CN109023066A - 一种高强度高韧型动车车轮钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，通过电炉冶炼，LF炉精炼，VD脱气减少夹杂物数量，氩气保护浇注，保护气氛电渣重熔控制夹杂物形状，高温扩散，六面锻造，退火进行制造。利用本发明技术方案可获得基体纯净，组织均匀的高强度高耐疲劳动车车轮钢。其抗拉强度满足850‑1000MPa情况下，屈服强度达到530‑600Mpa，断裂伸长率达到18％‑25％，室温20℃，KU平均冲击值为25‑33J之间，低温KV‑20℃，平均冲击值为13‑16J；按EN1002‑1方法测得高周疲劳10⁶未断率达到99.6％。

Description

一种高强度高韧型动车车轮钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高速铁路用钢领域，特别是一种高强度高韧型动车车轮钢及其制造方法。

背景技术

动车是指新建设计开行250公里/小时及以上动车组列车、客运速度350公里/小时的客运专线铁路，车轮在列车运行过程中，起着承载、传递动力以及制动等作用。车轮的磨损、疲劳及机械损伤，直接影响其使用寿命和行车安全。研究结果表明，运行速度超过120km/h后，列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。随着列车运行速度的提高，车轮与钢轨之间的磨损加剧，并且高速车轮制动过程中，产生大量的摩擦热，加剧了车轮的疲劳、剥离等引发的失效问题，对于300km/h以上的高速列车，需要车轮以高的强度来承载重量、高韧性来保证车轮运行的可靠性，以高的耐磨性来延长使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高韧型动车车轮钢及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强高韧型动车车轮钢及其制造方法，其重量百分比计化学成分含量：C0.46-0.56％，Si0.12-0.38％，Mn0.3-0.7％，Cr0.12-0.3％，Mo＜0.06％，V＜0.05％，Cu＜0.08％，Ni 0.18-0.25％，P＜0.0150％，S＜0.0010％，0＜0.0015％，N＜0.0080％，B0.002％-0.005％，且19.1≤5.4+17*C+2.4*Si+7.3*Mn+5.6*Cr+41*Mo+37*V+11*Ni≤29.7，余量为Fe和杂质。

其重量百分比计化学成分含量：C0.52％，Si0.18％，Mn0.6％，Cr0.18％，Mo0.05％，Ni 0.20％，P0.012％，S0.0008％，00.0006％，N0.0065％，余量为Fe和杂质。

其重量百分比计化学成分含量：C0.48％，Si0.28％，Mn0.7％，Cr0.15％，Mo0.05％，Ni 0.22％，P0.013％，S0.0007％，O0.0005％，N0.0070％，余量为Fe和杂质。

其重量百分比计化学成分含量：C0.54％，Si0.22％，Mn0.5％，Cr0.20％，Mo0.06％，Ni 0.23％，P0.013％，S0.0007％，O0.0009％，N0.0061％，余量为Fe和杂质。

钢中可加入0.002-0.005％稀土。

其硫含量均小于0.001％。

其钢种氧含量小于0.0010％。

其抗拉强度满足850-1000MPa情况下，屈服强度达到530-600Mpa，断裂伸长率达到18％-25％，室温20℃，KU平均冲击值为25-33J，低温KV-20℃，平均冲击值为13-16J。

包括以下过程和步骤：

1)电炉及LF炉精炼：按照上述重量百分比计化学成分含量：C0.46-0.56％，Si0.12-0.38％，Mn0.3-0.7％，Cr0.12-0.3％，Mo＜0.06％，V＜0.05％，Cu＜0.08％，Ni0.18-0.25％，P＜0.0150％，S＜0.0010％，O＜0.0030％，N＜0.0150％，稀土0.002％-0.005％，余量为Fe和杂质，其余为Fe进行配料、通过电炉，控制出钢P＜0.015％，然后通过LF精炼调整合金成分和脱硫，控制S＜0.003％；

2)VD脱气及加稀土：通过VD炉控制钢中氧含量小于0.0020％，氮小于0.0070％；控制钢中稀土含量在0.002-0.005％；

3)氩气保护浇注：在氩气保护下进行浇注。

4)气氛保护电渣：通过真空精炼能够将钢中氧含量控制在0.0020％以下，通过保护气氛电渣重熔，钢中氧含量降低到0.0010％以下控制了氧化夹杂数量，而且氧化物夹杂尺寸较小；并且硫含量也控制在0.001％以下。

