CN111270154B - 一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢及利用其生产车轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢及利用其生产车轮的方法，成分：C0.55‑0.63％、Si0.25‑0.45％、Mn0.65‑0.90％、P≤0.030％、S≤0.025％、V≤0.10％、Cr≤0.30％、Ni≤0.30％、N0.0050‑0.0100％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明N生成MX型氮化物或者碳氮化物等析出物，提高了铁素体的过饱和度，促使V(CN)颗粒快速形核，并减少颗粒间距，提高析出情况效果。采用循环淬火和回火工艺，获得理想的细珠光体+铁素体(＜4％)组织，本发明不仅轮辋机械性能水平较高，而且增强了低温服役条件下车轮抗断裂能力。

Description

一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢及利用其生产车轮的 方法

技术领域

本发明属于合金制造领域，具体涉及适用于高寒地区货车的中碳车轮钢及利用其生产车轮的方法。

背景技术

目前，全世界的铁路网系统总长已达140多万公里，其中具有营业性质的铁路系统长度已超130万公里。铁路系统遍布全球多达109个国家。世上铁路运输使用得最多的是铁路货运。铁路运输几乎不受气候影响，一年四季可以不分昼夜地进行有规律的、定期的、准确的运转。铁路货运最适合用来长途运载大量的货物，一般能运送3000-5000t货物，远远高于汽车运输和航空运输。铁路货运的最大优点是运价便宜安全。货物流通是人类生存和发展的客观要求,铁路货运是经济大动脉、货物流通主渠道，在现代交通运输中占据举足轻重的位置。

一直以来，列车在冬季运营时，面临着一系列的严峻问题。我国幅员辽阔，煤炭、石油等战略资源的分布与主要消费区域极不平衡，且不同区域的经济联系和交往跨度较大。我国东北地区冬季列车运行环境温度最低可达零下40℃。俄罗斯部分地区温度可达零下60℃，极个别地区可达零下70℃，因此适用于高寒地区使用的货车车轮应具有良好的耐低温性能，至少在零下60℃的户外环境中保持良好的性能，保证为货车运行提供安全保障。低温气候环境对铁路车轮会造成一定的影响，迫使车轮在极端环境条件下服役，这就对轮轨材料的特性提出了更高的适应性需求。

目前，货车车轮标准主要是国内的TB/T 2817，包含CL60、CL65、CL70三种材质，但未对低温性能作出要求，国外主要采用美标AAR M-107/M-208和欧标EN13262标准，美标AARM-107/M-208中未对车轮低温性能作出要求，而欧标EN13262中明确要求ER7、ER8、ER9车轮零下20℃冲击性能，但未对零下60℃低温韧性及耐磨性能做出要求。而俄罗斯GOST 10791标准中对2号车轮钢零下60℃冲击性能明确要求，但同样未对低温条件下车轮耐磨性作出要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢，相比传统CL60车轮钢，不仅轮辋机械性能水平优良，而且显著提高车轮低温韧性及耐磨性能，从而有效增强了低温条件下车轮抗断裂能力，车轮设计安全冗余更大。

本发明另一目的在于提供一种利用上述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮的方法，利用循环热处理工艺以及添加N元素提高车轮低温性能，生产的高寒地区货车用车轮兼顾俄罗斯GOST 10791以及国内TB/T 2817标准，采用中碳(0.55-0.63％)的高强度、高硬度碳素钢材料，生产的车轮可用于运行速度120km/h以下的高寒地区货车。

本发明具体技术方案如下：

一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢，包括以下重量百分比的成分：C 0.55-0.63％、Si 0.25-0.45％、Mn 0.65-0.90％、P≤0.030％、S≤0.025％、V≤0.10％、Cr≤0.30％、Ni≤0.30％、N 0.0050-0.0100％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提供的利用上述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮的方法，包括电炉冶炼、LF+RH精炼真空脱气、连铸，切锭、加热轧制、热处理。利用Thermo-Calc热力学仿真计算系统，对相变点进行计算。

所述热处理包括循环淬火和回火工艺。即，在常规热处理工艺(淬火+回火)工序前，增加一次Ac₃相变点温度以上的淬火工序。

具体的，本发明所述循环淬火具体为：车轮在870±10℃保温后，轮辋喷水冷却至500℃以下，再将车轮空冷至室温；然后，将车轮升温至850±10℃保温后，轮辋喷水冷却至510℃以下。

