CN106521343A - 一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法 - Google Patents

一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢,其化学组成按重量百分含量为:C:0.90~1.20wt.%、Si:0.20~0.40wt.%、Mn:0.30~0.80wt.%、Al:3~5wt.%、Nb:0.01~0.03wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质。经真空感应加热冶炼、铸造、锻轧后,车轮进行采用踏面淬火热处理装置进行喷雾冷却,控制踏面冷却速度为3‑8℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为500‑520℃,保温时间为1‑2小时,回火后空冷到室温。热处理后轮辋进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织,珠光体团尺寸2‑5μm,珠光体片层间距0.04‑0.08μm。轮辋室温抗拉强度1400MPa级,断后伸长率大于10%,辐板20℃冲击功KU2大于10J,可用于重载列车。

Description

一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于铁路车轮用钢技术领域,涉及一种具有高强度和高韧性的重载列车车轮用钢及其制备方法。
背景技术
车轮是铁道和轨道交通车辆用钢的重要产品品种,是保证车辆安全运行的核心部件之一。然而,随着近几年中国轨道交通行业的迅猛发展,特别是随着我国轨道交通客运高速化以及货运重载化,车轮服役环境恶化,各种隐患问题凸显并日趋严重。车轮的磨损、疲劳都会导致车轮材料的失效,带来极大的安全隐患。目前广泛使用的重载车轮大多数为中高碳碳素钢,Mn、Si、Cr含量都较低。正在研发或初步应用的重载车轮已经开始采用高Si设计。本发明发展了一种铝合金化超高碳车轮用钢,辅以Nb或Nb-V微合金化,采用一定的热处理工艺方法,获得超高强度和良好的韧性,可以满足重载车轮使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法。在化学成分上,采用超高C、高Al、Nb或Nb-V微合金化的成分设计,并结合一定的热处理工艺方法,获得超细片层珠光体组织,具有超高强度和良好的韧性和延伸率等综合力学性能,能满足于高速列车使用。
本发明的技术方案如下:
一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢,化学成分C:0.90~1.20wt.%、Si:0.20~0.40wt.%、Mn:0.30~0.80wt.%、Al:3~5wt.%、Nb:0.01~0.03wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
优选地,化学成分C:0.90~0.98wt.%、Si:0.20~0.31wt.%、Mn:0.30~0.55wt.%、Al:3~4.2wt.%、Nb:0.01~0.02wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
优选地,化学成分C:1.00~1.20wt.%、Si:0.34~0.40wt.%、Mn:0.66~0.80wt.%、Al:4.35~5wt.%、Nb:0.025~0.03wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
进一步地,提供一种制造上述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法,制备车轮,将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为820-900℃,保温时间为1-2小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为3-8℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为500-520℃,保温时间为1-2小时,回火后空冷到室温。
优选地,所述制备车轮包括以下步骤,超高强度铝合金化超高碳车轮用钢采用真空感应冶炼,然后模铸,铸坯开坯后进行车轮锻轧,加热温度为1250-1300℃,锻轧后空冷。
优选地,将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为820-850℃,保温时间为1.5-2小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为6-8℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为500-505℃,保温时间为1.5-2小时,回火后空冷到室温。
优选地,将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为860-900℃,保温时间为1-1.5小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为3-5℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为510-520℃,保温时间为1-1.5小时,回火后空冷到室温。
优选地,热处理后轮辋进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织,珠光体团尺寸2-5μm,珠光体片层间距0.04-0.08μm。
本发明各元素的作用及配比依据如下:
碳:C是关系车轮钢强韧性、耐磨性等的主要元素。随着含C量的提高,强度提高,耐磨性提高,韧性和抗热损伤性能降低。但是,重载车轮最关键的指标是高耐磨性,因此本发明钢的碳含量采用超高C成分设计以保证高强度、高硬度,碳含量定为0.90~1.20wt.%。在此碳含量范围下的碳素钢本质上为过共析钢,很容易出现网状渗碳体。如何采用新颖的成分设计、避免网状渗碳体是本发明要解决的主要问题之一。
硅:钢中脱氧元素之一,本发明钢的硅含量控制在0.20~0.40wt.%,也具有一定的固溶强化效果。
锰:钢中的脱氧元素之一,具有固溶强化和细化珠光体片层间距的作用,提高车轮钢的强度和硬度。本发明钢的锰含量范围为0.30~0.80wt.%。
铝:显著提高共析碳含量和共析温度,减小珠光体片层间距,提高珠光体组织的稳定性,抑制高碳钢中网状渗碳体的形成;添加铝还能使钢的重量减轻。本发明钢中的铝含量控制在3.0~5.0wt.%,辅以Nb微合金化,可以有效的配合0.90-1.20wt.%超高碳设计,避免网状渗碳体的形成,获得细晶、超细片层珠光体组织。
铌:中高碳钢中进行Nb微合金化,大部分的Nb将在高温奥氏体相区以NbC形式析出,起细化奥氏体晶粒的作用,从而细化珠光体块、团尺寸。高温奥氏体化时固溶Nb含量为5-10ppm量级,但显著提高共析碳含量。Nb微合金化促使中高碳钢连续冷却过程中的高温相变曲线向右上方移动。本发明利用微量Nb提高共析碳含量的特点,与超高C设计、Al合金化匹配,可以获得细晶细片层珠光体型车轮钢,无网状渗碳体。本发明钢的Nb含量控制为0.01~0.03wt.%,过高的Nb含量会导致NbC析出温度升高从而粗化,不利于对奥氏体晶粒的细化。过低的Nb含量也不利于细化奥氏体晶粒。
