CN108342648A - 一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法。所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，包括如下化学成分及重量百分比：C0.67‑0.77％、Si 0.15‑1.00％、Mn 0.60‑0.90％、Als≤0.025％、P≤0.025％、S0.006‑0.020％、V 0.005‑0.015％、Cr 0.10‑0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。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。根据本发明的方法得到的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢为铁素体+珠光体组织，相比AAR‑C车轮钢，在轮辋机械性能水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋低温冲击韧性，从而有效增强了车轮低温下抗断裂能力。

Description

一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法
技术领域
本发明属于重载铁路货车用高碳钢车轮的制造领域，具体涉及一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法。
背景技术
货运列车重载化是世界铁道交通货物运输的必然趋势，对于提高列车运输效率、增强铁道运输竞争力有着重大意义。当前，国外铁路重载货运列车的最大轴重已达35.7t，美国、加拿大、澳大利亚等国铁路重载列车的轴重已普遍达到了32.5t以上，瑞典、巴西等国的铁路重载列车轴重也已提高到了30t。国外实践证明，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。
发展铁路重载运输技术的难点和重点之一是如何保证在重载运输条件下轮轨的使用安全和使用寿命。研究结果表明，对于货车来说，由于采用踏面制动方式，随着车辆轴重的加大和速度的提高，导致制动力增大，车轮在制动时将承受巨大的热载荷，同时由于制动载荷的加大，车轮滑动距离增加，加剧了轮轨间的滑动摩擦趋势，从而使热损伤缺陷甚至热裂事故的发生几率增大。
国外重载车轮主要采用AAR标准，采用高碳(0.67－0.77％)的高强度、高硬度碳素钢车轮材料，首要的考虑是耐磨性、抗接触疲劳强度，但材料抵抗热损伤、内部疲劳裂纹扩展的能力较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法。相比AAR-C车轮钢，在轮辋机械性能水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋低温冲击韧性，从而有效增强了车轮低温下抗断裂能力，车轮设计安全冗余更大。
本发明采取的技术方案为：
一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，包括如下化学成分及重量百分比：C0.67-0.77％、Si 0.15-1.00％、Mn 0.60-0.90％、Als≤0.025％、P≤0.025％、S 0.006-0.020％、V 0.005-0.015％、Cr 0.10-0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，优化为包括如下化学成分及重量百分比：C 0.71-0.74％、Si0.62-0.68％、Mn 0.77-0.84％、Als≤0.017％、P≤0.009％、S 0.006-0.009％、V0.008-0.012％、Cr 0.11-0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的Rm≥1200MPa，Rp0.2≥820MPa，A≥16.8％，踏面下35mm处硬度等级为HV，外侧面硬度等级为HB。
所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级为8级，这种组织在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性。
本发明还提供了所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)电炉冶炼连铸工序；
(2)切锭轧制工序；
(3)热处理工序，包括淬火和回火工艺。
所述热处理工序为：首先在860-880℃保温3.0-3.5小时后，在此温度区间内奥氏体均匀化程度充分，温度过高或过低会导致奥氏体晶粒长大或者不能充分均匀，轮辋喷水冷却，然后在480～500℃回火处理4.0-4.5小时，在此温度范围内，可以消除淬火后车轮的内应力，温度过高或高低会导致不能完全消除内应力或者造成加热资源浪费。
进一步地，所述热处理工序为：首先在867-874℃保温190～200min后，轮辋喷水冷却，然后在486～495℃回火处理250～260min。
进一步地，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530℃以下，在此冷速下，奥氏体会转变为铁素体+珠光体，且能有效控制异常组织，会保证一定的强度和韧性，若非此冷速范围，会造成组织转变不彻底或者形成较深的异常组织。
本发明还提供了根据所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢制备得到的车轮。
本发明提供的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的成分中，各化学成分作用如下：
C元素的主要作用是形成铁素体和提供一定的固溶强度，C还可以形成一些弥散分布的碳化物，也能使车轮钢的强度得到提高，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0.67-0.77％之间。
Si是必不可少的元素，Si元素比Mn具有更好的脱氧能力，并且在常温下大部分能溶于铁素体中，起到了一定的固溶强化效果。Si是铁素体形成元素，能够扩大铁素体相变区域，有利于控制冷却阶段的铁素体形成；但Si含量过高会引起韧性降低，因此本发明将Si的范围确定为0.15-1.00％。
Mn元素主要作用是作为固溶强化元素和相变强化元素。在常温下Mn能在铁素体中形成固溶体，有很明显的固溶强化效果。Mn不但具有很好的脱氧能力，而且还能最大限度的有害元素S的负面作用，高的Mn/S比能明显提高钢的屈服强度和冲击韧性，但同时也增加了过热敏感性和回火脆性倾向，故本发明将Mn的含量控制在0.60-0.90％、S的含量控制在0.006-0.020％。
Als控制过高或过低都会引起夹杂物总量的增加。控制好Als是降低夹杂物的一个关键工艺。Als控制过低时，会增加溶解氧的含量，不但会造成钢中氧化物增加，还会影响钢的组织性能。随着Als的提高，一方面可以使溶解氧迅速地降低到较低水平，细化钢的晶粒。另一方面，浇注时较高的Als会增加钢液的二次氧化，产生滞留在钢中的Al2O3夹杂物，且生成AlN在铸坯凝固时晶界析出易导致裂纹。因此本发明将Als的范围确定为≤0.025％。
V是强碳化物形成元素，其可与碳、氮元素结合形成碳化物、氮化物和碳氮化物，能够在不降低硬度的前提下，提高韧性，但过高V对车轮强度、韧性匹配性产生不利影响，故本发明将V的范围确定为0.005-0.015％。
Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高车轮强硬度性能，但过高Cr对车轮的韧性有不良影响，故本发明将Cr含量控制在0.10～0.15％。
本发明通过控制车轮钢各化学成分的含量，并结合特定的制备工艺，提高常规热处理工艺中淬火加热温度，使得本发明制备的车轮较AAR-C车轮，在轮辋机械性能水平基本相当的前提下，轮辋常温冲击韧性明显提高，从而获得了更加良好的综合力学性能，车轮设计安全冗余更大。
附图说明
图1为实施例1中的轮辋的金相组织照片；
图2为实施例1中的轮辋的金相组织照片；
图3为实施例1中的轮辋的金相组织照片；
图4为对比例中的轮辋的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图1-4及实施例1-3对本发明做详细的说明。
实施例1-3中的车轮钢的化学成分重量分数如表1所示，实施例1-3均采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为920mm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873℃保温195min后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以3℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在490℃回火处理255min。
如图1、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明显高于对比例。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轮辋常温冲击性能明显高于对比例。
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，轮辋常温冲击性能明显提高。
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890℃保温2.5小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在500℃回火处理4.0小时。
如图2、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明显高于对比例。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轮辋常温冲击性能明显高于对比例。
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，轮辋常温冲击性能明显提高。
实施例3
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865℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在480℃回火处理4.5小时。
如图3、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明显高于对比例。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轮辋常温冲击性能明显高于对比例。
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，轮辋常温冲击性能明显提高，发明取得了预期效果。
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(重量百分比％)
C Si Mn P S Al V Cr N(ppm)
实施例1 0.72 0.64 0.82 0.0087 0.0068 0.016 0.008 0.11 57
实施例2 0.74 0.65 0.81 0.0077 0.0085 0.017 0.010 0.14 98
实施例3 0.73 0.67 0.79 0.0086 0.0079 0.015 0.013 0.10 70
对比例 0.72 0.85 0.85 0.017 0.011 0.004 0.012 0.11 33
AAR-C标准 0.67-0.77 0.15-1.00 0.60-0.90 ≤0.030 0.005-0.040 ≤0.06 ≤0.04 ≤0.25 /
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钢制造的车轮轮辋常温冲击性能
上述参照实施例对一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，其特征在于，包括如下化学成分及重量百分比：C 0.67-0.77％、Si 0.15-1.00％、Mn 0.60-0.90％、Als≤0.025％、P≤0.025％、S0.006-0.020％、V 0.005-0.015％、Cr 0.10-0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，其特征在于，包括如下化学成分及重量百分比：C 0.71-0.74％、Si 0.62-0.68％、Mn 0.77-0.84％、Als≤0.017％、P≤0.009％、S 0.006-0.009％、V 0.008-0.012％、Cr 0.11-0.14％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，其特征在于，所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的Rm≥1200MPa，Rp0.2≥820MPa，A≥16.8％，踏面下35mm处硬度等级为HV，外侧面硬度等级为HB。
4.根据权利要求1所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢，其特征在于，所述高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级为8级。
5.根据权利要求1所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电炉冶炼连铸工序；
(2)切锭轧制工序；
(3)热处理工序，包括淬火和回火工艺。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理工序为：首先在860-880℃保温3.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却，然后在480～500℃回火处理4.0-4.5小时。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理工序为：首先在867-874℃保温190～200min后，轮辋喷水冷却，然后在486～495℃回火处理250～260min。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，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530℃以下。
9.根据权利要求1所述的高韧性重载铁路货车用高碳车轮钢制备得到的车轮。
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