CN106435365A - 一种高硬度耐磨车轮钢及车轮制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车轮用车轮钢及其制备方法，其化学成分重量百分比为：C 0.70～0.80％、Si0.70～1.80％、Mn 0.40～1.00％、Cr 0.15～0.30％、V 0.05‑0.13％、P≤0.012％、S≤0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。通过电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序、热处理等工序制备C‑Cr‑V高硬度耐磨车轮。制备的车轮相比AAR‑C材质车轮钢，能够显著提高车轮强硬度，获得了良好的综合性能，同时，车轮高温力学性能、抗摩擦磨损性能均得到提高。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的组织状态，不增大车轮制备的难度。

Description

一种高硬度耐磨车轮钢及车轮制备方法
技术领域
本发明涉及铁路车轮的制造领域，具体涉及一种轴重在25t以上的高硬度耐磨车轮钢及其制备方法。
背景技术
在目前铁路资源条件下，铁路货运向着重载方向发展，这也是世界铁道运输的必然趋势。货车轴重的发展除了同货运量的发展密切相关外，还与货物的运输距离有必然的联系，货物的平均运输距离相当程度上取决于于国家的幅员辽阔程度，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；近年来俄罗斯铁路正在将货车轴重提高到27t；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、载重达90t左右的大型货车；南非货车轴重目前已经达到26t(窄轨)。
我国的铁路货运技术长期以来处于一种低水平，铁路货车车辆一直以轴重21吨为主体，设计速度小于100km/h，实际平均运行速度约为60km/h，运能、运效佷低。2003年以后，大秦线开始大量选用25吨轴重的C76、C80级车辆，并在既有线推广应用，重载运输的发展进入实质性阶段。
北美是重载铁路运输技术最为成熟的地区，北美地区重载车轮的运用状态对于重载车轮技术的发展具有直接的指导作用。根据AAR统计，1999～2003年磨损、剥离是造成北美铁路车轮更换的主要原因，而实际上，大多数剥离是热损伤缺陷，主要是由于轮轨接触产生相对滑动和踏面制动而产生巨大的热输入，导致踏面表层形成马氏体薄层，在残余应力及轮轨接触载荷的作用下最终形成剥离，可见，北美重载运输带来的突出问题就是车轮热损伤和磨耗。
我国现有辗钢货车轮材料为CL60车轮钢，近年来，传统车轮钢运行于重载、提速条件下，先后暴露出大量的问题，包括磨损和辗边严重，车轮剥离、掉块加剧，车轮的寿命急剧缩短，造成经常性的非正常停车检修。
可见，在货运重载条件下，车轮使用条件发生显著变化，现有的传统货运列车车轮很难满足重载、提速条件下新的工况要求，为保证重载运输的安全性、可靠性，必须要在车轮材质、冶金质量控制、车轮压轧工艺、热处理工艺等方面进行深入研究，研制开发适于我国重载线路的新型货车车轮。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于轴重大于25t的C-Cr-V高硬度耐磨车轮钢及C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种C-Cr-V高硬度耐磨车轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.70～0.80％、Si0.70～1.80％、Mn 0.40～1.00％、Cr 0.15～0.30％、V 0.05-0.13％、P≤0.012％、S≤0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
采用上述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，包括如下步骤：
(1)电炉冶炼连铸；
(2)切锭轧制；
(3)热处理。
进一步地，步骤(3)具体为：加热；轮辋喷水冷却；回火处理。
进一步地，步骤(3)中加热到860-890℃并且保温2.5-3.5h。
进一步地，步骤(3)中进行轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下。
进一步地，步骤(3)中在400-450℃回火处理5.0小时。
进一步地，步骤(1)和(2)之间还包括如下步骤：LF炉精炼工序、RH真空处理工序以及圆坯连铸工序。
进一步地，步骤(3)之后还包括车轮加工以及成品检测工序。
与目前的现有技术相比，本发明制备的车轮通过化学成分设计结合电炉冶炼连铸、切锭轧制、热处理工艺控制，能够保证轮胎的稳定生产。相比AAR-C材质车轮钢，能够显著提高车轮强硬度，获得了良好的综合性能，同时，车轮高温力学性能、抗摩擦磨损性能均得到提高。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的组织状态，不增大车轮制备的难度。
附图说明
图1为滚动摩擦磨损主试样图
图2为接触疲劳试验主试样图
图3为高温拉伸试样图
图4为常规AAR-C钢车轮轮辋金相组织图
图5为本发明车轮轮辋金相组织图
图6为本发明与AAR-C钢车轮滚动试样失总重量图(上下试样失重总和)
图7为本发明与AAR-C钢车轮接触疲劳性能图
具体实施方式