钒:中高碳钢中的微合金V在高温奥氏体化时部分析出以外,还有相当部分以固溶形式存在,在后续的相变过程中细化珠光体片层间距,并以相间析出的形式析出,具有沉淀强化作用,进一步提高强度。本发明钢V含量控制在0.00~0.60wt.%,主要发挥VC的沉淀强化作用,并与Nb复合,增强细晶作用。
磷和硫:钢中杂质元素,对钢的塑韧性及疲劳性能不利,其含量控制在0.015wt.%以内。
本发明的优点在于:
采用了超高碳、Al合金化、Nb或Nb-V微合金化的成分设计,超高碳含量保证车轮用钢具有超高强度和高耐磨性,铝合金化抑制网状渗碳体的形成,使之获得超细珠光体组织,同时使钢的重量有所减轻;结合Nb或Nb-V微合金化,通过MC相细化奥氏体晶粒以及沉淀强化作用,进一步改善强韧性,从而使车轮钢获得超高强度和良好的韧性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为实施例1#热处理后组织的OM照片。
图2为实施例1#热处理后组织的SEM照片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明本发明实施例1#-3#钢化学成分如表1所示。经真空感应炉冶炼、模铸、锻轧后,在真空炉中加热至860℃,保温2h,随后在踏面淬火热处理装备上采用喷雾冷却方式进行连续冷却使踏面达到350℃,然后空冷至室温。回火处理的保温温度520℃,保温时间2h,回火后空冷至室温。热处理后获得超细片层珠光体组织,图1和图2分别为实施例1#热处理后组织的OM和SEM照片,实施例轮辋进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织,珠光体团尺寸2-5μm,珠光体片层间距0.04-0.08μm。表2中列出了热处理后轮辋的室温拉伸性能和辐板的20℃冲击性能,可以看出实施例1#~3#钢的轮辋室温屈服强度达1000MPa级、抗拉强度达1400MPa级、断后伸长率达10%以上,辐板20℃冲击功达10J以上的综合力学性能。
表1化学成分(wt.%)
编号 C Si Mn S P Nb V Al
1# 0.95 0.32 0.78 0009 0.008 0.018 0.052 4.02
2# 1.06 0.31 0.44 0.01 0.014 0.021 0.022 3.11
3# 1.19 0.21 0.38 0.008 0.011 0.025 - 4.86
表2轮辋室温拉伸性能和辐板20℃冲击性能
编号 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/% 20℃KU2/J
1# 1428 1035 10.8 14
2# 1436 1046 10.4 14
3# 1450 1049 10.3 12
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢,其特征在于:化学成分C:0.90~1.20wt.%、Si:0.20~0.40wt.%、Mn:0.30~0.80wt.%、Al:3~5wt.%、Nb:0.01~0.03wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
2.如权利要求1所述的超高强度铝合金化超高碳车轮用钢,其特征在于:化学成分C:0.90~0.98wt.%、Si:0.20~0.31wt.%、Mn:0.30~0.55wt.%、Al:3~4.2wt.%、Nb:0.01~0.02wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
3.如权利要求1所述的超高强度铝合金化超高碳车轮用钢,其特征在于:化学成分C:1.00~1.20wt.%、Si:0.34~0.40wt.%、Mn:0.66~0.80wt.%、Al:4.35~5wt.%、Nb:0.025~0.03wt.%、V:<0.06wt.%、P:<0.015wt.%、S:<0.015wt.%,余量为Fe和不可避免的杂质,均为重量百分数。
4.如权利要求1-3之一所述的重载列车车轮用钢,其特征在于,热处理后进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织,珠光体团尺寸2-5μm,珠光体片层间距0.04-0.08μm。
5.一种制造权利要求1-4之一所述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法,其特征在于:制备车轮,将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为820-900℃,保温时间为1-2小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为3-8℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为500-520℃,保温时间为1-2小时,回火后空冷到室温。
6.如权利要求5所述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法,其特征在于:所述制备车轮包括以下步骤,超高强度铝合金化超高碳车轮用钢采用真空感应冶炼,然后模铸,铸坯开坯后进行车轮锻轧,加热温度为1250-1300℃,锻轧后空冷。
7.如权利要求5或6所述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法,其特征在于:将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为820-850℃,保温时间为1.5-2小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为6-8℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为500-505℃,保温时间为1.5-2小时,回火后空冷到室温。
8.如权利要求5或6所述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法,其特征在于:将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热,加热温度为860-900℃,保温时间为1-1.5小时,出炉后采用踏面喷雾冷却的方式,控制踏面冷却速度为3-5℃/s,连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温,然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理,回火温度为510-520℃,保温时间为1-1.5小时,回火后空冷到室温。
9.如权利要求5-8之一所述的热处理方法,其特征在于,热处理后轮辋进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织,珠光体团尺寸2-5μm,珠光体片层间距0.04-0.08μm。
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