优选的，所述循环淬火具体为：车轮在870±10℃保温2.5-3.0小时后，轮辋喷水冷却至500℃以下，再将车轮空冷至室温；然后，将车轮升温至850±10℃保温2.5-3.0h，轮辋喷水冷却至510℃以下，而后直接进行回火处理。

所述回火处理：在500±10℃回火处理4.0±0.5小时。

本发明设计原理如下：

到目前为止，国内外火车车轮用钢均为铁素体+珠光体组织的中、高碳碳素钢，这种组织在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，本发明的车轮用钢具有细片层状珠光体+铁素体组织，铁素体含量＜4％。

C元素的主要作用是形成铁素体和提供一定的固溶强度，碳元素还可以形成一些弥散分布的碳化物，使车轮钢的强度得到提高，但其含量过高将降低车轮的冲击韧性和塑性，因此本发明将C的范围确定为0.55-0.63％之间。

Si是钢的基本元素之一。Si是铁素体形成元素，能够溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，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，对钢的屈服强度、抗拉强度和硬度有增强作用，但如果含量过高，则对韧性有不利影响。因此本发明将Si的范围确定为0.25-0.45％。

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。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度。锰起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用；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0.65-0.90％、S的含量控制在≤0.025％。

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≤0.030％。

V作为强碳化物形成元素可与碳、氮元素结合形成碳化物、氮化物和碳氮化物。但过高的V元素含量会导致VC析出温度过高、析出量过多、粒子尺寸粗大，不利于细化奥氏体晶粒，对车轮钢的强度、韧性等不利。因此，本发明将V的含量设定≤0.10％。

N作为低合金钢中残留的气体元素。N元素主要与V、Al等微合金化元素结合，生成MX型氮化物或者碳氮化物等析出物。一定含量的N元素提高了铁素体的过饱和度，促使V(CN)颗粒快速形核，并减少颗粒间距，提高析出情况效果。在体积一定的钢中，若析出颗粒的直径由4nm减小至2nm，析出数量则可增加8倍，大量细小的析出颗粒减小了彼此的间距，从而产生更为有效的强化效果。但是过高的N元素含量会损害钢的塑性和韧性。因此，本发明将N的含量设定0.0050-0.0100％。

Cr也是碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性和耐蚀性，Cr形成碳化物可以使钢的强的和耐磨性提高；同时，Cr也能很好的提高钢的热强性，在于它能强化α固溶体，改变碳化物析出的形状和类型，增加了碳化物的稳定性；此外，Cr可以减少碳化物的不均匀性。但过高的Cr含量会导致车轮钢强硬度过高，严重损失韧性。因此，本发明将Cr的含量控制在≤0.30％。

Ni的加入一方面强烈的提高了钢的强度，另一方面又使钢的韧性保持极高的水平，因Ni可以使裂纹明显钝化而提高，从而有效的提高断裂韧度。Ni使钢的脆性转变温度大大降低，所以Ni能同时提高强度和韧性。因此，本发明将Ni的含量控制在≤0.30％。

热处理工艺中，车轮在870±10℃保温2.5-3.0小时后，轮辋喷水冷却至520℃以下，使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变；同时，微合金元素V的碳氮化物在保温及冷却过程中会发生固溶与析出。将车轮升温至850±10℃保温2.5-3.0h，再次加热时，由于已经固溶、析出的碳氮化物的存在，有利于奥氏体形核密度的增加，而且奥氏体的形核位置通常位于铁素体和渗碳体的两相界面以及珠光体团的边界上，这会使得奥氏体形核效率大大提高，再加上再次加热过程中微合金元素V的碳氮化物在奥氏体中的固溶与析出均匀性增加，从而获得均匀细小的奥氏体晶粒。再将轮辋喷水冷却至510℃以下使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变，获得理想的细片层状珠光体+铁素体(含量＜4％)组织。

与现有技术相比，本发明N元素N 0.0050-0.0100％，与V、Al等微合金化元素结合，生成MX型氮化物或者碳氮化物等析出物，提高了铁素体的过饱和度，促使V(CN)颗粒快速形核，并减少颗粒间距，提高析出强化效果。采用循环热处理工艺，获得理想的细珠光体+铁素体组织。本发明车轮相比传统CL60车轮钢，不仅轮辋机械性能水平较高，而且显著提高车轮低温韧性与耐磨性能，从而增强了低温服役条件下车轮抗断裂能力。车轮设计安全冗余更大，为将来低温性能要求更严苛的货车车轮研发做技术储备。