下面具体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C-Cr-V高硬度耐磨车轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.70～0.80％、Si0.70～1.80％、Mn 0.40～1.00％、Cr 0.15～0.30％、V 0.05-0.13％、P≤0.012％、S≤0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
到目前为止，国内外火车车轮用钢均为铁素体-珠光体组织的中、高碳碳素钢，这种组织在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。
从耐磨性方面考虑，C对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮的强度硬度指标，改善车轮的耐磨性能，但其含量过高将降低车轮的韧性和塑性，因此本发明将C的范围确定为0.70～0.80％之间。
从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强度硬度性能，应实施复合微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的Cr、V含量进行了设计。
Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高工件强硬度性能，从而提高工件的耐磨性能，但是从Cr元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体-珠光体组织易于获得，Cr含量应该控制在0.15～0.30％
V是固溶强化元素，同时可以形成碳氮化合物达到细化晶粒的作用，在合理的热处理条件下可同时提高车轮的强硬度和韧性综合性能。但V含量过高，会明显提高车轮钢的淬透性能，诱发非铁素体-珠光体组织的形成，因此，V含量应该控制在0.05-0.13％。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.012％。
还提供一种C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，包括电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序，其特征在于：所述的热处理工序为：加热到860-890℃保温2.5-3.5h，轮辋喷水冷却(使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下)，然后在400-450℃回火处理5.0小时。
下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明。
根据标准AARM107对车轮轮辋拉伸性能及断面硬度进行了检验。由于车轮在制动时轮辋温度迅速升高，车轮钢在高温下的力学性能对车轮服役性能具有重要影响。为研究车轮钢摩擦磨损性能进行车轮钢滚动对磨试验，为分析车轮钢高温力学性能进行高温力学性能测试，将取自踏面下的φ70mm×70mm和φ15mm×112.5mm试样分别加工成如图1、2、3所示的摩擦磨损试样、接触疲劳试样和高温拉伸试样，进行摩擦磨损试验、接触疲劳试验、高温拉伸试验。
实施例1-2中的车轮钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1-2均采用100吨超高功率电弧炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成φ380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为970mm的车轮。
实施例1：
将化学成分如表1实施例1的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述的热处理工序为：加热到860℃保温3h，轮辋喷水冷却(使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下)，然后在420℃回火处理5.0小时。
如图4、5所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与对比例(AAR-C钢)车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示，其强硬度、塑性指标与对比例(AAR-C钢钢)车轮明显提高。
摩擦磨损在GPM-30型摩擦磨损与接触疲劳试验机上进行，试验采用双轮对滚接触方式进行，试验条件见表3，试验在干态下进行，每100000转测量试样失重量，分别测量上试样失重量、下试样失重量和两试样总失重量，直至1000000转结束，每组试样测量3次，取平均值。本实施例车轮试样的磨损失重量比对比例(AAR-C钢)车轮明显降低，如图6所示，可见，本实施例耐磨损性能优于对比例。
滚动接触疲劳试验在GPM-30滚动接触磨损和疲劳试验机上进行，试验条件见表3。根据AAR M107/M208标准，将接触疲劳试验中车轮和钢轨试样间的滑差率应设定为0.3％。试验接触应力设定为800、900、1100、1200、1400和1500MPa。试验过程中使用20号机油对轮轨试样接触面进行润滑。对上述试验得到的数据进行统计分析，得到被测材料的S-N，如图7所示，本实施例车轮试样的抗疲劳性能比对比例(AAR-C钢)车轮明显好。
