CN103952617A

CN103952617A - 新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺

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Publication number: CN103952617A
Application number: CN201410202561.XA
Authority: CN
Inventors: 赵毅红; 陈荣发; 李志龙; 陆华锋; 杨华; 李青青; 吴龙; 赵杰
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2014-07-30

Abstract

本发明涉及一种新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺,属于金属材料技术领域，主要特点是各元素的质量百分比如下：C：3.5±0.2%；Si：2.5±0.2%；Mn：0.2±0.05%；P：≤0.02%；S：≤0.005%；Mo：0.25±0.03%；Cu:0.5±0.05%；Mg:0.04±0.005%；Bi：0.005%；Sb：0.004±0.0003%；RE：0.01%；本发明通过增加相关元素和优化各元素的质量百分比，使材料的抗拉强度≥800MPa，布氏硬度HB≥300，延伸率δ≥6%，降低车轮运行噪音3-5db，石墨球数球化级别为2-3级，采用耐磨减震降噪的ADI轮对与传统的辗钢轮对和铸钢轮对相比，可望延长寿命1.5倍；同时，与铁路钢轨匹配，可降低噪音和摩擦，减少钢轨磨损，每年可为国家节省大量轮对和钢轨材料，具有较好的社会效益和经济效益，市场前景十分广阔。

Description

新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺

技术领域

本发明涉及一种新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺, 属于金属材料技术领域。

背景技术

铁路运输有着其它运输方法所不能比拟的优点。和其它运输方法相比，铁路运输的环境污染少，运输量大，节省能源。因此，各发达国家都在大力发展本国的铁路运输事业。车轮作为影响列车安全性的关键部件之一，在运转过程中，因支撑车体的重量或车轮制动会与铁轨产生摩擦而造成各种磨损和擦伤。当车轮制动时，除产生滑动摩擦以外，还会产生热裂纹。因此，对车轮用材料来说，既要求高强度、高硬度和耐磨性，又要求高的韧性和耐热性等多种性能的组合。随着列车的提速，在高速行驶时出现的各种影响安全性的问题(如车轮踏面的剥离、车轮的裂损等)尚未得到解决，现有车轮材料已经越来越不能满足要求。为满足列车高速行驶的安全性、可靠性需求，研制和开发新一代高速车轮材料有着重要意义。

从各国的标准来看，用于生产车轮的材料主要是中高碳钢，以Si、Mn为主要强化元素。欧洲各国早些年普遍采用的车轮材料是UIC812-3标准的R7钢，后来由于高速车轮在运行中不断出现剥离等种种问题，特别是1998年德国高速车轮断裂导致高速列车出轨多人死亡以后，欧洲各国加大了对新型高速列车用车轮钢的研究，重点研究在保证材料的强度和硬度降低不大的前提下，提高车轮钢的韧性。到目前为止,我国高速铁路用车轮100%依赖进口。韧性不足是高速车轮国产化最大的难点,因此,如何提高车轮钢的韧性,实现高速车轮国产化,是发展我国高速铁路的重要研究课题。在过去数十年中,车轮钢的材料研究主要集中在化学元素的合金化机理和提高钢质的洁净度等方面。

本项发明突破传统的车轮材料用钢，采用近年来发展的新兴铸铁材料温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron，简称 ADI）。它是通过等温淬火热处理和加入合金元素使球墨铸铁基体组织由铁素体、珠光体变为针状铁素体、富碳奥氏体等组织。ADI重量轻,成本低,能源消耗低,强度高,韧性好,具有优越的耐疲劳性,好的减震性,硬度高,特有的应变强化能力,具有优越的耐磨性。这些独特优点使它得到了各行业的设计工程师们瞩目并优先选用。

我国铁路上应用ADI新材料首先从重载货车走行部分的钭楔入手, 并扩大应用于铁路车辆转向架的各型号衬套、磨耗板、货车心盘。近几年, 又推广至内燃机车和电力机车转向架的各型号衬套、心盘以及内燃机车柴油机燃烧室重大部件—气缸套等摩擦部件上。

