CN108588580A

CN108588580A - 一种高纯净贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法

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Publication number: CN108588580A
Application number: CN201810372890.7A
Authority: CN
Inventors: 谭谆礼; 高博; 祝家祺; 张敏; 李季; 安佰峰; 白秉哲; 翁宇庆
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明公开一种高纯净贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法，涉及贝氏体钢技术领域。该贝氏体钢组成包含：C：0.1～0.5％，Mn：1.2～3.0％，Si：0.5～1.9％，Cr：0.5～1.5％，Mo：0.1～0.6％，V：≤0.2％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤20ppm，Ca：≤0.02％，且Ca/S≥1.0，其余为铁及不可避免的杂质元素，具有高强度、高韧性、高耐磨性和高抗疲劳性能，还具有良好的抗开裂性能。采用本发明的制造方法将所述贝氏体钢制造成车轮，该车轮耐磨并且抗疲劳，综合性能得到大幅度提升。

Description

一种高纯净贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法

技术领域

本发明涉及贝氏体钢技术领域。更具体地，涉及一种高纯净贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法。

背景技术

列车在行驶过程中，车轮承载着车辆的全部重量，需具有良好的强韧性以减轻与钢轨间的磨损和抑制滚动接触疲劳等损伤。而且，当列车进行制动时，还会产生热疲劳损伤，影响车轮使用寿命和列车行驶的安全性。因此，铁路运行要求车轮具有良好的强度、韧性、塑性、耐磨和耐疲劳等综合性能。

高速和重载是铁路发展的主要方向。目前国内外铁路用车轮钢主要以珠光体-铁素体组织为主。但是，珠光体车轮的含碳量较高，屈服强度较低，其抗滚动接触疲劳和抗热损伤能力较差，在车轮运行过程中容易产生剥离、辋裂等缺陷。尤其随着铁路朝着更高载重、更快速度方向发展，现有珠光体车轮出现失效越来越频繁，导致铁路维护费用大幅度增加。因此，需要开发新型车轮以满足铁路的发展。与珠光体组织相比，适当的贝氏体组织具有更好的强韧塑性和抗疲劳等综合性能，因此，贝氏体车轮成为新型铁路用车轮的潜在品种。

然而现有贝氏体车轮的性能还存在一定缺陷，其强度级别基本在1100MPa以下，且屈服强度低于960MPa。因此，需要提供一种更高强度、更高屈服强度的贝氏体车轮。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种高纯净贝氏体钢，其不仅具有高强度、高韧性、高耐磨性和高抗疲劳性能，还具有良好的抗开裂性能。

本发明的第二个目的在于提供一种综合性能优良的高纯净贝氏体钢车轮。

本发明的第三个目的在于提供一种高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，该方法可以大幅提升车轮的力学性能，从而保证获得具有优良的耐磨和抗疲劳性能的车轮。

根据本发明的第一个目的，本发明提供一种高纯净贝氏体钢，包括如下质量百分比的组分：C：0.1～0.5％，Mn：1.2～3.0％，Si：0.5～1.9％，Cr：,0.5～1.5％，Mo：0.1～0.6％，V：≤0.2％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤20ppm，Ca：≤0.02％，且Ca/S≥1.0，其余为铁及不可避免的杂质元素。

优选地，按质量百分比，其组成还包括0.1～1.5％的Al元素，且0.8≤Si+Al≤2.0％。

通过钢的高纯净度化学成分设计，严格限定钢中杂质元素S、P含量，并保证Ca/S比，利用Ca元素对夹杂物球化作用，在不添加或少添加Mo、不添加Ni等贵重合金元素前提下，充分利用热处理工艺调控方法，获得以贝氏体复相为主，含一定量残余奥氏体显微组织的、具有高强度、高韧性、高硬度、高抗开裂等系列综合性能优良的贝氏体车轮。

在本发明中，各元素的性能如下：

碳元素：钢中的基础强化元素，可有效提高钢种的强度和淬透性。一般而言，随着碳含量增加，强度上升，韧性下降。碳含量低于0.1％时，钢的强度需要通过其它合金元素的加入弥补，但当碳含量高于0.5％时，容易导致脆性渗碳体析出，不利于钢的韧性，因此，合适的碳含量为0.1-0.5％。

