CN110284069A

CN110284069A - 一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法

Info

Publication number: CN110284069A
Application number: CN201910695972.XA
Authority: CN
Inventors: 万志健; 丛韬; 赵海; 陈刚; 邹强; 宫彦华; 姚三成; 高伟
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2019-09-27

Abstract

本发明公开了一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法，所述中碳车轮钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.48～0.52％、Si 0.20～0.40％、Mn0.60～0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Mo 0.09‑0.12％、Cr 0.15～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，本发明车轮相比传统ER7车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

Description

一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法

技术领域

本发明属于轨道交通车轮的制造领域，涉及一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法，具体涉及一种运行速度在160km/h以下的中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法。

背景技术

地铁是世界诸多大城市不可或缺的交通工具之一，是一种独立的有轨交通系统，其正常运行不受地面道路拥挤的影响，能快捷、安全、舒适地运送旅客。地铁(或者轨道交通)是现代城市交通的主流和方向，其运量大，速度快，干扰小，能耗低，被誉为现代城市的大动脉，而且是解决大城市交通紧张状况的最有效的方式。地铁在许多城市交通中已担负起主要的乘客运输任务。

车轮是地铁列车的重要承载部件，其服役可靠性与列车的安全运行密切相关。车轮踏面制动是地铁列车的主要制动方式之一，车轮在运行过程中，承担轮轨接触载荷，工作条件十分恶劣。在这种不利环境下运行，地铁车轮踏面相应的出现了很多问题，比如车轮的异常磨耗，轮轨滚动接触疲劳引起的裂纹以及硌伤等，直接影响到车轮的运行品质及安全。其中，滚动接触疲劳是一个比较突出的问题。车轮滚动接触疲劳的形成原因与较多因素有关，硬度、制动方式、轮对空转打滑以及轮对的轮经查超过限度等。仅从车轮材质角度考虑，如何在保证韧性不降低的前提下提高硬度，这是缓解车轮接触疲劳的一个方法。

国外地铁车轮主要采用EN13262标准中ER7材质车轮，其为中碳(≤0.52％)优质碳素钢，硬度在235HB以上，断裂韧性在80MPa.m^1/2以上。我国早期引入国内地铁后，因国内钢轨硬度高于国外，导致出现接触疲劳引起的剥离。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的制备方法。本发明车轮相比传统ER7车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

本发明采取的技术方案为：

一种中碳车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.48～0.52％、Si0.20～0.40％、Mn 0.60～0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Mo 0.09-0.12％、Cr0.15～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，优选为包括以下重量百分比的化学成分：C 0.50～0.51％、Si0.28～0.35％、Mn 0.70～0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Mo 0.09-0.12％、Cr0.20～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提供的中碳车轮钢的成分控制如下：

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0.48～0.52％，优选为0.51～0.52％。

Si是钢的基本元素之一。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；钢中固溶状态下的Si，对钢的强度和硬度有增强作用，但如果含量过高，则对强度和韧性有不利影响。因此本发明将Si的范围确定为0.20～0.40％，优选为0.28～0.35％。

Mn元素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。在临界退火区会向奥氏体中扩散，使得Mn和C同时在奥氏体中富集和均匀化，故改变奥氏体在随后冷却过程中的稳定性和珠光体的形成。同时，Mn的加入使Ms点较低，残余奥氏体的量增加。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0.60～0.80％，优选为0.70～0.80％、S的含量控制在≤0.015％。

P元素是铁素体稳定化元素，可延缓回火反应并抑制渗碳体的形成。P元素可降低渗碳体的析出动力。但是P元素过量会导致偏析、吸附在晶体缺陷及晶界处，从而影响钢的塑韧性等。因此，本发明将P的含量控制在≤0.020％。

Mo作为中等强度碳化物形成元素，在钢中能提高淬透性和热强性，能够防止回火脆性。其作用是提高机体金属的原子间结合力、降低固溶体的扩散过程。对于地铁车轮用中碳钢，固溶强化主要是Mo原子置换Fe原子引起晶格畸变造成的置换固溶强化。同时，钢中存在的C、N等间隙原子与置换原子间的化学亲和力即交互强化作用，也能显著提高固溶强化效果。并且Mo对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用。因此，本发明不局限于EN13262中Mo的含量设定为≤0.08％，而将其控制在0.09-0.12％。

Cr作为强碳化物形成元素，降低相变驱动力△G_γ→α，也阻止了相变时碳化物的形核长大，提高了钢的淬透性，但淬透性提高会形成非珠光体组织，对韧性有不利影响。因此，本发明将Cr的含量控制在0.15～0.30％，优选为0.20～0.30％。