采用ADI车轮与通常采用的辗钢车轮和铸钢车轮相比，不仅能提高车轮材料的综合力学性能，延长使用寿命，而且能节约能源降低成本。由钢锭制成辗钢车轮一般要经过一次或几次加热和多次碾轧，比直接铸造车轮消耗更多的热能和碾轧成本，但铸钢车轮与辗钢车轮相比其塑性、密实度指标较低，铸钢车轮的重量比辗钢车轮重15%左右。ADI车轮则可以兼顾以上两种材料的优势，避免了它们的劣势，ADI材料的生产由球墨铸铁的铸造和等温淬火热处理两部分工艺组成，铸件较好的铸造性和生产的灵活性使得更易设计最优的零件，ADI因为含有球状石墨，同样尺寸的零件一般较钢件轻10%，同时保证较高的强度，材料轻而坚固，能满足产品轻量化的要求，降低列车运行能耗。

ADI作为列车车轮材料的应用在各个国家得到了很高的关注，但目前还未有大量投入使用的实例，ADI在列车车轮上的应用目前还处在研究阶段，芬兰国家铁路公司在使用ADI车轮方面具有一定的经验，从车轮的试验中可以看到其寿命成本降低了30%，然而，ADI车轮在芬兰国家铁路的使用仍然没有较大突破。德国Bahn研究与技术中心致力于对ADI在铁路系统中可行性试验研究，但是还未见投入实际运用的报道。但是基于ADI材料的优越性能，它被认为是一种有望代替辗钢、铸钢用于铁路列车车轮制造的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺，解决现有辗钢和铸钢列车车轮还存在的一些不足，通过本发明实现在保证相应强度和硬度性能指标下，提高材料的韧性，并且有利于耐磨减震降噪，提高列车运行的安全可靠性，延长轮轨使用寿命，节约大量原材料和检修费用，每年可为国家节省数亿元。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的, 一种新型奥贝球铁火车轮材料合金，其配方中包括质量百分比的C、Si 、Mn、Mg、Cu、Mo、Sb、P、S，余量为Fe，其特征是，所述配方中还包括质量百分比的Bi ，RE；各元素的质量百分比如下：C：3.5±0.2% ；Si：2.5±0.2%； Mn：0.2±0.05%； P：≤0.02%； S：≤0.005%；Mo：0.25±0.03%；Cu:0.5±0.05%；Mg:0.04±0.005%；Bi：0.005%；Sb：0.004±0.0003%；RE：0.01%。

所述Fe采用优质的毛坯铸件。

所述冶炼工艺选择感应电炉熔炼球铁原铁液，熔炼温度控制在1550～1600℃，球化剂采用低稀土镁球化剂，球化率2～3级，石墨球大小为6～7级，配以炉前热分析智能仪在线检测铁液化学成分及球化率，热电偶检测铁液的温度，从而保证为生产优质球铁所必须的高温低S的原铁液的质量，选用优质球化剂的同时，采用盖包冲入法进行球化处理，从而保证Mg的吸收率和球化处理的稳定性，采用硅钡和硅铁合金后孕育处理，保证消除铸态碳化物并增加石墨球的数量，为随后进行的等温淬火处理创造优越的条件。

本发明通过增加相关元素和优化各元素的质量百分比，使ADI车轮的主要技术指标抗拉强度≥800MPa，布氏硬度HB≥300，延伸率δ≥6%，降低车轮运行噪音3-5db，石墨球数球化级别为2-3级。

采用耐磨减震降噪的ADI轮对与传统的辗钢轮对和铸钢轮对相比，可望延长寿命1.5倍；同时，与铁路钢轨匹配，可降低噪音和摩擦，减少钢轨磨损，每年可为国家节省大量轮对和钢轨材料，具有较好的社会效益和经济效益，市场前景十分广阔。

具体实施方式

结合实施例进一步说明本发明，本发明的质量百分比如下：C：3.5±0.2% ；Si：2.5±0.2%； Mn：0.2±0.05%； P：≤0.02%； S：≤0.005%；Mo：0.25±0.03%；Cu:0.5±0.05%；Mg:0.04±0.005%；Bi：0.005%；Sb：0.004±0.0003%；RE：0.01%；余量为Fe。

碳是球铁中最基本和最重要的元素。碳当量过高易产生石墨漂浮，但过低会减少石墨化膨胀，易产生缩孔缩松等缺陷。从改善铁液铸造性能方面考虑，应尽量使铁液的碳当量接近共晶点。碳具有稳定奥氏体、阻碍贝氏体转变的作用，并改变上贝氏体的下限温度，即降低其下限温度。而残余奥氏体的数量及其含碳量除了对抗拉强度和韧性有影响外，还影响着铸件的加工硬化程度、抗应变马氏体转变的能力及低温组织的稳定性等。此外，碳是石墨化形成元素，奥-贝球铁中含碳量高，可阻碍渗碳体的析出；增加凝固时的液态膨胀量，由此可减少因凝固收缩造成的缩孔、缩松倾向，从而改善铸造性能，提高铸件的质量。

