CN107245649B - 一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C 0.67‑0.77％、Si 0.50‑0.70％、Mn 0.70‑0.8％、V 0.05‑0.15％、N 50‑150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明提供的车轮钢有别于AAR‑C车轮成分的新材质成分设计，并设计了与之相应的热处理制度，使得新材质车轮综合力学性能优于AAR‑C车轮，强度和硬度不低于AAR‑C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选择范围，同时为将来更高要求的货车车轮研发做技术储备。

Description

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于铁路重载货车车轮的制造领域，具体为一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法。提供一种轴重≥32.5t的高硬度、高强度、高塑性铁路货车用高碳钢车轮合金化设计及其制备方法。

背景技术

实践证明，增大货车轴重，实现重载运输，是提高铁路运输能力、解决运能不足的有效途径。重载运输在以货运为主的美国、加拿大、澳大利亚非常普遍，其铁路重载列车的轴重已普遍达到了32.5t以上，运输效率明显提高，随之而来的对车轮耐磨性、抗接触疲劳强度的要求也明显提高，其材质主要采用具有高强度、高硬度的碳素钢，即北美AAR M107标准中C级钢(0.67％-0.77％)，即AAR-C车轮。

对于国内来说，为了尽快解决铁路运力不足问题，原铁道部早在2003年6月就提出铁路运输重载货运的发展战略。自2004年以来，按照北美AAR M107标准组织生产的C级钢(简称AAR-C)车轮一直是马钢重载货车车轮出口的主要产品之一，产品出口澳大利亚、巴西、加拿大等地，在国际车轮市场占据一席之地。该产品仅对外侧面硬度、高倍夹杂、超声波探伤有要求。通过几年的努力，马钢已形成批量生产供货能力，各项指标均能较好地满足AAR M107标准C级钢车轮的要求，创造了可观的经济效益和社会效益。

近年来，国外重载货运得到进一步发展，35t-40t大轴重重载矿运列车得到普遍应用，从改善和提高车轮使用性能的角度出发，以澳大利亚BHP、力拓为代表的国外大型矿石生产商，提出了硬度等级更高的新型车轮需求，这种车轮是由AAR-C车轮衍生出来的，其化学成分要求同通用的AAR M107标准C级钢一致，而硬度指标大幅度提高，由321-363HB提高至341-388HB甚至360-401HB，同时还对拉伸性能、踏面表层组织控制、超声波探伤等提出了非常明确和苛刻的要求，目的是在机械载荷、热负荷显著增大的使用条件下，在不改变轮型设计、不改变安全系数的前提下，通过提高车轮材质性能以进一步提高车轮的承载能力，提高车轮抗接触损伤、抗磨损和抗热损伤能力，以保证重载运输的安全性、可靠性，从而实现运输效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，有别于AAR-C车轮成分的新材质成分设计，制备的车轮综合力学性能优于AAR-C车轮。

本发明还提供了一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，与其方法相匹配，制备的车轮综合力学性能优于AAR-C车轮，强度和硬度不低于AAR-C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选择范围，同时为将来更高要求的货车车轮研发做技术储备。

本发明提供的一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其化学成分重量百分比为：

C 0.67-0.77％、Si 0.50-0.70％、Mn 0.70-0.8％、V 0.05-0.15％、N 50-150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提供的车轮用钢具有铁素体-珠光体组织状态，具有最好的耐磨性。

本发明提供的一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，方法为：

将上述成分的车轮钢按照常规车轮钢炼钢工艺进行冶炼、轧制、粗加工后，将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，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，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时。

本发明中各元素及其含量作用：

C是车轮钢中最基本和最重要的成分，作为间隙固溶元素，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，但其含量过高将显著降低车轮的韧性和抗冷热疲劳性能，因此本发明将C的范围确定为0.67-0.77％。

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和高的塑性性能，应实施复合微合金化。因此，本发明对Si、Mn含量采用常规设计，重点对车轮钢中的V、N含量进行了设计，起到两者复合合金化作用。

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0.50-0.70％。

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，还具有细化晶粒减小珠光体片层间距，有利于提高韧性，另增加Mn含量还具有提高车轮钢淬透性的作用，但同时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0.70-0.8％。

V是强碳氮化物形成元素，主要以固溶和V(CN)析出两种形式存在，起细化奥氏体晶粒、珠光体团与珠光体片层间距和沉淀强化的作用，有利于提高强韧性。高碳钢在连续冷却条件下，随V含量增多，珠光体平均转变温度降低，CCT曲线向右下方移动，片层细化，珠光体组织的强度和硬度升高。V在钢中N含量较大的情况下，可起到细化晶粒的作用，增N促进了V(CN)在奥氏体/素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。同时通过细化晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，能够达到良好的强度、韧性配合。钢V的含量宜控制在0.05-0.15％，过低不利于奥氏体晶粒细化，超过0.15％以后继续增加V含量进一步细化珠光体片层间距的作用不显著，淬透性提高较大，不利于车轮钢珠光体组织控制。因此本发明将V的范围确定为不超过0.05-0.15％。