高温拉伸试验在Gleeble3500热/力模拟试验机进行，试验参数：试样以5.0℃/s加热速度加热到538℃保温30s，以10-3s-1的应变速率进行拉伸，数据处理方法按照GB/T4338-2006进行。本实施例车轮高温力学性能如表4所示，其高温力学性能指标与对比例(AAR-C钢)车轮明显提高。
实施例2：
将化学成分如表1实施例2的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述的热处理工序为：加热到890℃保温3h，轮辋喷水冷却(使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下)，然后在400℃回火处理5.0小时。
如图4、5所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与对比例(AAR-C钢)车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示，其强硬度、塑性指标与对比例(AAR-C钢钢)车轮明显提高。
摩擦磨损在GPM-30型摩擦磨损与接触疲劳试验机上进行，试验采用双轮对滚接触方式进行，试验条件见表3，试验在干态下进行，每100000转测量试样失重量，分别测量上试样失重量、下试样失重量和两试样总失重量，直至1000000转结束，每组试样测量3次，取平均值。本实施例车轮试样的磨损失重量比对比例(AAR-C钢)车轮明显降低，如图6所示，可见，本实施例耐磨损性能优于对比例。
滚动接触疲劳试验在GPM-30滚动接触磨损和疲劳试验机上进行，试验条件见表3。根据AAR M107/M208标准，将接触疲劳试验中车轮和钢轨试样间的滑差率应设定为0.3％。试验接触应力设定为800、900、1100、1200、1400和1500MPa。试验过程中使用20号机油对轮轨试样接触面进行润滑。对上述试验得到的数据进行统计分析，得到被测材料的S-N，如图7所示，本实施例车轮试样的抗疲劳性能比对比例(AAR-C钢)车轮明显好。
高温拉伸试验在Gleeble3500热/力模拟试验机进行，试验参数：试样以5.0℃/s加热速度加热到538℃保温30s，以10-3s-1的应变速率进行拉伸，数据处理方法按照GB/T4338-2006进行。本实施例车轮高温力学性能如表4所示，其高温力学性能指标与对比例(AAR-C钢)车轮明显提高。
这表明，本发明制备的车轮相比AAR-C材质车轮，能够显著提高车轮强硬度，获得了更良好的综合性能匹配，同时，车轮的高温力学性能、抗滚动接触磨损能力得到提高。。
表1实施例1－2和ER9钢车轮的合金成分(重量百分比％)
C Si Mn P S Cr V
实施例1 0.74 0.95 0.80 0.008 0.006 0.17 0.08
实施例2 0.79 0.97 0.84 0.006 0.010 0.28 0.12
AAR-C钢 0.73 0.90 0.82 0.009 0.014 0.09 0.004
表2实施例1－2和ER9钢制造的车轮轮辋机械性能
表3摩擦磨损试验、接触疲劳试验条件
试验类型 接触应力/MPa 滑差率/％ 转速/rpm 循环次数/转 陪磨材料
滚动摩擦磨损 1758 0.75 800 50万 U75V轧态
接触疲劳 800～1500 0.3 2000 直至疲劳掉块 U75V轧态
表4实施例1－2和ER9钢制造的车轮轮辋高温力学性能
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 (8)

1.一种C-Cr-V高硬度耐磨车轮钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.70～0.80％、Si 0.70～1.80％、Mn 0.40～1.00％、Cr 0.15～0.30％、V 0.05-0.13％、P≤0.012％、S≤0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种如权利要求1所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电炉冶炼连铸；
(2)切锭轧制；
(3)热处理。
3.如权利要求2所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括如下步骤：
(3-1)加热；
(3-2)轮辋喷水冷却；
(3-3)回火处理。
4.如权利要求3所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(3-1)中加热到860-890℃并且保温2.5-3.5h。
5.如权利要求3和4所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(3-2)中进行轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下。
6.如权利要求3-5所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(3-3)中在400-450℃回火处理5.0小时。
7.如权利要求3-6所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(1)和(2)之间还包括如下步骤：LF炉精炼工序、RH真空处理工序以及圆坯连铸工序。
8.如权利要求3-7所述的C-Cr-V高硬度车轮钢制备耐磨车轮的方法，其特征在于，步骤(3)之后还包括车轮加工以及成品检测工序。
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