CN108754304A - 一种耐腐蚀贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种耐腐蚀贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法，涉及贝氏体钢技术领域。本发明提供的耐腐蚀贝氏体钢按质量百分比，其组成包含：C：0.1～0.5％，Mn：1.0～3.0％，Si：0.6～1.8％，Cr：0.7～2.5％，Mo：0.2～0.6％，V：≤0.2％，Ni：0.2～1.2％，Cu：0.15～0.8％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Ca：≤0.03％，且Ca/S≥1.5，其余为Fe及不可避免的杂质元素，具有高强度、高韧性优良的耐腐蚀性能。通过本发明提供的车轮制造方法制造出的车轮，通过成分和工艺的配合改进，在大幅度提高车轮强度和保障高强韧性的同时，显著提升了车轮的耐腐蚀水平。

Description

一种耐腐蚀贝氏体钢、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，涉及一种耐腐蚀贝氏体钢、包含其的车轮及制造方法。
背景技术
高速和重载是我国铁路的发展方向。随着火车载重增加和速度提高，现有珠光体型车轮剥离掉块等失效频率加快，铁路维护费用大幅上升，难以满足铁路发展需求。合适贝氏体组织具有比珠光体组织明显优越的强韧塑性等的配合，因此，新型贝氏体车轮已成为国际国内的研究热点。
此外，在我国南方潮湿地区、长距离隧道和沿海高盐分地区等湿度大的环境中，现有珠光体车轮常出现因腐蚀造成的失效，因此，针对上述环境腐蚀服役条件，需开发出综合力学性能优良，同时能耐腐蚀的贝氏体车轮产品，以适应铁路发展需求。
目前，国内外绝大多数贝氏体车轮产品的研发主要关注在其强韧性匹配、耐磨性或抗疲劳性能提高等，至今未见到耐腐蚀贝氏体车轮的相关研发工作。且现有贝氏体车轮的强度相对较低，强韧性配合有较大提升空间。因此，为解决目前贝氏体车轮开发过程中存在的缺陷与不足，需要提供一种高强高韧等性能优良的耐腐蚀贝氏体钢制车轮。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种耐腐蚀贝氏体钢，在显著提高强度韧性配合水平的前提下，解决现有技术中贝氏体钢耐腐蚀性能差的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种耐腐蚀贝氏体钢车轮。
本发明的第三个目的在于提供一种耐腐蚀贝氏体钢车轮的制造方法，通过成分和工艺的配合改进，在大幅度提高车轮强度和保障高强韧性匹配、增强车轮抗滚动接触疲劳性能的同时，显著提升了车轮的耐腐蚀水平。
根据本发明的第一个目的，本发明提供一种耐腐蚀贝氏体钢，按质量百分比，其组成包含：
C：0.1～0.5％，Mn：1.0～3.0％，Si：0.6～1.8％，Cr：0.7～2.5％，Mo：0.2～0.6％，V：≤0.2％，Ni：0.2～1.2％，Cu：0.15～0.8％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Ca：≤0.03％，且Ca/S≥1.5，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
优选地，按质量百分比，所述耐腐蚀贝氏体钢的组成还包括Al：0.2～1.2％，且0.8≤Si+Al≤2.0％。
本发明目以低S、P的高纯净度C-Mn-Si-Cr合金成分为基础，通过辅加适量Cu、Ni、Mo元素提高材料的抗腐蚀性能，并添加适量Ca元素，保证Ca/S比≥1.5，利用Ca元素对夹杂物球化作用，降低尖锐夹杂物周围应力的集中，进一步提高材料的耐腐蚀性能。此外，通过添加适当Al元素，降低高强度下对氢的敏感性，使车轮具有高强度、高韧性、高耐磨和高抗疲劳性能的同时，具有良好的抗开裂性能，有利于车轮使用寿命的提高。
在本发明中，各元素的性能如下：
碳元素：可有效提高钢种的强度和淬透性，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，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：有显著固溶强化作用，强烈提高钢种淬透性。同时可扩大奥氏体相区，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1.0％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1.0-3.0％。
硅元素：起固溶强化作用的同时可抑制碳化物析出，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0.6％时，上述效果不明显，当其含量高于2.0％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0.6～2.0％。
铝元素：与硅元素类似，可抑制碳化物析出，同时显著提高Ac3温度，有利于抗热损伤性能。适量Al元素可显著降低高强度钢的氢至开裂敏感性，提高抗开裂能力。当铝含量小于0.2％时，效果不明显。但铝含量超过1.2时，会降低钢液的流动性，可能造成连铸时水口结瘤而不利于生产。但当硅和铝元素总含量大于2.0％时将大幅度提高钢种的Ac3温度，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0.2～1.5％范围时，应保证0.8≤Si+Al≤2.0％。
铬元素：有显著的固溶强化作用，可显著提高钢种淬透性，有利于车轮横断面组织的均匀性。此外，铬元素具有较好的抗腐蚀能力。其含量小于0.7％时效果不明显。其含量大于2.5％时，钢坯热裂倾向加大。
