CN110616374B - 一种高碳车轮钢及其热处理方法以及利用其制备车轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高碳车轮钢及其热处理方法以及利用其制备车轮的方法，所述高碳车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.60‑0.70％、Si≤0.60％、Mn 0.70‑0.90％、N 50‑150ppm、Als≤0.035％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，采用正火+淬火+回火工艺进行热处理，与现有技术相比，本发明在没有添加贵重的合金元素的情况下，通过控制车轮钢的化学成分及含量，结合相应的热处理和制备工艺，制备得到的车轮钢，在其强度、硬度水平与AAR‑B、CL60车轮相当的情况下，塑韧性明显提高，尤其是低温韧性有了明显的提高，而且冲击韧性值散差较小，对车轮冲击韧性的稳定性有了明显的提高。

Description

一种高碳车轮钢及其热处理方法以及利用其制备车轮的方法

技术领域

本发明属于铁道车辆用车轮钢技术领域，具体涉及一种高碳车轮钢及其热处理方法以及利用其制备车轮的方法。

背景技术

随着人们对车轮性能的认知，以及对车轮性能要求的逐渐提高，在GB8601-88《铁路用辗钢整体车轮》和TB/T 2708-1996《铁路快速客车辗钢整体车轮技术条件》这两个标准中提出了轮辋塑性、辐板常温冲击韧性要求。在铁总运[2016]85号文件《铁路货车用CL65、CL70辗钢整体车轮暂行技术条件》中，增加了轮辋冲击韧性的要求，在TB/T 3469-2016《机车用辗钢整体车轮》和TJ/CL275-2014《动车组车轮暂行技术条件》标准中，不仅对轮辋常温冲击韧性提出要求，又增加了低温冲击韧性要求。

在国内铁道车辆用车轮的标准演变过程中，从早期仅对铁路用整体车轮提出辐板常温冲击韧性要求，到今年来颁布的机车车轮和标准动车组车轮，逐渐增加轮辋常温、低温冲击韧性和断裂韧性的要求，而且在欧洲EN13262-2004《铁路应用-轮对和转向架-车轮-产品要求》中均提出了轮辋常温、低温冲击韧性要求，由此可知，韧性已经成为车轮应用中不可或缺的性能指标。

日本车轮进入中国市场以来，实物车轮以高强高硬度高韧性著称，具有良好的服役效果，但具体的车轮钢炼钢工艺和车轮热处理工艺，在文献中无法查找。

从车轮材料的发展趋势可知，提高车轮材料的韧性正是各个国家追求的目的。众所周知，冲击韧性是动载荷作用下材料抵抗变形和断裂的能力，冲击韧性试样的形状、尺寸有很大关系，同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高，这些对冲击韧性影响都非常大，导致冲击韧性值分散性较大。此外与材料属性和组织也有很大关系，冲击韧性值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使冲击韧性值明显降低。因此，在规范车轮轮辋冲击韧性检测方法和严格的试样加工外，改善车轮微观组织亦是提高车轮轮辋冲击韧性稳定性的重要手段。

随着中国铁路交通的迅速发展，车轮作为火车的重要支撑、行走部件，对其使用性能要求越来越高，特别是使用安全性能，因此，在要求车轮具备一定强度和硬度的同时，必须具有较好而稳定的韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高碳车轮钢，其成分组成为C、Si、Mn、N、Als、Fe，此种组成的高碳车轮钢得到的车轮，其轮辋冲击韧性较高。

本发明的另一目的在于提供一种高碳车轮钢的热处理方法，采用了正火+淬火+回火的工艺，该热处理工艺能够有效地提高组织均匀性，从而提高冲击韧性的稳定性。

与现有技术相比，本发明在没有添加贵重的合金元素的情况下，通过控制车轮钢的化学成分及含量，结合相应的热处理和制备工艺，制备得到的车轮强硬度水平、组织状态与AAR-B、CL60车轮相当的情况下，塑韧性明显提高，尤其是低温韧性有了明显的提高，而且冲击韧性值散差较小，对车轮冲击韧性的稳定性有了明显的提高。

