CN111560562A - 一种含Cr、Mo的中碳钢车轮及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含Cr、Mo的中碳钢车轮及其热处理方法，成分：C 0.52‑0.60％、Si 0.20‑0.40％、Mn 0.60‑0.90％、Cr 0.15‑0.30％、V 0.02‑0.05％、Mo 0.03‑0.05％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。热处理时采用踏面弱冷+强冷组合式淬火，弱冷目的是降低踏面的冷却速率，让车轮轮缘喉部到车轮外侧面区域完成奥氏体向珠光体的转变，强冷的目的是车轮轮辋其余部位完成奥氏体向珠光体转变。本发明使车轮具有高强度和高韧性等综合力学性能，具有良好的服役性能。

Description

一种含Cr、Mo的中碳钢车轮及其热处理方法
技术领域
本发明属于铁路车轮用钢及其热处理方法，具体涉及一种含Cr、Mo的中碳钢车轮及其热处理方法。
背景技术
在目前铁路资源条件下，铁路客运向提速、货运向重载方向发展，并且还延伸到了城市地铁及轻轨公共交通系统。这也是世界铁道运输的必然趋势。
但轮轨系统的固有弱点也日益突显，主要表现在是车轮组织性能不能很好地满足中型重载及提速运输条件要求。因此，为保证重载、提速运输的安全性、可靠性，必须要在车轮材质、冶金质量控制、车轮压轧工艺、热处理工艺等方面进行深入研究。在严格控制车轮生产质量的同时，更重要的是应积极开发具有更高综合性能的重载提速货轮钢品种，以满足铁路重载提速运输的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含Cr、Mo的中碳钢车轮，在化学成分上，采用C、Si、Mn、Cr为主，微Mo成分设计思路，重点在于这些元素的合理匹配，充分发挥其在车轮钢中的作用，车轮轮辋韧性指标和强硬度指标优异。
本发明另一目的在于提供一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，配合本申请的成分设计的热处理方法，使车轮具有高强度和高韧性等综合力学性能，具有良好的服役性能。
本发明提供的一种含Cr、Mo的中碳钢车轮，含有以下质量百分比成分：C 0.52-0.60％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.60-0.90％、Cr 0.15-0.30％、V 0.02-0.05％、Mo 0.03-0.05％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述的含Cr、Mo的中碳钢车轮的生产方法为整体辗钢轧制的生产制造：
采用转炉或电炉冶炼，炉外精炼后的连铸圆坯，圆坯经锯切后加热至1240-1290℃，锻压后空冷，热处理时采用踏面弱冷+强冷组合式淬火。
本发明提供的一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮进入淬火加热炉加热；
2)先进行弱冷，再进行强冷；
3)回火。
进一步的，步骤1)中，车轮进淬火加热炉前空冷至低于350℃温度。
步骤1)中车轮进入淬火加热炉加热，加热温度控制760-900℃，在炉时间为2.5-3.5h。
优选的，步骤1)中车轮进入淬火加热炉加热，预热段温度为760-820℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-900℃，车轮在淬火炉内时间在2.5-3.5小时。
步骤2)中所述弱冷是指：弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在1.4-3.0m3/min，喷水时间为80-100s，轮辋冷却速率在3-4℃/s；弱喷目的是降低踏面的冷却速率，让车轮轮缘喉部到车轮外侧面区域完成奥氏体向珠光体的转变。
步骤2)中所述强冷是指：弱喷结束后，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在28-30m3/min，喷水时间为280-300s，轮辋冷却速率15-20℃/s。强喷的目的是车轮轮辋其余部位完成奥氏体向珠光体转变。
步骤3)所述回火具体：在480-500℃回火处理4.0-5.0小时；回火处理后冷却至室温。
本发明设计原理如下：
本发明化学成分的确定：从耐磨性方面考虑，C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，改善车轮的耐磨性能，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0.52-0.60％之间。
Mn元素：能够有效提高车轮强度硬度性能，碳素钢车轮中的Mn元素含量一般为0.60-0.90％，本发明仍按碳素钢范围控制，因此，将Mn含量控制在0.60-0.90％之间。
Si元素：增加Si元素含量不仅能增加材料的相变点，还能提高强度、硬度，但过高的Si会增加材料脆性。本发明Si含量控制在0.20-0.40％之间。
Cr、Mo元素：Cr、Mo是固溶强化元素，能够有效提高材料强硬度性能，从而提高材料的耐磨性能，但是从Cr元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体-珠光体组织易于获得，Cr含量应该控制在0.15-0.30％、Mo含量应该控制在0.03-0.05％。
V元素：V是固溶强化元素，同时可以与N结合形成VN达到细化晶粒的作用，在合理的热处理条件下可同时提高车轮的强硬度和韧性综合性能，同时V还能提高车轮钢的淬透性能，提高强硬度，但过高的V含量易诱发非铁素体-珠光体组织的形成，这是不允许的，因此，V含量应该控制在0.02-0.05％。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
上述车轮的热处理方法：首先在车轮在热处理炉内以760-900℃，加热时间为2.5-3.5h，确保车轮内部组织均匀奥氏体化。根据车轮钢相变特性，先采用较弱的水冷，使轮辋踏面近表层金属以3℃/s-4℃/s的冷却速度，同时保证轮辋内部温度在Ac3点(约为560℃以上)，使车轮踏面近表层一定深度内先发生F-P转变，此时轮辋内部仍为奥氏体。弱喷结束后，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋冷却速率15-20℃/s,轮辋内部金属快速地通过Ar3～Ar1温度区间，抑制了先共析铁素体的析出，防止内部组织向贝氏体转变，最后在480-520℃回火处理4.5-5.0小时。
与现有技术相比，本发明设计中碳钢车轮的成分，配合本申请的成分设计的热处理方法，使车轮具有高强度和高韧性等综合力学性能，具有良好的服役性能。
附图说明
图1为实施例1车轮踏面金相组织；
图2为实施例2车轮踏面金相组织；