钼元素：钼元素有明显提高钢种抗大气腐蚀的能力的同时，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。此外，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0.2％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0.03％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。
铜元素：是抗腐蚀钢种中常用的元素，具有明显的抗腐蚀能力。当其含量低于0.15％时，效果不明显，而当大于0.8％时，出现铜脆的风险显著增加。
镍元素：固溶强化作用明显，同时有利于钢种的冲击韧性，尤其是低温冲击韧性。能抑制钢中因Cu存在可能导致的铜脆现象，有利于腐蚀性能的提升。当其含量低于0.2％时，效果不明显，而当大于1.2％时，合金成本显著增加。
优选地，按质量百分比，所述耐腐蚀贝氏体钢组成包含：
C：0.15～0.45％，Mn：1.5～2.5％，Si：0.8～1.5％，Cr：0.9～2.0％，Mo：0.3～0.6％，V：0.05～0.15％，Ni：0.5～1.2％，Cu：0.25～0.8％，P：≤0.005％，S：≤0.005％，Ca：0.01～0.03％，Al：0.2～0.8％，且0.8≤Si+Al≤1.7％，Ca/S≥1.5，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
根据本发明的第二个目的，本发明提供一种耐腐蚀贝氏体钢车轮，所述耐腐蚀贝氏体钢车轮由上述的耐腐蚀贝氏体钢制成。
优选地，所述车轮轮辋踏面下35毫米内显微组织主要为贝氏体，并包含部分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耐腐蚀贝氏体钢车轮的制造方法，包括冶炼、轧制和热处理工艺。利用合适热处理工艺，配合本发明提供的配方组成，可以使车轮轮辋踏面下35毫米内显微组织主要为贝氏体、并包含部分马氏体和残余奥氏体的混合组织。
优选地，所述热处理工艺为：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530℃以下，随后空冷至室温。
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，所述制造方法在热处理工艺之后还包括回火热处理工艺，所述回火热处理工艺为：在220-450℃进行中低温回火，回火时间2小时以上，回火后空冷至室温。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。
本发明的有益效果如下：
与现有贝氏体车轮相比，通过本发明的制备方法结合本发明提供的含量组成生产的贝氏体钢车轮，在显著提高强度韧性配合水平的前提下，不仅保持了优良的耐磨、抗疲劳性能，还增加了其耐环境腐蚀的能力。通过力学功能测试，本发明得到的贝氏体车轮屈服强度RP0.2≥1000MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％，室温冲击功Aku>100J，其综合性能得到大幅提升。
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5mm位置典型的显微组织结构图。
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。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各实施例和对比例中贝氏体车轮钢的组分及含量(wt％)
C Mn Cr Si Mo Ni Cu Al V Ca S P Ca/S
实施例1 0.1 3.0 0.9 0.8 0.44 1.03 0.72 / 0.2 0.022 0.010 0.0062 2.2
实施例2 0.15 2.5 0.7 0.6 0.6 1.2 0.8 1.2 / 0.03 0.0081 0.0089 3.7
实施例3 0.34 2.03 1.56 1.48 0.30 0.81 0.58 0.22 0.1 0.0078 0.0009 0.015 8.7
实施例4 0.45 1.50 2.5 1.15 0.20 0.2 0.15 0.55 0.15 0.0041 0.0015 0.011 2.7
实施例5 0.5 1.0 2.0 1.8 0.51 0.50 0.25 0.2 0.05 0.018 0.0072 0.0042 2.5
对比例1 0.25 1.29 0.6 1.5 / 0.22 0.15 0.36 0.11 / 0.007 0.009 0
对比例2 0.35 2.23 0.6 1.2 / / / / 0.11 / 0.0061 0.0081 0
实施例1
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、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380℃进行中低温回火，回火时间4小时，回火后空冷至室温，得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
实施例2
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至970℃保温2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6小时，回火后空冷至室温，得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
实施例3