所述中碳车轮钢的金相组织为铁素体+珠光体；其Rm≥933MPa，踏面下35mm处硬度≥259HB，外侧面硬度≥270HB。

本发明还提供了所述中碳车轮钢的热处理方法，包括轮辋淬火和回火工艺。

进一步地，所述轮辋淬火工艺中，车轮随炉升温至850-890℃保温2.5-3.0小时后，轮辋踏面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至500℃以下。

所述回火工艺中，回火的条件为470-490℃回火处理4.0-5.0小时。

本发明还提供了一种中碳车轮的制备方法，采用上述成分的中碳车轮钢按照以下工序制备得到：电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序。

进一步地，所述热处理工序中，采用上述的热处理方法进行热处理。

本发明通过对钢成分的合理控制结合性对应的热处理工艺，得到的车轮相比传统ER7车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

附图说明

图1为实施例1中的车轮轮辋金相组织；

图2为实施例2中的车轮轮辋金相组织；

图3为实施例3中的车轮轮辋金相组织；

图4为对比例中的车轮轮辋金相组织。

具体实施方式

下面结合附图1-3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质量分数如表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850-870℃保温2.5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500℃以下，最后在480℃回火处理4.0小时。

如图1、4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与ER7钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示和表3所示，抗滚动接触疲劳性能如表4所示。由表2可以看出实施例1和对比例ER7钢车轮轮辋冲击性能与断裂韧性相当，且本实施例中铁素体含量与对比例相当。由表3可知，实施例1轮辋强度明显高于对比例。由表4可知，实施例1抗滚动接触疲劳性能明显优于对比例。

由此可见，实施例1具有与ER7钢车轮在韧性基本相当的前提下，轮辋强度明显提高，抗滚动接触疲劳性能明显提高，发明取得了预期效果。

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850-870℃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500℃以下，最后在480±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图2、4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与ER7钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示和表3所示，抗滚动接触疲劳性能如表4所示。由表2可以看出，实施例2和对比例ER7钢车轮轮辋冲击性能与断裂韧性相当，且本实施例中铁素体含量与对比例相当。由表3可知，实施例2轮辋强度明显高于对比例。由表4可知，实施例2抗滚动接触疲劳性能明显优于对比例。

由此可见，实施例2具有与ER7钢车轮在韧性基本相当的前提下，轮辋强度明显提高，抗滚动接触疲劳性能得到明显提高，发明取得了预期效果。

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870-890℃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-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃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ER7钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。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ER7钢车轮轮辋冲击性能与断裂韧性相当，且本实施例中铁素体含量略低于对比例。由表3可知，实施例3轮辋强度明显高于对比例。由表4可知，实施例2抗滚动接触疲劳性能明显优于对比例。

由此可见，实施例3具有与ER7钢车轮在韧性基本相当的前提下，轮辋强度明显提高，抗滚动接触疲劳性能明显提高，发明取得了预期效果。

表1实施例1、2、3及ER7钢车轮化学成分(质量百分比％)

	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr
								实施例1	0.50	0.30	0.72	0.01	0.003	0.09	0.21
实施例2	0.51	0.32	0.75	0.009	0.007	0.10	0.23
								实施例3	0.50	0.33	0.73	0.011	0.005	0.12	0.19
对比例	0.49	0.31	0.72	0.012	0.006	0.04	0.18
								ER7标准	≤0.52	≤0.40	≤0.80	≤0.020	≤0.015	≤0.08	≤0.30

表2实施例1、2、3及ER7钢制造的车轮韧性

表3实施例1、2、3及ER7钢制造的车轮轮辋强度

表4实施例1、2、3及ER7车轮抗接触疲劳性能

上述参照实施例对一种中碳车轮钢及其热处理方法及车轮的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

1.一种中碳车轮钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.48～0.52％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.60～0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Mo 0.09-0.12％、Cr 0.15～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的中碳车轮钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C0.50～0.51％、Si 0.28～0.35％、Mn 0.70～0.80％、P≤0.020％、S≤0.015％、Mo 0.09-0.12％、Cr 0.20～0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1或2所述的中碳车轮钢，其特征在于，所述中碳车轮钢的金相组织为铁素体+珠光体；其Rm≥933MPa，踏面下35mm处硬度≥259HB，外侧面硬度≥270HB。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于：包括轮辋淬火和回火工艺。

5.根据权利要求4所述的中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于：所述轮辋淬火工艺中，车轮随炉升温至850-890℃保温2.5-3.0小时后，轮辋踏面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至500℃以下。

6.根据权利要求4所述的中碳车轮钢的热处理方法，其特征在于：所述回火工艺中，回火的条件为470-490℃回火处理4.0-5.0小时。

7.一种中碳车轮的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的中碳车轮钢按照以下工序制备得到：电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序。

8.根据权利要求7所述的中碳车轮的制备方法，其特征在于：所述热处理工序中，采用如权利要求4-6任意一项所述的热处理方法进行热处理。