锰元素：钢中基本的合金元素，有显著的固溶强化作用，且可提高钢种淬透性。同时锰元素可扩大奥氏体区，推迟高温珠光体转变，使珠光体转变区和贝氏体转变区分离，在较宽冷速范围内得到贝氏体组织。Mn含量低于1.20％时，钢的淬透性较差，不利于获得贝氏体组织；当Mn含量高于3.00％时，钢的淬透性显著增加，但偏析趋向明显加大，不利于韧性，因此，合适的Mn含量范围为1.20-3.00％。

硅元素：有固溶强化的作用，同时可抑制碳化物析出，容易获得无碳化物贝氏体和残余奥氏体组织，有利于残余奥氏体热稳定性和机械稳定性的提高，可保证良好强韧性的匹配。且能提高钢种强度和Ac3点，有益于钢种的抗热损伤性能。当其含量低于0.5％时，上述效果不明显，当其含量高于1.9％时，可能增加先共析铁素体析出倾向，不利于疲劳性能，因此，合适的硅含量为0.5～1.9％。

铝元素：与硅元素类似，可抑制碳化物的析出，同时显著提高Ac3温度，有利于抗热损伤性能。此外，适量Al元素存在，可显著降低钢种对氢的敏感性，提高抗开裂能力，降低车轮服役过程发生开裂的风险。当铝含量小于0.1％时，效果不明显。但铝含量超过1.5％时，会降低钢液的流动性，可能造成连铸时的水口结瘤而不利于生产。且由于硅和铝元素的共同作用，当二者总含量大于2.0％时将大幅度提高钢种的Ac3温度，容易导致先软相共析铁素体的形成，导致强韧性和疲劳性能等的降低，因此，铝元素在0.1～1.5％范围时，应保证0.8％≤Si+Al≤2.0％。

铬元素：可起到显著的固溶强化作用，且可显著提高钢种的淬透性，有利于车轮横断面组织的均匀性。其含量小于0.5％时效果不明显。其含量大于1.5％时，钢坯热裂倾向加大。

钼元素：可显著增加钢种的淬透性，有利于保证车轮轮辋横断面组织和性能的一致性。钼元素对中温贝氏体转变的延缓作用明显小于对高温珠光体的延缓作用，其配合锰元素的加入使得钢的CCT曲线容易出现高温珠光体转变线和中温贝氏体转变线的分离，使得较宽冷速范围内可获得贝氏体组织，有利于强韧性匹配。同时，钼元素具有良好的回火抗力，有利于保证回火处理后车轮保持高强度和高韧性的配合。当其含量小于0.1％时，效果不明显。其含量超过0.6％时，对于CCT曲线的分离作用基本稳定，而其含量增加将增加合金成本。

钙元素：可使得钢水的流动性提高，并具有明显的球化夹杂物作用，当Ca/S比大于1.0时，球化作用显著；当Ca/S比大于1.5时，夹杂物球化基本完全，有利于车轮高强韧性的匹配。其含量为0.02％时，能保证足够的Ca/S比，而其含量进一步提高将增加钢水冶炼难度。

钒元素：具有良好的析出强化作用，有利于回火处理后车轮屈服强度的提高。能较好的固定钢中的氮元素，并能产生晶粒细化作用，有利于强韧性的匹配。当其含量大于0.2％时，相关有益作用基本稳定，进一步增加效果不明显。

磷元素：钢中的常见杂质元素，容易偏聚于晶界，降低钢的韧性。常规优质钢中其含量多大于0.01％。当其含量低于0.01％时，钢水纯净度出现质的提升，因磷元素偏聚于晶界导致的弱化效果明显改善。

硫元素：钢中的常见杂质元素，容易与其他元素形成夹杂物，降低强韧性匹配。当其含量低于低于0.01％时，钢水纯净度出现质的提升，十分有利于疲劳强度等综合性能的提高。

氧元素：钢中常见气体元素，容易与其他元素形成氧化物夹杂，在钢中形成新的界面，不利于强韧性匹配、疲劳性能提升等。常规冶炼钢水中氧含量一般在40ppm以上。当钢中氧含量≤20ppm时，钢水洁净度出现质的提升，进而提高抗疲劳、抗开裂等综合性能。

