
Original assignee: Magang Group Holding Co Ltd; Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Magang Group Holding Co Ltd; Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN103741033A

Abstract

一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢及其车轮制备方法，化学成分重量百分比为：C0.70～0.75%、Si0.70～1.00%、Mn0.60～0.90%、0<Cr≤0.35%、Als0.010～0.030%、P≤0.020%、S≤0.040%，其余为Fe和不可避免的杂质元素，热处理工序为：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至850‑880℃后保温，总加热时间为2.5‑3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840‑860℃后保温，总加热时间为2.5‑3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入490‑510℃炉中，保温4.5‑5.5h后，出炉空冷至室温，使车轮在保持高强度和硬度基础上，显著提高高碳车轮钢的塑性，从而获得良好的综合性能，保证车轮的安全使用性能。

Description

一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢车轮的制备方法

技术领域

本发明属于铁路辗钢车轮的制造领域，尤其涉及一种轴重≥30t、运行速度≤100km/h的高硬度、高强度、高塑性的提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢及其车轮制备方法。

背景技术

统计数据显示，我国现有铁路里程占世界铁路总里程的6%，却完成了世界铁路1/4的工作量，铁路货运量、客运周转量、运输密度均居世界第一。随着我国经济的快速扩张，铁路货运需求不断加大，铁路货运能力远远不能满足要求，已经成为国民经济快速发展的重要制约瓶颈之一。在目前铁路资源条件下，解决货运能力的当务之急是提速、重载。这也是世界铁道运输的必然趋势。

事实上，我国重载货运的发展速度远远落后于欧美国家，美国铁路货车载重为每10年提高10t左右，进入上世纪90年代后，铁路货车的标准轴重已达到33t；加拿大、巴西和澳大利亚在其主要干线的重载运输中均采用了轴重达30t左右的大型货车；瑞典铁路已将货车轴重由25t提高到30t；近年来俄罗斯铁路正在将货车轴重提高到27t，并且在加紧研究适用于35t轴重的重载货运技术；可以预见在不远的将来，国内30t乃至35t轴重重载货运必然会得到迅猛发展。

从各国重载货运车轮的研发看，基本上采用了高碳钢，通过提高车轮的强度和硬度来提高车轮的耐磨性能，主要关心的是车轮的硬度指标。以重载货运最发达的美国为例，AAR M-107标准以前的版本中只对车轮的硬度有要求，强度和属性指标则没有要求。但是对于碳素钢来说，强度、硬度的提高势必会降低塑性和韧性，从而降低材料的抗裂纹萌生和扩展能力，导致车轮断裂等失效现象的发生，影响了车轮的使用安全性能。因此，如果不能很好的协调车轮的强、硬度性能和塑、韧性能，将会严重制约铁路重载运输的发展。为此，2010年后为适应高强度、高硬度、高塑性车轮的需求，美国AAR M-107标准中专门增加了AAR-D车轮钢种，该钢种成分要求与AAR-C相同，但允许采用微合金化手段来提高车轮的硬度和强塑性指标，且对硬度和强塑性等指标都有明确的要求。从前期重载车轮的试制情况看，满足强硬度指标要求基本没有问题，但塑性指标、特别是延伸率指标满足要求存在一定的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢及其车轮制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢，其化学成分重量百分比为：C0.70～0.75%、Si0.70～1.00%、Mn0.60～0.90%、0<Cr≤0.35%、Als0.010～0.030%、P≤0.020%、S≤0.040%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢的车轮制备方法，包括热处理工序，所述热处理工序为：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至850-880℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840-860℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入490-510℃炉中，保温4.5-5.5h后，出炉空冷至室温。

所述热处理工序为：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至860-875℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840-860℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入490-510℃炉中，保温4.5-5.5h后，出炉空冷至室温。

提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料抗热损伤性能，但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此本发明将Si的范围确定为0.70～1.00％之间。

Mn是重要的强化元素，能够有效提高车轮强度硬度性能，但过高Mn对车轮的综合机械性能和加工性能有不良影响，故Mn含量控制在0.60～0.90％之间。

Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高工件强硬度性能，Cr含量应该控制在0～0.35％。

Als可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，故Als含量控制在0.010～0.030％之间。