硅是石墨化元素，促进铁素体基体的形成。同时在厚大断面球铁中，硅含量高是导致碎块状石墨的主要原因之一，因此在厚大断面球铁中硅量应限制。在总的含硅量不变的情况下，将较多的硅在孕育时加入铁水，则可使石墨细化和圆球度得到提高，也可使球墨铸铁的铸造性能和力学性能有较大的改善。硅在球墨铸铁等温淬火过程中也起到重要作用，当A转变为F时，抑制K的析出，形成B-F，以保证获得A与B的复合组织基体具有优异的综合性能。硅能溶于A，降低了碳在A中的固溶度，从而缩短B的孕育期，并且使转变终了时间延迟；还能使共析转变温度Ac1和Ar1随Si含量的增加而升高。作为石墨化元素，Si可以细化石墨球，细化共晶团，减轻Mn的偏析所产生的不利影响，减少球铁中脆性的白亮区。当硅锰比Si/Mn>5时，有较好的强韧性。但Si含量进一步提高，导致铸件中碎块状石墨的产生，强度、塑性和韧性则显著降低。

锰在奥-贝球铁中，是扩大奥氏体区的元素，它降低过冷奥氏体的分解速度，提高奥氏体的稳定性，并使C曲线右移，显著提高淬透性。锰还使高温相变区和中温相变区分离，并使上、下贝氏体相变区域明显分开，锰显著降低马氏体点(Ms)，有抑制下贝氏体形成的作用。但过高的锰会产生偏析现象降低奥-贝球铁的塑性和强度。所以锰的含量不宜过高，本发明采用0.2%Mn量。

钼是提高淬透性最有效的元素之一。它使C曲线右移，同时推迟珠光体和贝氏体转变。在大截面工件要求淬透，或对淬火畸变、开裂很敏感的零件，因而要求冷速较慢的场合下，添加Mo元素进行合金化是必不可少的。但Mo是K形成元素。Mo的偏析倾向比铬和锰都大，很容易在晶界生成共晶K。这种极为稳定的K，甚至通过950℃x30 h的石墨化退火也难以消除。因此，Mo含量一般控制在0.3%以下。钼强烈推迟珠光体转变，提高其形成温度，有助于获得贝氏体，还能抑制磷、硫、砷和锑等有害杂质元素向奥氏体晶界偏聚，减少脆性，但较高的含钼量对奥-贝球铁的强度和塑性都有降低作用。

铜虽然在提高淬透性方面作用不如钼，但和钼复合添加则可加强钼的功效。Cu有细化石墨球的效果，能阻止A分解析出K，还能使Mn和Si更加均匀化。同时Cu、Ni都明显改善等温淬火组织基体的塑性和韧性。但Ni价昂贵，本项发明采用Cu-Mo组合。Cu在一定程度上可以减弱Mo、Mn在晶界处的偏析。Cu加入0. 4% ~1%，如果过量，反而容易加重偏析。本发明确定Cu含量0.5%。铜还能细化石墨和提高石墨球的圆整度，细化贝氏体针，增加组织均匀性，降低断面敏感性，并起到固溶强化的作用，提高韧性和耐磨性。在一定的浓度范围内 Cu也能抑制碎块状石墨的形成，但在该浓度范围内又会促进片状石墨的形成。铜为稳定珠光体元素，可用于得到珠光体基体球铁。但当用于铁素体球铁时，必须注意含量范围，既要能抑制碎块状石墨又不致增加基体珠光体含量。由于全珠光体组织铸件不利于等温淬火球墨铸铁的组织和性能提高，本发明降低使用铜量，控制原始组织珠光体含量在65%，能获得性能最佳的奥贝球铁。

铋和锑过去常被认为是干扰元素，但是最近研究结果表明，Bi和Sb在一定范围内加入铁液中，可以和稀土元素作用形成稳定的高熔点化合物，有利于球墨的异质形核。而且他们易在球墨周围形成包围层，能够有效防止石墨畸变和长大，减轻球墨畸变的程度，增加球墨的数量和球化率，在壁厚为200 mm 的方形球墨铸铁件中加入0.002%~0.01%的Sb元素时，即便Si含量达到2.5%，铸件中心的伸长率也可以达到20%以上。