附图说明

图1为实施例1轮辋组织；

图2为实施例2轮辋组织；

图3为实施例3轮辋组织；

图4对比例CL60轮辋组织；

图5为实施例1、实施例2、实施例3和CL60车轮珠光体片层间距。

图6为实施例1、实施例2、实施例3和CL60车轮铁素体含量。

具体实施方式

下面结合图1-图5及实施例1-3对本发明做详细的说明。

实施例1-实施例3

一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢，车轮钢的化学成分质量分数如表1所示，表1中没有列出的余量为Fe和不可避免的杂质元素。

利用实施例1-3所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮的方法，均采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成φ380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为957mm的车轮。具体如下：

实施例1所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮：

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870℃保温2.7小时后，轮辋喷水冷却至500℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变；同时，微合金元素V的碳氮化物在保温及冷却过程中会发生固溶与析出)，然后，将车轮空冷至室温；再次将车轮随炉升温至850℃保温2.5h(再次加热时，由于已经固溶、析出的碳氮化物的存在，有利于奥氏体形核密度的增加，而且奥氏体的形核位置通常位于铁素体和渗碳体的两相界面以及珠光体团的边界上，这会使得奥氏体形核效率大大提高，再加上再次加热过程中微合金元素V的碳氮化物在奥氏体中的固溶与析出均匀性增加，从而获得均匀细小的奥氏体晶粒)，轮辋喷水冷却至510℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变，获得理想的细珠光体+铁素体组织)，最后在500℃回火处理4.0小时。

如图1、图4、图5、图6所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与CL60钢车轮相比更加细小均匀，组织均为细片层状珠光体+铁素体(含量＜10％)，但本实施例中车轮珠光体片层间距明显细于对比例。本实施例车轮机械性能如表2所示，由表2可以看出实施例1强度、硬度以及冲击性能均优于对比例CL60钢车轮。

在微机控制滚动接触疲劳试验台上加装了低温环境系统(由制冷机组、PID调控系统两部分构成)，进行了-60℃滚动磨损对比试验，试样为40mm的盘形试样，均取自对比例和本实施例车轮轮辋相同部位处，试验结果见表3所示。由表3可知，实施例1车轮低温耐磨损性能明显优于对比例。

由此可见，实施例1在强度、硬度以及冲击性能比CL60钢车轮优良的前提下，车轮低温耐磨性明显提高。

实施例2所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮：

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860℃保温2.6小时后，轮辋喷水冷却至500℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变；同时，微合金元素V的碳氮化物在保温及冷却过程中会发生固溶与析出)，然后将车轮空冷至室温，再次将车轮随炉升温至860℃保温3.0h(再次加热时，由于已经固溶、析出的碳氮化物的存在，有利于奥氏体形核密度的增加，而且奥氏体的形核位置通常位于铁素体和渗碳体的两相界面以及珠光体团的边界上，这会使得奥氏体形核效率大大提高，再加上再次加热过程中微合金元素V的碳氮化物在奥氏体中的固溶与析出均匀性增加，从而获得均匀细小的奥氏体晶粒)，轮辋喷水冷却至510℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变，获得理想的细珠光体+铁素体组织)，最后在510℃回火处理4.5小时。

如图2、图4、图5、图6所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织CL60钢车轮相比更加细小均匀，组织均为细片层状珠光体+铁素体(含量＜10％)，但本实施例中车轮珠光体片层间距明显细于对比例。本实施例车轮机械性能如表2所示，由表2可以看出实施例2强度、硬度以及冲击性能均优于对比例CL60钢车轮。

在微机控制滚动接触疲劳试验台上加装了低温环境系统(由制冷机组、PID调控系统两部分构成)，进行了-60℃滚动磨损对比试验，试样为40mm的盘形试样，均取自对比例和本实施例车轮轮辋相同部位处，试验结果见表3所示。由表3可知，实施例2车轮低温耐磨损性能明显优于对比例。