本发明的优点在于，能够使车轮在保持高强度和硬度基础上，显著提高高碳车轮钢的塑性，从而获得良好的综合性能，保证车轮的安全使用性能。

附图说明

图1为实验钢热处理平均晶粒尺寸随温度变化趋势图；

图2为实验钢热处理5%最大晶粒尺寸随温度变化趋势图；

具体实施方式

将按照常规工艺轧制、粗加工后的车轮随炉升温至850-880℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840-860℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入490-510℃炉中，保温4.5-5.5h后，出炉空冷至室温。

钢的塑性除了跟化学成分、组织以及变形速度、变形程度等因素相关外，还与组织均匀性和晶粒细化程度密切相关。采用对比试验的方法取轧态车轮进行了不同热处理工艺对晶粒度的影响研究。试验钢的化学成分如下。

试验钢成品化学成分（wt%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	Als
							0.74	0.87	0.78	0.009	0.014	0.27	0.024

模拟现场加热速率（600℃入炉，加热速度3℃/min）开展了实验室试验工作，加热工艺为两种，一种为直接淬火加热工艺，一种为预处理+淬火加热工艺，采用定性和定量评定的方法对试样进行了检验，检验结果如下和图1、图2所示。

实验钢热处理温度与相应晶粒度定量评级结果

可以看出：

1）试样晶粒粗化温度应在850℃左右；

2）不同温度的预备热处理制度均能够进一步细化晶粒，并降低最大晶粒尺寸，尤以850-875℃预热处理为最佳。

3）随着终热处理温度的升高，平均晶粒尺寸和最大晶粒尺寸升高，因此终热处理时应尽可能采用较低的热处理温度。

综合考虑强塑性配合，本发明的热处理方法确定为（850-880）℃×（2.5-3.0）h正火→（840-860）℃×（2.5-3.0）h，水冷450s淬火→（490-510）℃×（4.5-5.5）h回火。

下面结合实施例1、2对本发明做详细的说明。

实施例1：

实施例1和对比例车轮为同一炉号车轮，车轮钢熔炼化学成分见表1。

表1实施例1及对比例车轮化学成分（质量百分数，wt%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	Als
							0.73	0.88	0.82	0.016	0.014	0.02	0.023

将用表1所示成分的高碳车轮钢轧制的车轮毛坯粗加工后进行热处理，实施例1按本发明的热处理工艺进行热处理：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至860℃后保温，总加热时间为2.5h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840℃后保温，总加热时间为2.5h，出炉喷水冷却450s；然后放入490℃炉中，保温4.5后，出炉空冷至室温。

对比例按常规热处理工艺进行热处理。力学性能结果见表2，由表2可以看出实施例1和对比例的强度和踏面下30mm断面硬度基本相当，但实施例1的延伸率（A）和断面收缩率（Z）指标比对比例高5%和9.5%，明显好于对比例。

表2实施例1和对比例车轮轮辋力学性能结果

实施例2：

实施例2和对比例车轮为同一炉号车轮，车轮钢熔炼化学成分见表3。

表3实施例2及对比例车轮化学成分（质量百分数，wt%）

C	Si	Mn	P	S	Cr	Als
							0.74	0.87	0.82	0.01	0.008	0.27	0.025

将用表3所示成分的高碳车轮钢轧制的车轮毛坯粗加工后进行热处理，实施例2按本发明的热处理工艺进行热处理：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至875℃后保温，总加热时间为3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至860℃后保温，总加热时间为3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入510℃炉中，保温5.5h后，出炉空冷至室温。

对比例按常规热处理工艺进行热处理。力学性能结果见表4，由表4可以看出实施例2和对比例的强度和踏面下30mm断面硬度基本一致，但实施例2的延伸率（A）和断面收缩率（Z）指标比对比例高3%和7%，明显好于对比例。

表4实施例2和对比例车轮轮辋力学性能结果

在保证强硬度的情况下，塑性指标有了明显改善，车轮的综合性能明显提高。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高塑性的铁路货车用高碳车轮钢的车轮制备方法，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.70～0.75％、Si0.70～1.00％、Mn0.60～0.90％、0<Cr≤0.35％、Als0.010～0.030％、P≤0.020％、S≤0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

制备方法，包括热处理工序，所述热处理工序为：轧制、粗加工后的车轮随炉升温至850℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840-860℃后保温，总加热时间为2.5-3.0h，出炉喷水冷却450s；然后放入490-510℃炉中，保温4.5-5.5h后，出炉空冷至室温；

车轮钢的车轮钢的延伸率为16.5％，断面收缩率为37.5％。