5)高温扩散：将钢锭在1080-1250℃下进行高温扩散，保温时间为：9-16小时。

6)锻造：对钢锭进行锻造，1100-1230℃保温5小时，1030-1220℃开锻，终锻温度大于820℃。

7)退火：200-600℃装炉，升温速小于80℃/h，度680℃-720℃保温8-15小时，以小于40℃冷速缓冷至300℃，出炉空冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在氩气保护下进行母材浇注，防止钢中溶入大气中的氧和氮。

采用惰性气氛或真空保护电渣重熔工艺对母材进行重熔，首先利用电渣重熔过程中渣金界面反应吸附去除钢基体中的大尺寸夹杂物；其次，在钢液穿过渣层落入结晶器，重新凝固的过程中，采用电感抑制技术，减少钢液湍流扰动，在平稳的钢液中氧化物夹杂保持竖直向上的浮动，同时有效抑制了夹杂物的团聚或聚集效应。通过保护气氛重熔，钢中氧含量降低到0.0010％以下控制了氧化夹杂数量，而且氧化物夹杂尺寸较小。并且硫含量控制在0.001％以下，基本消除了硫元素对钢基体的危害。

附图说明

图1为本发明的实验化学成分示意表格；

图2为本发明的实验结果各项性能示意表格；

其中：化学成分单位为：％

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图，本发明提供一种技术方案：根据各合金元素的作用来确定钢种合金的含量：

碳：碳是提高材料淬透性，提高钢的强度、硬度以及耐磨性最重要的元素，同时车轮钢要在满足强度需求的基础上尽可能提高车轮钢的韧性，提高抗裂纹扩展能力及接触疲劳性能。碳含量过高会造成强度指标过高而韧性较低，因此碳含量控制为：0.46％-0.56％

硅：钢中加入硅除了起脱氧的作用外，硅还进入基体起固溶强化作用，改善钢的强度和耐磨性。同时还使车轮钢受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善钢的抗热损伤性能，但过高的硅会增加材料的热敏感性和脆性。因此将硅含量控制0.12-0.38％。

锰：具有较强的固溶强化效果，可以降低钢的相变温度，提高钢的淬透性，并与碳结合形成碳化物从而提高钢的耐磨性。锰含量控制在0.3-0.7％。

铬：中等碳化物形成元素，可提高钢的淬透性。同时铬能均匀化钢中碳化物的分布，减小珠光体片层间距从而改善车轮钢的耐磨损性和韧性，铬能进入铁素体中产生固溶强化的效果，提高铁素体的强度，减缓疲劳裂纹的萌生与传播。铬含量较高时易出现大量马氏体，因此，将Cr控制在0.12-0.30％。

钼：钼具有提高淬透性，含量高会降低钢的韧性，控制小于0.06％。

镍：钢中的镍能延缓铁素体转变，降低热处理时的淬火温度，因此在热处理时变形小。能提高钢的塑韧性，特别是低温韧性。该钢中控制为：Ni0.12-0.20％

稀土：稀土易与钢中的硫、氧结合生成高熔点稀土氧化物、稀土硫化物、稀土硫氧化物、稀土硅酸盐，这些物质会在钢液凝固过程中作为非白发结晶核心，促使钢中晶粒细化。同时，稀土元素可净化晶界、控制钢中夹杂物种类和数量。

硫、磷、氮、氧：有害元素，对钢的韧性不利，本产品磷含量控制在0.015％以下，硫0.0010％以下，氮0.0080％以下，氧0.0010％以下。

1)电炉及LF炉精炼：按照上述重量百分比计化学成分含量：C0.46-0.56％，Si0.12-0.38％，Mn0.3-0.7％，CrO.12-0.3％，Mo＜0.06％，V＜0.05％，Cu＜0.08％，Ni0.1-0.3％，其余为Fe进行配料、通过电炉，控制出钢P＜O.015％，然后通过LF精炼调整合金成分和脱硫，控制S＜0.003％；

2)VD脱气：通过VD炉控制钢中氧含量小于0.0020％，氮小于0.0080％；在VD炉中加入稀土复合线，控制钢种稀土含量在0.003-0.009％；

氩气保护浇注：在氩气保护下进行浇注，防止钢中溶入大气中的氧和氮。

气氛保护电渣：通过真空精炼能够将钢中氧含量控制在0.0020％以下，此时钢基体的纯净度达到了较高的水平，氧化物夹杂数量明显减少，但是真空精炼很难控制氧化物夹杂的分布形态，即钢中仍然存在破坏性极大的大尺寸氧化物夹杂；另一方面，由于钢液的湍流作用，钢中容易出现氧化物夹杂的链状或条带装聚集，对钢基体的连续性破坏更大。因此，采用惰性气氛(或真空)保护电渣重熔工艺对钢进行重新熔，首先利用电渣重熔过程中渣金界面反应吸附去除钢基体中的大尺寸夹杂物；其次，在钢液穿过渣层落入结晶器，重新凝固的过程中，采用电感抑制技术，减少钢液湍流扰动，在平稳的钢液中氧化物夹杂保持竖直向上的浮动，有效抑制了夹杂物的团聚或聚集效应。通过保护气氛重熔，钢中氧含量降低到0.0015％以下控制了氧化夹杂数量，而且氧化物夹杂尺寸较小。并且硫含量也控制在0.001％以下，基本消除了硫元素对钢基体的危害。