优选地，所述高纯净贝氏体钢包括如下质量百分比的组分：C：0.15～0.4％，Mn：1.5～2.5％，Si：1.0～1.5％，Cr：0.5～1.0％，Mo：0.2～0.5％，V：0.04～0.1％，P：≤0.005％，S：≤0.005％，O：≤10ppm，Ca：0.01～0.02，Al：0.2～1.0％，且Ca/S≥1.5，0.8％≤Si+Al≤1.5％，其余为铁及不可避免的杂质元素。

根据本发明的第二个目的，本发明提供一种由上述的高纯净贝氏体钢制成的高纯净贝氏体钢车轮。

优选地，所述车轮的轮辋踏面下35毫米内显微组织为贝氏体、马氏体和残余奥氏体的混合组织。

根据本发明的第三个目的，本发明提供一种如上所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，包括冶炼、轧制和热处理工艺。

优选地，所述热处理工艺包括在线热处理和离线热处理两种。

优选地，所述在线热处理工艺为：利用轧制高温余热，对轧制工序后的车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至550℃以下，随后进行堆垛缓冷至室温。

优选地，所述的离线热处理工艺为：将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至奥氏体化温度以上，保温2小时以上，对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至550℃以下，随后空冷或堆垛缓冷至室温。

优选地，所述强化冷却的方式为空冷、雾冷和风冷中的一种或几种。

优选地，还包括在热处理工艺之后进行回火热处理，所述回火热处理的作用是促进部分贝氏体板条合并，稳定贝氏体组织，降低韧脆转变温度。所述回火热处理的工艺为：在200-450℃进行中低温回火，回火时间1小时以上，回火后空冷至室温。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种高纯净贝氏体钢，其在具有高强度、高韧性、高耐磨性和高抗疲劳性能的同时，还具有良好的抗开裂性能。

本发明提供一种综合性能优异的高纯净贝氏体钢车轮，在保证较低生产成本前提下，通过成分和工艺的配合改进，在大幅度提高车轮强度的同时，显著提升了车轮的韧性水平，并保证了车轮轮辋断面组织和性能的均匀性，进一步增强了车轮抗滚动接触疲劳性能，从而提高了车轮的安全性和使用寿命，更具有经济效益和社会意义。

本发明提供的一种综合性能优异的高纯净贝氏体钢车轮的制备方法。通过冶炼和轧制后，对车轮采用在线热处理或离线热处理方式从高温快速冷却到一定温度后，进行堆垛缓冷处理，或者再进行中低温回火处理，以大幅提升车轮力学性能，使得轮辋踏面屈服强度R_P0.2≥1000MPa，抗拉强度R_m≥1200MPa，延伸率A≥15％，室温冲击功A_ku>100J，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例1制备的贝氏体车轮轮辋踏面下35mm位置的显微组织结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

表1示出了以下各实施例及对比例中贝氏体钢的各组分含量(质量百分数)，此外，余量为铁及不可避免的杂质元素。

表1各实施例及对比例中贝氏体钢的各组分含量(质量百分数)

	C	Mn	Cr	Si	Mo	Al	V	Ca	S	P	O(ppm)	Ca/S
													实施例1	0.1	3.0	1.50	1.00	0.20	1.0	0.2	0.02	0.010	0.010	20	2
实施例2	0.15	2.50	1.22	1.90	0.34	/	0.10	0.011	0.0050	0.009	12	2.2
													实施例3	0.36	2.02	0.50	0.50	0.10	1.50	0.06	0.008	0.0017	0.0082	8	4.7
实施例4	0.40	1.50	1.00	1.50	0.60	0.20	/	0.0009	0.0008	0.0015	15	1.1
													实施例5	0.5	1.20	1.31	1.23	0.50	0.1	0.04	0.0091	0.0062	0.005	9	1.5
对比例1	0.2	1.61	0.03	1.23	0.3	0.61	0.06	/	0.013	0.011	/	0
													对比例2	0.2	1.61	0.03	1.23	0.3	/	0.06	/	0.013	0.012	45	0

实施例1

按照如下所述的方法，制得高纯净贝氏体钢车轮。

1、按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺进行冶炼，然后轧制得到成型车轮。

2、利用轧制高温余热，采用水冷的方式对成型车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后进行堆垛缓冷至室温，得高纯净贝氏体钢车轮。

