CN104789874A

CN104789874A - 一种铁路车轮用含钒中碳钢,其用途及其热处理方法

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Publication number: CN104789874A
Application number: CN201510231019.1A
Authority: CN
Inventors: 钟斌; 陈刚; 鲁松; 江波; 赵海; 毕军华; 邹强; 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: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明涉及一种铁路车轮用含钒中碳钢，其用途及其热处理方法，其化学成分重量百分比为：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％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明还提供适用于这种车轮钢的热处理工艺方法，包括淬火+回火工艺。本发明对含钒中碳车轮钢进行合金化设计并对车轮进行热处理，车轮具有相当的高强度和硬度，同时改善了断裂韧性，显著提高了车轮的综合使用性能。

Description

一种铁路车轮用含钒中碳钢,其用途及其热处理方法

技术领域

本发明涉及铁路辗钢车轮的制造领域，具体涉及一种铁路车轮用含钒中碳钢的合金化设计及车轮制备的热处理方法，主要涉及提高车轮断裂韧性指标的合金化设计和热处理方法。

背景技术

车轮是铁路机车车辆最为重要的走行部件之一，在支撑机车车辆运行的同时还承担着传递牵引动力和制动力的基础作用，因此，车轮对于铁路运输的意义是不言而喻的。世界上有铁路运输的国家均会对车轮的生产或使用进行研究，车轮生产、运用和维护水平往往也从某种程度上代表了这个国家的铁路发展水平。

我国是铁路大国，对车轮技术的研究从未间断，特别是近些年随着国内车轮生产制造技术的不断深化，铁路车轮整体研发技术水平已经有了显著提升，部分产品已达世界先进水平。

目前我国铁路使用的车轮按照其生产工艺的不同可分为辗钢车轮和铸钢车轮。辗钢车轮的使用历史较长，最早于1964年投入运用，运用范围涵盖了货车、客车、机车和动车组。而铸钢车轮在国内的使用时间相对较短，正式使用开始于1998年，目前仅运用于货车，没有在客车、机车、动车组上使用。欧洲和日本等以客运铁路为主的国家也是以辗钢车轮为主。

强度和韧性一直是车轮材料研究和开发的一对矛盾体。长期以来，在满足强度和硬度的情况下，车轮钢的很难达到较高水平，通过降低碳含量来提高韧性时又常常使强度达不到要求。为此，成分设计方面，多采用降低碳含量并进行微合金化的方法来改善车轮钢的强韧性。虽然各国对微合金化元素钒在车轮钢中的作用的看法各不相同，但含钒钢车轮在各国也得到了应用，在我国，按TJZL-01-2004《中国铁路机车用粗制整体辗钢车轮订货技术条件》生产的牌号3整体机车轮以及后来按TJ/JW004-2013《铁路机车J11、J12钢整体辗钢车轮技术条件》生产的J11整体机车轮采用的都是含钒车轮钢。

韧性是车轮钢材料性能的重要指标之一。随着列车速度的提高，对车轮钢的韧性也提出了越来越高的要求。断裂韧性是表征材料韧性的常用方法，由于断裂韧性试验是建立在比较严格的断裂力学基础上的，因此断裂韧性更能反映材料的韧性和使用质量，对于作为机车车辆关键行走部件的车轮，断裂韧性水平的高低尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善机车车辆用含钒中碳钢车轮断裂韧性的合金化设计及热处理方法，使得采用这种合金化设计和热处理方法的含钒中碳钢车轮在具有高强度和硬度基础上，显著提高其断裂韧性，从而确保机车车辆车轮具有良好的使用安全性能。具体技术方案如下：

一种含钒中碳车轮钢，进一步地，按照质量百分比含有：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％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，P和S的含量不超过0.015％。

进一步地，按照质量百分比含有：C 0.54％、Si 0.25％、Mn 0.73％、V 0.086％、Cr 0.20％，Als 0.010％、P 0.006％、S≤0.002％。