本发明采取的技术方案为：

一种高碳车轮钢，包括以下质量百分比的化学成分：C 0.60-0.70％、Si ≤0.60％、Mn 0.70-0.90％、N 50-150ppm、Als≤0.035％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的化学成分：C 0.62-0.67％、Si 0.32-0.54％、Mn 0.76-0.83％、N 37-121ppm、Als 0.030-0.034％、P≤0.008％、S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

上述各化学成分作用如下：

C元素：C是车轮钢中最基本和最重要的成分，作为间隙固溶元素，对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮的强度硬度指标，但其含量过高将显著降低车轮的韧性和抗冷热疲劳性能，因此本发明将C的范围确定为0.60-0.70％，优选为0.62-0.67％。

从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强度硬度性能和高的塑性性能，应实施复合微合金化，考虑到车轮钢为碳素钢、组织为珠光体+少量铁素体的特殊要求。因此，本发明对Si、Mn含量仍采用常规设计，采取N微合金化，对车轮钢中N含量进行了设计，结合Al含量的适当调整，二者起到复合合金化作用。

Si元素：Si是车轮钢中重要强化元素，作为置换原子发挥固溶强化作用。Si在提高钢强度的同时，还提高其淬透性和耐磨性。Si元素提高相变点Ac1、Ac3温度，有利于提高抗热损伤性能。为了维持塑韧性水平，因此，Si含量控制在不超过0.60％，优选为0.32-0.54％。

Mn元素：Mn是车轮钢中重要强化元素，一般大部分作为置换原子发挥固溶强化作用，少量形成碳化物。Mn在提高钢强度的同时，还具有细化晶粒减小珠光体片层间距，有利于提高韧性，另增加Mn含量还具有提高车轮钢淬透性的作用，故Mn含量控制在0.70-0.90％，优选为0.76-0.83％。

Als元素：Al作为钢中重要的脱氧剂，在钢中以酸溶铝和酸不溶铝形式存在，其中酸溶铝(Als)能溶入基体，起到固溶强化的效果。另外Al与N结合，形成AlN质点，细小弥散分布的AlN可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，但Als的增加会导致AlN长大，不仅不能有效发挥改善塑韧性的作用，反而会导致塑韧性降低，Als的含量不超过0.035％，优选为0.030-0.034％。

N元素：N在钢中与Al结合形成AlN质点，加热时能阻碍奥氏体晶粒的长大在保证一定的强度水平下，充分利用廉价的N元素，细化钢的晶粒组织，从而改善车轮的韧性，但过高的N含量因此，本成分设计采取控N处理，由于过高的N含量容易导致铸坯氮气存在，出现气孔缺陷，因此本发明将N的范围确定为50-150ppm，优选为37-121ppm。

P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。

本发明提供的所述高碳车轮钢的热处理方法包括以下步骤：正火+淬火+回火工艺，采用淬火前正火预处理使奥氏体均匀化，降低常规热处理工艺中淬火加热温度和回火温度。具体热处理工艺如下：

1)为了提高奥氏体晶粒度的均匀性，首先将轧态车轮正火预处理，所述正火工艺为：将车轮钢加热到750-780℃保温2-3小时时间，然后空冷。

2)为防止奥氏体晶粒长大，又要保证足够的过冷度，起到降低珠光体片间距的目的，将正火处理后的车轮钢进行淬火处理，所述淬火工艺为：将正火后的车轮钢在850-880℃范围加热，并保温3-3.5小时，车轮出炉后空冷1分钟再轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下。

3)回火工艺为：在450±10℃回火处理4.0-5.0小时。

本发明的高碳车轮生产包括以下步骤：电炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、圆坯连铸、切锭热轧、热处理、加工、成品检测工序。

