CN107058864B - 铁道车辆车轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁道车辆车轮，其采用如下方法制备的车轮轮坯用钢制备而成，具有无碳化物的马氏体‑贝氏体复相组织，所述车轮轮坯用钢以重量百分比计含有：C:0.1～0.25％，Si:0.7～1.2％，Mn:1.5～2.2％，Cr:0.5～1％，Ni:0.3～0.8％，Mo:0.2～0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢坯是通过在电炉中进行精炼，真空脱气后铸坯，然后再进行电渣重熔后得到。该轮坯用钢在获得高强度的同时保持高韧性。本发明还提供了该轮坯的制造方法以及用该轮坯制成的铁道车辆车轮。

Description

铁道车辆车轮

技术领域

本发明涉及一种铁道车辆车轮轮坯用钢及其车轮和制造方法，具体涉及采用特定化学组分的铁道车辆车轮轮坯用钢，同时具有高强度和高韧性，以及该轮坯的制造方法以及利用该轮坯得到的铁道车辆车轮。

背景技术

目前，作为高速轮轨铁路发展的核心技术之一，火车车轮用钢的研究重点是如何保证在运行条件下车轮使用安全和使用寿命。

研究结果表明，火车运行过程中，火车的动力学条件发生显著变化，车轮的使用条件也发生显著变化。车轮在火车运行中起承载、传递动力以及制动等作用。随着火车运行速度的提高，车轮与钢轨之间的磨损加剧，并且在火车的制动过程中，产生大量的摩擦热，加剧了车轮和钢轨因疲劳、剥离等引发的失效问题，给火车的安全运行带来极大的隐患，甚至发生安全事故，同时增加了铁路检修成本。1998年德国高速列车出轨，造成100多人死亡的惨重事故，其起因就是车轮的疲劳断裂。因此各国为适应火车高速运行的需求，纷纷研制和生产新的火车车轮和钢轨用材料。

从欧洲各国早些时候高速车轮用钢普遍采用UIC812-3标准的R7钢，主要以Si、Mn为强化元素，其各种元素的百分比含量极限应低于或等于下表中规定的数值。

R7钢的化学成分如下表1所示：

表1R7钢的化学成分

车轮轮辋的机械性能要求抗拉强度Rm为820MPa～940MPa，定倍数为A5的断裂伸长率≥14％，冲击韧性Aku(+20℃)≥15J，断面硬度为241HB～277HB。R7钢属中碳系铁素体-珠光体钢。国外研究者曾测定了R7车轮钢机械性能，其轮辋的抗拉强度范围为860MPa～940MPa，断面硬度极限值超过260HB，断裂韧性室温的Kq≈75Mpa·ml/2，-60℃～-20℃的Kq稳定在60Mpa·m1/2以上。后来由于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火车用车轮钢的研究，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。研究者们提出了降碳微合金化车轮、低碳贝氏体车轮等新的合金设计思路，同时改进车轮钢的冶金工艺和技术，使材料的洁净度有所提高，这些对改善车轮的抗损伤性能有利。

我国国内研究部门对法国改进后的R7车轮钢实物车轮进行了检验分析，其轮辋的抗拉强度在860MPa～900MPa之间，轮辋断面硬度在标准的下限245HB～255HB，但是材料的断裂韧性超过85Mpam1/2，说明改进后的R7车轮钢硬度和强度略有下降，但材料的韧性有所提高。大量相关研究材料表明，在提高材料强度和韧性的研究中，同时提高两者几乎是不可能，要获得韧性，必将丧失部分强度；而提高强度则韧性会受影响。

现有技术中火车车轮用钢多为碳钢，或碳钢基础上添加少量合金元素，其金相组织多为铁素体钢、珠光体的混合组织。

中国专利CN102534396 A公开了一种高速列车车轮钢，通过添加0.015-0.110％的Nb以及特殊的热处理工艺来改善中高碳钢的断裂韧性，但是抗拉强度和屈服强度仍较低。美国专利US 7559999和US7591909也公开了添加Nb以提高耐滚动疲劳性以及耐剥落性的铁道车轮用钢。

日本特开昭50-104717号公报公开了添加有V的“高韧性铁路车轮用钢”。中国专利CN 1800427A也提供了含有V的铁道车轮用贝氏体钢，但是强度和韧性仍然不理想。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的一个目的是提供一种铁道车辆车轮轮坯用钢，在获得高强度的同时保持高韧性。

本发明的另一个目的是提供铁道车辆车轮轮坯的制造方法。

本发明的再一个目的是提供同时具有高强度和高韧性的铁道车辆车轮。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种铁道车辆车轮轮坯用钢，以重量百分比计含有：

C：0.1～0.25％，Si：0.7～1.2％，Mn：1.5～2.2％，Cr：0.5～1％，Ni：0.3～0.8％，Mo：0.2～0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。作为一个优选的方式，各元素的百分含量是：C：0.15％，Si：0.9％，Mn：2.0％，Cr：0.4％，Ni：0.5％，Mo：0.25％。