上述的含钒中碳车轮钢的用途，用于制造铁路车轮。

上述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，包括如下步骤：

(1)车轮随炉升温至860～920℃；

(2)保温；

(3)出炉喷水冷却；

(4)放入480～500℃炉中；

(5)保温；

(6)出炉空冷。

进一步地，步骤(1)中所述车轮首先经过常规工艺轧制、粗加工。

进一步地，步骤(2)中保温2.5-3.0h。

进一步地，步骤(3)中出炉喷水冷却300-400s。

进一步地，步骤(5)中保温4-5h。

与目前现有技术相比，本发明对含钒中碳车轮钢进行合金化设计并对车轮进行热处理，车轮具有相当的高强度和硬度，同时改善了断裂韧性，显著提高了车轮的综合使用性能。

附图说明

图1为高Als50.3MPa.m^1/2轮断裂韧性试样起裂处的显微组织

图2为低Als74.2MPa.m^1/2轮断裂韧性试样起裂处的显微组织

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

一种铁路车轮用含钒中碳钢车轮合金化设计，其化学成分重量百分比为：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％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明还提供适用于这种车轮钢的热处理工艺方法，包括淬火+回火工艺。

本发明主要是针对碳含量在0.48～0.56％、钒含量在0.006～0.015％的含钒中碳车轮钢。从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强韧配合可采用微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的Si、Mn、Cr、Als含量进行了设计。

Si是车轮钢中重要强化元素，作为置换原子发挥固溶强化作用。Si在提高钢强度的同时，还提高其淬透性和耐磨性，但Si含量的增加会提高材料的热敏感性和脆性，不利于提高韧性，因此本发明将Si的范围确定为0.15-0.40％之间。

Mn是车轮钢中重要强化元素，一般大部分作为置换原子发挥固溶强化作用，少量形成碳化物。Mn在提高钢强度的同时，还提高其淬透性，但也增加了钢的过热敏感性和回火脆性倾向，故Mn含量控制在0.60-0.90％之间。

Cr是次要的固溶强化元素，一般一部分作为置换原子发挥固溶强化作用，一部分形成碳化物。Cr不仅能增加钢的淬透性，而且能在提高高碳钢硬度和耐磨性性的同时而不使钢变脆，还能提高钢的高温机械性能。但Cr的增加会导致塑韧性的降低，Cr含量应该控制在≤0.30％。

车轮钢的服役组织为铁素体+珠光体。铁素体是材料中的软相，韧性较好，和铁素体相比，珠光体的韧性较差。一般情况下，铁素体的体积分数越高，材料的韧性越好。

对Als含量在0.05-0.10％和0.20-0.30％的不同Als含量的中碳含钒钢车轮的断裂韧性进行了检验，结果表明低Als含量的车轮钢的断裂韧性明显高于高Als含量车轮。为分析断裂韧性差异过大的原因，取已完成检验的高、低Als含量的车轮断裂韧性试样，在起裂处取样用扫描电镜进行了断口分析、用金相显微镜进行了显微组织分析。

扫描电镜断口分析未发现任何冶金因素的异常，可排除钢质的影响。

显微组织分析则发现，由于Als含量较高使V的固溶量增多，高Als含量的车轮试样中的铁素体(韧性相)含量明显低于低Als含量的车轮试样，导致车轮断裂韧性降低。

因此，降低中碳含钒车轮钢中Als含量，可解决断裂韧性偏低问题。根据解剖分析结果，确定Als含量控制在≤0.010％。

P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。

在较低的加热温度下，含V钢的铁素体含量较多，因而断裂韧性较高。随加热温度提高，铁素体含量减少，含V钢的断裂韧性降低，强度增加。通过实验，确定了该种钢车轮的较佳的热处理温度范围，使得车轮的强度和韧性都处在较高水平。