按照本发明的方法制备得到的车轮的轮辋金相组织为细珠光体+少量铁素体，其中铁素体的含量为5％-10％。

附图说明

图1为实施例1中的车轮轮辋的金相组织图；

图2为实施例2中的车轮轮辋的金相组织图；

图3为对比例AAR-B车轮轮辋的金相组织图；

图4为对比例CL60车轮轮辋的金相组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1、2中的车轮钢的化学成分质量分数如表1所示，对比例为AAR-B和CL60车轮，实施例1、2和对比例均采用电炉冶炼经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：首先将车轮在750-780℃保温2-3小时正火预处理，然后在850-880℃保温3-3.5小时，车轮出炉后空冷1分钟再轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在450±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图1和图3、4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与AAR-B和CL60钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，通过计算，本实施例铁素体含量为8％，对比例AAR-B和CL60钢车轮分别为3％和3.5％，本实施例中铁素体含量明显高于对比例，而且铁素体分布更均匀。本实施例车轮强硬度和冲击韧性分别如表2和表3所示，由表2可以看出实施例1和对比例AAR-B和CL60钢车轮轮辋强度、硬度相当，由表3可知，本实施例车轮的冲击韧性能明显高于AAR-B和CL60钢车轮，而且极差和标准差明显小于AAR-B和CL60钢车轮。

由此可见，实施例1具有与AAR-B和CL60钢车轮在强度、硬度相当的前提下，轮辋冲击韧性的稳定性明显提高。

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：首先将车轮在750-780℃保温2-3小时正火预处理，然后在850-880℃保温3-3.5小时，车轮出炉后空冷1分钟再轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在450±10℃回火处理4.0-5.0小时。

如图2和图3、4所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与AAR-B和CL60钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，通过计算，本实施例铁素体含量为8.5％，对比例为AAR-B和CL60钢车轮3％和3.5％，本实施例中铁素体含量明显高于对比例，而且铁素体分布更均匀。本实施例车轮强硬度和冲击韧性分别如表2和表3所示，由表2可以看出实施例2和对比例AAR-B和CL60钢车轮轮辋强度、硬度相当，由表3可知，本实施例车轮的冲击韧性能明显高于AAR-B和CL60钢车轮，而且极差和标准差明显小于AAR-B和CL60钢车轮。

由此可见，实施例2具有与AAR-B和CL60钢车轮在强度、硬度相当的前提下，轮辋冲击韧性的稳定性明显提高。

表1实施例1、2和AAR-B、CL60钢所采用的火车车轮的化学成分(质量百分比％)

表2实施例1、2和AAR-B、CL60钢制造的车轮轮辋常规机械性能

表3实施例1、2和AAR-B、CL60钢制造的车轮轮辋冲击性能

上述参照实施例对一种高碳车轮钢及其热处理方法以及利用其制备车轮的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 (5)

1.一种高碳车轮钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.60-0.70%、Si≤0.60%、Mn 0.70-0.90%、N 50-150ppm、Als ≤0.035%、P ≤0.015%、S ≤0.015%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述的高碳车轮钢的热处理方法包括以下步骤：正火+淬火+回火工艺；

所述正火工艺为：将车轮钢加热到750-780℃保温2-3小时，然后空冷；

所述淬火工艺为：将正火后的车轮钢在850-880℃范围加热，并保温3-3.5小时，车轮出炉后空冷1分钟再轮辋喷水冷却；

所述回火工艺为：在450±10℃回火处理4.0-5.0小时。

2.根据权利要求1所述的高碳车轮钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C0.62-0.67%、Si 0.32-0.54%、Mn0.76-0.83%、N 37-121ppm、Als 0.030-0.034%、P ≤0.008%、S ≤0.010%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的高碳车轮钢，其特征在于，所述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550℃以下。

4.一种采用权利要求1或2所述的高碳车轮钢制备车轮的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：电炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、圆坯连铸、切锭热轧、热处理、加工、成品检测工序。

5.根据权利要求4所述的高碳车轮钢制备车轮的方法，其特征在于，所述车轮的轮辋金相组织为细珠光体＋铁素体，其中铁素体的含量为5%-10%。

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