优选地，所述轮坯用钢以重量百分比计进一步还含有：限制在0.01％以下的P和限制在0.01％以下的S。

所述的轮坯用钢具有无碳化物的马氏体-贝氏体复相组织。

第二方面，本发明提供一种铁道车辆车轮，其由第一方面中任一可能实施方式的所述的轮坯用钢制造得到。

第三方面，本发明提供一种铁道车辆车轮轮坯的制造方法，包括如下工序：

按第一方面及其中任一可能实施方式的轮坯用钢的化学组分熔炼成钢坯，然后将钢坯锻造成轮坯。

进一步地，所述钢坯具体通过如下工序得到：

在电炉中进行精炼，真空脱气后铸坯，然后再进行电渣重熔。

优选地，在电炉精炼出炉后，采用水冷冷却，并确保连续冷却至Ms点。

第四方面，本发明提供一种铁道车辆车轮轮坯的制造方法，包括如下工序：

按第一方面及其中任一可能实施方式的所述的轮坯用钢的化学组分铸造成轮坯。其与第三方面的区别在于，通过铸造而非锻造得到轮坯。

第五方面，本发明提供一种第三方面所述制造方法制造得到的铁道车辆车轮轮坯。

第六方面，本发明提供一种第四方面所述制造方法制造得到的铁道车辆车轮轮坯。

本发明提供的铁道车辆车轮轮坯用钢，通过特定的化学成分配比，得到了无碳化物马贝负相组织，具有抗拉强度、屈服强度优异等性能特点，在获得高强度的同时保证了高韧性，进一步利用这种轮坯得到相应的铁道车辆车轮。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明具体实施方式提供了一种铁道车辆车轮的轮坯用钢，通过此轮坯可以进一步加工成铁道车辆的车轮。发明人通过科学合理的分析及大量的试验，在合金成分上进行了优化设计，得到的该轮坯具有马氏体-贝氏体复相组织，其所具有一个显著的特性是能够同时保持高强度与高韧性。

本发明中所述的“铁道”的具体类型并无特别的限制，由本发明提供的轮坯制得的车轮特别地适用于运行在高速轮轨上，但同样适用在对车轮机械性能要求较低的低速轮轨上。在应用场合上，所述的铁道可以是城际的火车铁路，或是城市轨道的轻轨、地铁等城市铁道。

本发明中所述的“车辆”具体指运行在铁道上的列车，其中，所述的“车轮”指的是与铁道配合的车轮。通常地，其包括轮辋和轮辐(幅板)。即在本发明中，如无特别的声明，轮坯同时可以用于加工制备车轮的轮辋和轮辐。

本发明所述的“轮坯”指的是含有本发明提供的特定化学组分的坯料，具体用于加工成铁道车辆的车轮。

下面，对本发明提供的铁道车辆车轮轮坯用钢的化学组分进行详细的描述。按照重量百分比计，轮坯用钢含有：

C：0.1～0.25％，Si：0.7～1.2％，Mn：1.5～2.2％，Cr：0.5～1％，Ni：0.3～0.8％，Mo：0.2～0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。下面对各元素的添加进一步说明。

C：0.1～0.25％

本发明将C含量降低到0.25％以下(进入低碳钢的范畴)，与R7钢相比显著的降低了碳含量，以提高的钢的塑性和冲击性，并且改善钢材料的可焊性，提高钢的耐大气腐蚀能力，降低钢的冷脆性和时效敏感性。

Si：0.7～1.2％

将Si的含量限制在降低到1.2％以下，其目的是提高钢材料的焊接性能、塑性和冲击韧性。Si的含量下限为0.7％，进一步降低可能会对强度产生不利影响。

Mn：1.5～2.2％

Mn可提高钢的强度，增加Mn含量对提高低温冲击韧性有好处，并可在冶炼过程中作为脱氧剂和脱硫剂，故本发明材料成分设计时，相较于R7钢，将Mn的含量提高至1.5～2.2％的范围。

Mo：0.2～0.4％

添加该含量的Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(所述的蠕变指的是长期在高温下受到应力发生变形)，在结构钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。Mo在工具钢中可提高红性。Mo还能抗氢腐蚀，本发明中Mo元素含量较R7高。

但考虑各元素含量变化对性能的综合影响时，则情况往往比较复杂且容易变得不可预测。例如，本领域通常地认为，降低C含量会对材料塑性和冲击韧性有不利影响。降低Si元素含量则降低材料的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。但是发明人惊奇地发现，尽管与R7钢相比，本发明采用了诸如降低C含量和Si含量等选择，提供的轮坯用钢仍然可以同时保持良好的韧性和强度，这可能和各组分间的协同作用有关。

在一种优选的实施方式中，轮坯用钢中还含有P和S，且P的含量以重量百分比计限制在≤0.01％且大于0％内，S的含量以重量百分比计限制在≤0.01％且大于0％内。

作为一个更为优选的实施方式，轮坯用钢中的元素含量以重量百分比计为：C：0.15％，Si：0.9％，Mn：2.0％，Cr：0.4％，Ni：0.5％，Mo：0.25％，P≤0.01％，S≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