高温扩散：将钢锭在1080-1250℃下进行高温扩散，保温时间为：9-16小时，消除凝固过程中液析碳化物、减轻枝晶间偏析。

六面锻造：对钢锭进行6面锻造，1110-1230℃保温5小时，1030-1220℃开锻，终锻温度大于820℃。通过六面锻造改善组织均匀性。

退火：200-600℃装炉，升温速小于80℃/h，度680℃-720℃保温8-15小时，以小于40℃冷速缓冷至300℃，出炉空冷。

按以上方法，得到如附图成分和对应的各项性能。

按EN1002-1方法测得高周疲劳10⁶未断率达到99.6％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高强度高韧型动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其重量百分比计化学成分含量：C0.46-0.56％，Si0.12-0.38％，Mn0.3-0.7％，Cr0.12-0.3％，Mo＜0.06％，V＜0.05％，Cu＜0.08％，Ni 0.18-0.25％，P＜0.0150％，S＜0.0010％，0＜0.0010％，N＜0.0080％，

且19.1≤5.4+17*C+2.4*Si+7.3*Mn+5.6*Cr+41*Mo+37*V+11*Ni≤29.7，余量为Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性运动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其重量百分比计化学成分含量：C0.52％，Si0.18％，Mn0.6％，Cr0.18％，Mo0.05％，Ni0.20％，P0.012％，S0.0008％，O0.0006％，N0.0065％，余量为Fe和杂质。

3.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其重量百分比计化学成分含量：C0.48％，Si0.28％，Mn0.7％，Cr0.15％，Mo0.05％，Ni0.22％，P0.013％，S0.0007％，O0.0005％，N0.0070％，余量为Fe和杂质。

4.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其重量百分比计化学成分含量：C0.54％，Si0.22％，Mn0.5％，Cr0.20％，Mo0.06％，Ni0.23％，P0.013％，S0.0007％，O0.0009％，N0.0061％，余量为Fe和杂质。

5.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：作为优选，钢中可加入0.002-0.005％稀土。

6.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其氧硫含量均小于0.001％。

7.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其钢种氧含量小于0.0070％。

8.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：其抗拉强度满足850-1000MPa情况下，屈服强度达到530-600Mpa，断裂伸长率达到18％-25％，室温20℃，KU平均冲击值为25-33J，低温KV-20℃，平均冲击值为13-16J。

9.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性动车车轮钢及其制造方法，其特征在于：包括以下过程和步骤：

1)电炉及LF炉精炼：按照上述重量百分比计化学成分含量：C0.46-0.56％，Si0.12-0.38％，Mn0.3-0.7％，Cr0.12-0.3％，Mo＜0.06％，V＜0.05％，Cu＜0.08％，Ni 0.18-0.25％，P＜0.0150％，S＜0.0010％，O＜0.0010％，N＜0.0080％，稀土0.002％-0.005％，余量为Fe和杂质，其余为Fe进行配料、通过电炉，控制出钢P＜0.015％，然后通过LF精炼调整合金成分和脱硫，控制S＜0.003％；

2)VD脱气及加稀土：通过VD炉控制钢中氧含量小于0.0020％，氮小于0.0070％；控制钢中稀土含量在0.002-0.005％；

3)氩气保护浇注：在氩气保护下进行浇注。

4)气氛保护电渣：通过真空精炼能够将钢中氧含量控制在0.0020％以下，通过保护气氛电渣重熔，钢中氧含量降低到0.0010％以下控制了氧化夹杂数量，而且氧化物夹杂尺寸较小；并且硫含量也控制在0.0010％以下。

5)高温扩散：将钢锭在1080-1250℃下进行高温扩散，保温时间为：9-16小时。

6)锻造：对钢锭进行锻造，1100-1230℃保温5小时，1030-1220℃开锻，终锻温度大于820℃。

7)退火：200-600℃装炉，升温速小于80℃/h，度680℃-720℃保温8-15小时，以小于40℃冷速缓冷至300℃，出炉空冷。