如图1所示，本实施例得到的高纯净贝氏体钢车轮显微组织以贝氏体组织为主。

实施例2

按照如下所述的方法，制得高纯净贝氏体钢车轮。

2、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至950℃保温2小时，采用水冷方式对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后堆垛缓冷至室温，得高纯净贝氏体钢车轮。

实施例3

按照如下所述的方法，制得高纯净贝氏体钢车轮。

2、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至960℃保温2小时，采用风冷的方式对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后空冷至室温。

3、在400℃进行中低温回火，回火时间10小时，回火后空冷至室温，得高纯净贝氏体钢车轮。

实施例4

按照如下所述的方法，制得高纯净贝氏体钢车轮。

2、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至980℃保温3小时，采用水冷的方式对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后空冷至室温。

3、在320℃进行中低温回火，回火时间3小时，回火后空冷至室温，得高纯净贝氏体钢车轮。

实施例5

按照如下所述的方法，制得高纯净贝氏体钢车轮。

2、利用轧制高温余热，采用水冷的方式对轧制工序后的车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后进行堆垛缓冷至室温。

3、在200℃进行中低温回火，回火时间1小时，回火后空冷至室温，得高纯净贝氏体钢车轮。

对比例1

1、按照表1中本对比例的配方，采用常规的炼钢工艺进行冶炼，然后轧制得到车轮。

2、将轧制得到的车轮冷却至室温，然后加热到960℃保温3小时，采用水冷方式对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至500℃，随后空冷至室温。

3、车轮在280℃进行中低温回火，回火时间3小时，回火后空冷至室温。

对比例2

重复实施例1，区别在于，化学成分中的氧含量提高至45ppm，去掉了有利于抗开裂性能提高的Al元素。

试验例1

力学性能测试试验

从车轮轮辋部位取标准拉伸试样，通过万能拉伸试验机，根据相关国家标准规定，分别测定了贝氏体车轮轮辋部位的力学性能，如表2所示。

表2各实施例和对比例制备的贝氏体钢车轮力学性能

通过以上测试结果可以看出，本发明得到的高纯净贝氏体钢车轮的力学性能得到明显提升，具体地，其轮辋踏面屈服强度R_P0.2≥1000MPa，抗拉强度R_m≥1200MPa，延伸率A≥15％，室温冲击功A_ku>100J，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配，综合性能得到明显提升。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种高纯净贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：

C：0.1～0.5％，Mn：1.2～3.0％，Si：0.5～1.9％，Cr：0.5～1.5％，Mo：0.1～0.6％，V：≤0.2％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，O：≤20ppm，Ca：≤0.02％，且Ca/S≥1.0，其余为铁及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的高纯净贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成还包括Al：0.1～1.5％，且0.8％≤Si+Al≤2.0％。

3.根据权利要求2所述的高纯净贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：

C：0.15～0.4％，Mn：1.5～2.5％，Si：1.0～1.5％，Cr：0.5～1.0％，Mo：0.2～0.5％，V：0.04～0.1％，P：≤0.005％，S：≤0.005％，O：≤10ppm，Ca：0.01～0.02，Al：0.2～1.0％，且Ca/S≥1.5，0.8％≤Si+Al≤1.5％，其余为铁及不可避免的杂质元素。

4.一种高纯净贝氏体钢车轮，其特征在于，由权利要求1所述的高纯净贝氏体钢制成。

5.根据权利要求4所述的高纯净贝氏体钢车轮，其特征在于，所述车轮的轮辋踏面下35毫米内显微组织为贝氏体、马氏体和残余奥氏体的混合组织。

6.一种如权利要求4所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，包括冶炼、轧制和热处理工艺；优选地，所述热处理工艺为在线热处理或离线热处理。

7.根据权利要求6所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，所述在线热处理工艺为：利用轧制高温余热，对轧制工序后的车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至550℃以下，随后进行堆垛缓冷至室温。

8.根据权利要求6所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，所述的离线热处理工艺为：将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至奥氏体化温度以上，保温2小时以上，对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至550℃以下，随后空冷或堆垛缓冷至室温。

9.根据权利要求7-8任一项所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，所述强化冷却的方式为空冷、雾冷和风冷中的一种或几种。

10.根据权利要求6所述的高纯净贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，还包括在所述热处理工艺的步骤后，将车轮进行回火热处理，所述回火热处理的工艺为：在200-450℃进行中低温回火，回火时间1小时以上，回火后空冷至室温。