由此可见，实施例2在强度、硬度以及冲击性能比CL60钢车轮优良的前提下，车轮低温耐磨性明显提高。

实施例3所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮：

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860℃保温2.8小时后，轮辋喷水冷却至500℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变；同时，微合金元素V的碳氮化物在保温及冷却过程中会发生固溶与析出)，然后将车轮空冷至室温，再次将车轮随炉升温至850℃保温2.8h(再次加热时，由于已经固溶、析出的碳氮化物的存在，有利于奥氏体形核密度的增加，而且奥氏体的形核位置通常位于铁素体和渗碳体的两相界面以及珠光体团的边界上，这会使得奥氏体形核效率大大提高，再加上再次加热过程中微合金元素V的碳氮化物在奥氏体中的固溶与析出均匀性增加，从而获得均匀细小的奥氏体晶粒)，轮辋喷水冷却至510℃以下(使轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却，发生珠光体转变，获得理想的细珠光体+铁素体组织)，最后在500℃回火处理4.5小时。

如图3、图4、图5、图6所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与CL60钢车轮相比更加细小均匀，组织均为细珠光体+少量铁素体(含量＜10％)，但本实施例中车轮珠光体片层间距明显细于对比例。本实施例车轮机械性能如表2所示，由表2可以看出实施例3强度、硬度以及冲击性能均优于对比例CL60钢车轮。

在微机控制滚动接触疲劳试验台上加装了低温环境系统(由制冷机组、PID调控系统两部分构成)，进行了-60℃滚动磨损对比试验，试样为40mm的盘形试样，均取自对比例和本实施例车轮轮辋相同部位处，试验结果见表3所示。由表3可知，实施例3车轮低温耐磨损性能明显优于对比例。

由此可见，实施例3具有与在强度、硬度以及冲击性能比CL60钢车轮优良的前提下，车轮低温耐磨性明显提高。

对比例CL60钢车轮，车轮钢的化学成分质量分数如表1所示，表1中没有列出的余量为Fe和不可避免的杂质元素。

对比例CL60钢车轮的生产方法：

将化学成分如表1对比例CL60钢车轮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：在860℃保温2.8小时后，仅进行轮辋喷水冷却(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，同时，V的碳氮化物在保温及冷却过程中会发生固溶与析出，但由于缺少再次淬火加热过程，导致固溶、析出的碳氮化物大小及分布被固定下来)，然后在500℃回火处理4.3小时(大小及分布已固化的V的碳氮化物在回火过程中不会发生变化，但由于缺少再次淬火加热过程，导致固溶与析出均匀性变差，从而不能获得相对均匀细小的珠光体组织)。

表1实施例1、2、3及CL60钢车轮化学成分(质量百分比％)

	C	Si	Mn	P	S	V	Cr	Ni	N
										实施例1	0.60	0.32	0.75	0.010	0.005	0.03	0.13	0.01	0.0065
实施例2	0.58	0.27	0.81	0.009	0.006	0.04	0.19	0.01	0.0070
										实施例3	0.61	0.29	0.74	0.008	0.003	0.08	0.11	0.02	0.0086
对比例CL60	0.59	0.28	0.75	0.010	0.002	0.03	0.19	0.02	0.0018

表2实施例1、2、3及CL60钢车轮常规机械性能

表3实施例1、2、3及CL60车轮磨损性能

本发明车轮相比传统CL60车轮钢，不仅轮辋机械性能水平优良，而且能够显著提高车轮低温韧性及耐磨性能，从而有效增强了低温条件下车轮抗断裂能力。

Claims (9)

1.一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢，其特征在于，所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢包括以下重量百分比的成分：C 0.55-0.63%、Si 0.25-0.45%、Mn 0.65-0.90%、P≤0.030%、S ≤0.025%、V ≤0.10%、Cr ≤0.30%、Ni ≤0.30%、N 0.0050-0.0100%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢具有细片层状珠光体+铁素体组织，铁素体含量＜4%。

2.一种利用权利要求1所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢生产车轮的方法，包括热处理，其特征在于，所述生产方法包括循环淬火和回火工艺。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述循环淬火，具体为：车轮在870±10℃保温后，轮辋喷水冷却至500℃以下，再将车轮空冷至室温；然后，将车轮升温至850±10℃保温后，轮辋喷水冷却至510℃以下。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，在870±10℃保温2.5-3.0小时。

5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，车轮升温至850±10℃保温2.5-3.0h。

6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，轮辋喷水冷却至500℃以下，轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却。

7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，轮辋喷水冷却至510℃以下，轮辋表层金属以2℃/s-5℃/s缓慢冷却。

8.根据权利要求2或3所述的生产方法，其特征在于，所述回火处理：在500±10℃回火处理。

9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，在500±10℃回火处理4.0±0.5小时。

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