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至970℃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530℃，随后空冷至室温。
3、在220℃进行中低温回火，回火时间8小时，回火后空冷至室温，得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
实施例4
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、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280℃进行中低温回火，回火时间7小时，回火后空冷至室温，得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
实施例5
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至950℃保温2小时，采用风冷的方式对车轮轮辋踏面进行强化冷却，使其温度降至530℃，随后空冷至室温。
3、在450℃进行中低温回火，回火时间2小时，回火后空冷至室温，得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
对比例1
按照如下所述的方法，制得耐腐蚀贝氏体钢车轮。
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、将轧制成型车轮冷却至室温，然后加热至860-930℃保温2.0-2.5小时，采用水冷的方式对车轮轮辋踏面进行冷却，使其温度降至室温。
3、在280℃进行中低温回火，回火时间4.5-5.0小时，回火后空冷至室温，得车轮。
对比例2
重复实施例1，区别在于，碳含量提高至0.35％，Mn含量提高到2.23％，同时去掉有益于耐腐蚀性能的Ni、Cu元素和提高抗开裂能力的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，分别测定了贝氏体钢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车轮钢力学性能
由表2可知，本发明的一种综合性能优异的耐腐蚀贝氏体车轮的屈服强度抗拉强度Rm≥1200MPa，RP0.2≥1000MPa，延伸率A≥15％，冲击功AKU2(常温)>100J，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配。
试验例2
耐腐蚀性能测试
以现有800MPa强度级别的珠光体车轮钢CL60为对比，通过盐雾腐蚀实验来评价本发明各实施例和对比例所得车轮钢的耐腐蚀性能。盐雾腐蚀条件为：50±10g/L的NaCl水溶液，PH值为6.5-7.2，温度35℃，采用连续喷雾方法，实验持续1个月时间，结果如表3所示。
表3各实施例制备的耐腐蚀贝氏体钢轨的盐雾腐蚀实验性能
由表3的测试结果可以看出，与对比例和珠光体车轮钢CL60相比，本发明各实施例提供的贝氏体车轮钢的被腐蚀速率大大降低，耐腐蚀性能得到大幅提升。
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 (9)

1.一种耐腐蚀贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：
C：0.1～0.5％，Mn：1.0～3.0％，Si：0.6～1.8％，Cr：0.7～2.5％，Mo：0.2～0.6％，V：≤0.2％，Ni：0.2～1.2％，Cu：0.15～0.8％，P：≤0.015％，S：≤0.01％，Ca：≤0.03％，且Ca/S≥1.5，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成还包含Al：0.2～1.2％，且0.8≤Si+Al≤2.0％。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：
C：0.15～0.45％，Mn：1.5～2.5％，Si：0.8～1.5％，Cr：0.9～2.0％，Mo：0.3～0.6％，V：0.05～0.15％，Ni：0.5～1.2％，Cu：0.25～0.8％，P：≤0.005％，S：≤0.005％，Ca：0.01～0.03％，Al：0.2～0.8％，且0.8≤Si+Al≤1.7％，Ca/S≥1.5，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
4.一种耐腐蚀贝氏体钢车轮，其特征在于，由权利要求1所述的耐腐蚀贝氏体钢制成。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀贝氏体钢车轮，其特征在于，所述车轮的轮辋踏面下35毫米内显微组织主要为贝氏体，并包含马氏体和残余奥氏体的混合组织。
6.一种如权利要求4所述的耐腐蚀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。
7.根据权利要求6所述的耐腐蚀贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，所述热处理工艺为：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530℃以下，随后空冷至室温。
8.根据权利要求7所述的耐腐蚀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。
9.根据权利要求6所述的耐腐蚀贝氏体钢车轮的制造方法，其特征在于，在热处理工艺之后还包括回火热处理工艺，所述回火热处理工艺为：在220-450℃进行中低温回火，回火时间2小时以上，回火后空冷至室温。
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