镁作为球铁的主要球化元素，镁与铁液中的氧、硫等元素化合，起到球化作用。镁含量少时易造成球化不良，含量较多时，容易形成球墨畸变、夹杂等缺陷。研究发现，在铸铁中碎块状石墨周围Mg含量相对较高，但是目前还不清楚Mg元素的富集与碎块状石墨形成的关系。关于镁含量对大断面球墨铸铁件中碎块状石墨的影响，一般认为镁含量应随着球铁壁厚的增大而适当增大，厚大断面球铁件中由于稀土元素的作用，最佳残留Mg的含量与硫的含量关系不大，残留镁量宜控制在0.04%~0.05%。

稀土元素在球铁凝固过程中主要起到两方面的作用：一方面稀土元素可以脱硫、去氧，保护球化元素镁，另一方面稀土元素可以中和铁液中有害的微量元素，形成的化合物还可以成为球墨形核的基础。稀土元素的加入量时应综合考虑铁液中残余硫量和微量元素等因素。适量稀土元素的加入可以增加球墨数量，提高球墨的抗衰退能力，过多的稀土元素则会引起碎块状石墨等缺陷。

磷元素极易偏析，在晶界常以磷共晶的形式出现。磷可提高铁水流动性，使铁水充盈铸型的细微角落。但因其与铁形成的二元磷共晶和三元磷共晶熔点都低，冷凝时被生长着的共晶团推到边界。当磷含量接近0.1% (质量分数)时，就会产生2% ~3% (体积分数)的磷共晶。多角形硬脆的磷共晶极容易造成应力集中，降低球铁的强度、塑性和韧性。磷是低温冲击韧性低下的罪魁祸首。故应严格限制磷的含量≤0.06% ~0.08%。本发明要求磷含量低于0.02%，在铸铁中脱磷有相当难度，生产时必须采用低磷生铁。

硫是一种反球化元素，它与锰反应会生成硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷。硫高时中和硫所需的稀土量也高，而过高的稀土量在车轮厚大断面球铁中是有害的，因此需要采取一定的铁液来预脱硫措施来降低铁液的含硫量。

为了获得预期性能的ADI，必须有优质的毛坯铸件，若铸件本身球化不良，又有缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷, 后续的热处理过程控制得再好, 也不会获得预期性能的 ADI。

根据本项发明试验过程的经验，选择感应电炉熔炼球铁原铁液，熔炼温度控制在1550～1600℃，球化剂采用低稀土镁球化剂，球化率2～3级，石墨球大小为6～7级，配以炉前热分析智能仪在线检测铁液化学成分及球化率，热电偶检测铁液的温度，从而保证为生产优质球铁所必须的高温低S的原铁液的质量。选用优质球化剂的同时，采用盖包冲入法进行球化处理，从而保证Mg的吸收率和球化处理的稳定性。采用硅钡和硅铁合金后孕育处理，保证消除铸态碳化物并增加石墨球的数量，这为随后进行的等温淬火处理创造了优越的条件。

Claims

1.一种新型奥贝球铁火车轮材料合金，其配方中包括质量百分比的C、Si 、Mn、Mg、Cu、Mo、Sb、P、S，余量为Fe，其特征是，所述配方中还包括质量百分比的Bi ，RE；各元素的质量百分比如下：C：3.5±0.2% ；Si：2.5±0.2%； Mn：0.2±0.05%； P：≤0.02%； S：≤0.005%；Mo：0.25±0.03%；Cu:0.5±0.05%；Mg:0.04±0.005%；Bi：0.005%；Sb：0.004±0.0003%；RE：0.01%。

2. 根据权利要求1所述的新型奥贝球铁火车轮材料合金，其特征是，所述Fe采用优质的毛坯铸件。

3.权利要求1所述的新型奥贝球铁火车轮材料合金的冶炼工艺，其特征是，所述冶炼工艺选择感应电炉熔炼球铁原铁液，熔炼温度控制在1550～1600℃，球化剂采用低稀土镁球化剂，球化率2～3级，石墨球大小为6～7级，配以炉前热分析智能仪在线检测铁液化学成分及球化率，热电偶检测铁液的温度，从而保证为生产优质球铁所必须的高温低S的原铁液的质量，选用优质球化剂的同时，采用盖包冲入法进行球化处理，从而保证Mg的吸收率和球化处理的稳定性，采用硅钡和硅铁合金后孕育处理，保证消除铸态碳化物并增加石墨球的数量，为随后进行的等温淬火处理创造优越的条件。