N是含V微合金钢中的一个十分有效的合金元素，钢中增N促进了V与N析出，从而更好地发挥了V的析出强化与细晶强化效果，使钢在较低V含量情况下就具有高V含量钢的强度，在保证一定的强度水平下，充分利用廉价的N元素，从而节约了V的用量，降低钢的成本，使钒氮非调质钢更具有市场竞争力，为开发高附加值的钒氮非调质钢开辟了一条更加经济的新路径。因此本发明将N的范围确定为50-150ppm。

Als在车轮钢中以AlN的形式存在，细小弥散分布的AlN可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，但Als的增加会导致AlN长大，不仅不能有效发挥改善塑韧性的作用，反而会导致塑韧性降低，Als的含量不超过0.025％。

P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。

研究表明，由于碳氮化物溶解度较大，加热温度高于1000℃时，几乎所有的V将在铁素体中析出。与现有技术相比，本发明由于V的添加，且车轮的轧制温度一般高于1000℃，轧后缓冷V(CN)析出，在车轮奥氏体化过程中，析出的V(CN)相对奥氏体长大有钉扎作用，在相同的奥氏体化温度下，由于V、N的添加，奥氏体区更加稳定。车轮在淬火过程中，稳定的奥氏体推迟了奥氏体向珠光体转变，导致先共析铁素体沿晶界先析出，而稳定奥氏体转变有利于细小片间距珠光体的形成。本发明提供的车轮钢有别于AAR-C车轮成分的新材质成分设计，主要增加了V、N微量元素，并设计了与之相应的热处理制度，使得新材质车轮组织中增加韧性的铁素体相增多，而V的增加又有利于珠光体片间距减小，有利于强硬度提升。因此，本发明提供的车轮钢综合力学性能优于AAR-C车轮，强度和硬度不低于AAR-C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选择范围，同时为将来更高要求的货车车轮研发做技术储备。

附图说明

图1实施例1轮辋组织；

图2实施例2轮辋组织；

图3实施例3轮辋组织；

图4对比例车轮辋组织。

具体实施方式

实施例1

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其化学成分如下表1；其余为Fe和不可避免的杂质元素。

实施例2

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其化学成分如下表1；其余为Fe和不可避免的杂质元素。

实施例3

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其化学成分如下表1；其余为Fe和不可避免的杂质元素。

表1实施例1、2、3及AAR-C钢所采用的火车车轮的化学成分，(质量百分比％)

实施例4

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，具体为：

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、切锭热轧工序、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：首先将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，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，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图1、图4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量为1.97％，明显高于对比例含量的1.22％。

本实施例车轮机械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出实施例1和对比例AAR-C钢车轮轮辋强度、硬度相当，但其延伸率明显高于后者。由表3可知，实施例1轮辋断裂韧性明显高于对比例。

由此可见，实施例1具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，轮辋延伸率和断裂韧性明显提高，发明取得了预期效果。

实施例5

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，具体为：

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、切锭热轧工序、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：首先将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，然后轮辋喷水冷却(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)，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图2、图4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量为2.56％，明显高于对比例含量的1.22％。本实施例车轮机械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出实施例2和对比例AAR-C钢车轮轮辋强度、硬度相当，但其延伸率明显高于后者。由表3可知，实施例2轮辋断裂韧性明显高于对比例。

由此可见，实施例2具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，轮辋延伸率和断裂韧性明显提高，发明取得了预期效果。

实施例6

一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，具体为：

将化学成分如表1实施例3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、切锭热轧工序、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：首先将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，然后轮辋喷水冷却(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)，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图3、图4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量为2.32％，明显高于对比例含量的1.22％。本实施例车轮机械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出实施例3和对比例AAR-C钢车轮轮辋强度、硬度相当，但其延伸率明显高于后者。由表3可知，实施例3轮辋断裂韧性明显高于对比例。

由此可见，实施例3具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，轮辋延伸率和断裂韧性明显提高，发明取得了预期效果。

表2实施例1、2、3及AAR-C钢制造的车轮轮辋常规机械性能

表3实施例1、2、3及AAR-C钢制造的车轮轮辋断裂韧性性能

Claims (4)

1.一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：

C 0.67-0.77%、Si 0.50-0.70%、Mn 0.70-0.8%、V 0.05-0.15%、N 50-150ppm、Als ≤0.025%、P ≤0.015%、S ≤0.015%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，方法为：将车轮钢按照常规车轮钢炼钢工艺进行冶炼、轧制、粗加工后，其特征在于，将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，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，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时；

所述高强高塑性重载铁路货车车轮用钢用于轴重≥32.5t的车轮。

2.根据权利要求1所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：

C 0.72%、Si 0.66%、Mn 0.74%、V 0.05%、N 57ppm、Als ≤0.025%、P 0.0072%、S0.0072%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：

C 0.74%、Si 0.67%、Mn 0.72%、V 0.09%、N 98ppm、Als ≤0.025%、P 0.0077%、S0.0085%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：

C 0.73%、Si 0.65%、Mn 0.77%、V 0.15%、N 143ppm、Als ≤0.025%、P 0.0086%、S0.0079%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。