具体的热处理方法如下：

将按照常规工艺轧制、粗加工后的车轮随炉升温至860～920℃，保温2.5-3.0h出炉喷水冷却300-400s，然后放入480～500℃炉中，保温4-5h后，出炉空冷。

实施例1：

实施例1和对比例1车轮钢熔炼化学成分见表1。

表1 实施例1及对比例1车轮钢熔炼化学成分(质量百分数，wt-％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Als	V	其余
										实施例1	0.54	0.25	0.73	0.006	0.002	0.20	0.010	0.086	微量
对比例1	0.54	0.28	0.75	0.015	0.002	0.19	0.021	0.09	微量

将表1所示成分的实施例1和对比例1含钒中碳车轮钢连铸圆坯按常规工艺轧制、粗加工后进行热处理，实施例1和对比例1均按本发明的热处理工艺进行热处理，具体热处理工艺为：(890-910)℃×(2.5-3.0)h淬火加热、喷水冷却350s、480～500℃×4h回火。热处理后常规力学性能和断裂韧性检验结果见表2和表3。由表2可以看出实施例1和对比例1车轮常规力学性能基本相当，由表3可知，实施例1的断裂韧性均值达到86.6MPa.m^1/2，明显高于对比例1。

由此可见，实施例1在保持与对比例相当的强度和硬度的前提下，具有较高的断裂韧性水平，发明取得了预期效果。

表2 实施例1和对比例1车轮常规力学性能结果

表3 实施例1和对比例1车轮的断裂韧性K_Q结果

实施例2：

实施例2和对比例2车轮钢熔炼化学成分见表4。

表4 实施例2及对比例2车轮钢熔炼化学成分(质量百分数，wt-％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Als	V	其余
										实施例2	0.54	0.23	0.74	0.005	0.003	0.20	0.007	0.09	微量
对比例2	0.55	0.30	0.75	0.013	0.002	0.19	0.029	0.10	微量

将表4所示成分的实施例2和对比例2含钒中碳车轮钢连铸圆坯按常规工艺轧制、粗加工后进行热处理，实施例2和对比例2均按本发明的热处理工艺进行热处理，具体热处理工艺为：(860-880)℃×(2.5-3.0)h淬火加热、喷水冷却400s、480～500℃×5h回火。热处理后常规力学性能和断裂韧性检验结果见表5和表6。由表5可以看出实施例2和对比例2车轮常规力学性能基本相当，由表6可知，实施例2的断裂韧性均值达到86.6MPa.m^1/2，明显高于对比例2。

由此可见，实施例2在保持与对比例相当的强度和硬度的前提下，具有较高的断裂韧性水平，发明取得了预期效果。

表5 实施例2和对比例2车轮常规力学性能结果

表6 实施例2和对比例2车轮的断裂韧性K_Q结果

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改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含钒中碳车轮钢，其特征在于，按照质量百分比含有：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％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的含钒中碳车轮钢，其特征在于，P和S的含量不超过0.015％。

3.如权利要求1或2所述的含钒中碳车轮钢，其特征在于，按照质量百分比含有：C 0.54％、Si 0.25％、Mn 0.73％、V 0.086％、Cr 0.20％，Als 0.010％、P 0.006％、S≤0.002％。

4.如权利要求1-3所述的含钒中碳车轮钢的用途，其特征在于，用于制造铁路车轮。

5.如权利要求1-3所述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)车轮随炉升温至860～920℃；

(2)保温；

(3)出炉喷水冷却；

(4)放入480～500℃炉中；

(5)保温；

(6)出炉空冷。

6.如权利要求5所述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述车轮首先经过常规工艺轧制、粗加工。

7.如权利要求5或6所述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于，步骤(2)中保温2.5-3.0h。

8.如权利要求5-7中任一项所述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于，步骤(3)中出炉喷水冷却300-400s。

9.如权利要求5-8中任一项所述的含钒中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于，步骤(5)中保温4-5h。