上述轮坯的制造方法可以按照本领域已知的钢坯制造方法得到。本发明中提供了两种可能实现的制备方式。

第一种是按照上述轮坯用钢的化学组分配比熔炼成钢坯，然后将钢坯锻造成轮坯。钢坯的熔炼工序具体可以包括：在电炉中进行精炼，真空脱气后铸坯，然后再进行电渣重熔。

电炉精炼时气体放电形成电弧时能量比较集中，弧区温度可达3000℃以上，脱硫、磷的效率较高，炉温容易控制，工艺灵活性更大，且环保性能好。电弧炉的具体类型可以根据产品的生产规模等选择，例如在一些实施例中，电弧炉可以由德国西马克设备制造公司提供。在一些优选的实施方式中，在电炉精炼出炉后，采用水冷冷却，并确保连续冷却至Ms点。

对钢水进行真空脱气，以去除或降低有害元素，减少钢材料的表面缺陷，并实现对钢液成分的精确控制。在一些优选的实施方式中，在真空脱气时，还可以同时进行电磁搅拌和/或吹惰性气体(例如氩气)搅拌。

电渣重熔旨在利用水冷结晶器的电流通过熔渣时产生的电阻热，将铸坯合金钢重新熔化和精炼，再顺序凝固成铸坯。此过程中，金属熔化、浇铸和凝固均在一个较为纯净的环境中进行，有利于去除杂质并提高组织的均匀性和致密性。

在电渣重熔后得到了钢坯，再通过本领域已知的锻造方式锻造成轮坯。

进一步地，再通过本领域已知的锻造方式将其锻造制成铁道车辆的车轮。车轮主要由轮辋和轮辐构成。

另一种轮坯的制备方法是按照上述轮坯用钢的化学组分配比直接铸造成轮坯，而不需要锻造的过程。同样地，在得到轮坯后，可以按照本领域已知的锻造方式将其锻造制成铁道车辆的车轮。

实施例

将含有表2成分的钢用电弧炉熔炼，熔炼的过程包括真空脱气处理以及其后的电渣重熔处理。然后铸成轮坯。按照铁道车辆车轮的规格要求锻造成由轮辋和轮辐构成的车轮。表2中给出了两个实施例以及两个对比例。其中对比例一为中国专利CN1800427A公开的名为“铁道车辆车轮用贝氏体钢”说明书中实施例的钢。对比例二为传统火车车轮用钢R7。各成分均是按照重量百分比计的。如实施例一种C的重量百分比为0.15％，以此类推。

表2各实施例和对比例钢的化学成分

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Mo	Ni	V
											实施例一	0.15	0.9	2.0	≤0.010	≤0.010	0.4	-	0.25	0.5	-
实施例二	0.22	1.1	2.0	≤0.010	≤0.010	0.8	-	0.4	0.73	-
											对比例一	0.35	0.6	0.6	≤0.015	≤0.015	0	0	0.2	0.8	0.1
对比例二	0.52	0.40	0.80	0.035	0.035	0.30	0.30	0.08	0.30	0.05

对表2中各实施例和对比例进行力学性能测试组织鉴定。将结果记录在表3中。其中，实施例一和实施例二的冲击韧性由轮坯加工制成的成品车轮制样测得。

表3力学性能测试结果及组织鉴定

由上表中实施例与对比例的力学性能描述可知，本发明所述的贝氏体钢材料较对比例二的传统火车车轮用钢R7，各项性能明显提高。较对比例一所描述的贝氏体钢材料，抗拉强度及延伸率有明显提高。在保证了韧性的同时，仍然兼得了良好的硬度和强度。此外，本发明描述的轮坯制得的火车车轮与本发明申请人已授权专利CN101921971A提供的曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨中描述的贝氏体钢轨配合使用时，力学性能匹配度更好，综合寿命更长，效果更佳。

以上对本发明所提供的铁道车辆车轮轮坯用钢、铁道车辆车轮及制造方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.铁道车辆车轮，其特征在于：所述铁道车辆车轮采用如下方法制备的车轮轮坯用钢制备而成，具有无碳化物的马氏体-贝氏体复相组织，所述车轮轮坯用钢以重量百分比计含有：

C:0.1～0.25％，Si:0.7～1.2％，Mn:1.5～2.2％，Cr:0.5～1％，Ni:0.3～0.8％，Mo:0.2～0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质；

钢坯是通过在电炉中进行精炼，真空脱气后铸坯，然后再进行电渣重熔后得到。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆车轮，其特征在于：车轮轮坯用钢在电炉精炼出炉后，采用水冷冷却，并确保连续冷却至Ms点。

3.根据权利要求1所述的铁道车辆车轮，其特征在于：车轮轮坯用钢以重量百分比计进一步还含有：限制在0.01％以下的P和限制在0.01％以下的S。