图3为实施例3车轮踏面金相组织；
图4为对比例1车轮踏面金相组织；
图5为对比例2车轮踏面金相组织；
图6为对比例3车轮踏面金相组织；
图7为对比例4车轮踏面金相组织；
图8为对比例5车轮踏面金相组织；
图9为实施例1车轮珠光体片间距照片；
图10为实施例2车轮珠光体片间距照片；
图11为实施例3车轮珠光体片间距照片；
图12为对比例1车轮珠光体片间距照片；
图13为对比例2车轮珠光体片间距照片；
图14为对比例3车轮珠光体片间距照片；
图15为对比例4车轮珠光体片间距照片；
图16为对比例5车轮珠光体片间距照片；
图17为实施例1车轮踏面磨损情况；
图18为对比例1车轮踏面磨损情况；
图19为对比例2车轮踏面磨损情况。
具体实施方式
一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，所述车轮含有以下质量百分比成分如下表1材质1所示，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
表1实施例和对比例车轮的合金成分(重量百分比％)
Figure BDA0002506947730000031
Figure BDA0002506947730000041
实施例1
一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法：
采用表1中材质1的成分生产的含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为760-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在3.0m3/min，喷水时间为80s，轮辋冷却速率在4℃/s，停止弱喷，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在28m3/min，喷水时间为300s，轮辋冷却速率18℃/s。
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火炉温度控制在480-500℃，保温时间为5.0h，然后出炉冷至室温。
实施例2
一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法：
采用表1中材质2的成分生产的含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为760-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在2m3/min，喷水时间为100s，轮辋冷却速率在3℃/s，停止弱喷，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在30m3/min，喷水时间为280s，轮辋冷却速率20℃/s。
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火炉温度控制在480-500℃，保温时间为5.0h，然后出炉冷至室温。
实施例3
一种含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法：
采用表1中材质3的成分生产的含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为760-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在3.0m3/min，喷水时间为80s，轮辋冷却速率在4℃/s，停止弱喷，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在30m3/min，喷水时间为300s，轮辋冷却速率20℃/s。
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火炉温度控制在480-500℃，保温时间为5.0h，然后出炉冷至室温。
对比例1
对比例1采用表1中材质1的成分生产的含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为730-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内保温时间在3.5小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋以18℃/s冷却速率冷却300秒；
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火480-500℃，回火时间5.0h，后空冷至室温。
对比例2
对比例2采用表1中材质4的成分生产的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为730-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3.5小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋以18℃/s冷却速率冷却300秒；
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火480-500℃，回火时间5.0h，后空冷至室温。
对比例3
对比例3采用表1中材质5的成分生产的碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为730-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3.5小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋以18℃/s冷却速率冷却300秒；
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火480-500℃，回火时间5.0h，后空冷至室温。
对比例4
采用表1中材质4的成分生产的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为760-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在3.0m3/min，喷水时间为80s，轮辋冷却速率在4℃/s，停止弱喷，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在28m3/min，喷水时间为300s，轮辋冷却速率18℃/s。
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火炉温度控制在480-500℃，保温时间为5.0h，然后出炉冷至室温。
对比例5
采用表1中材质5的成分生产的中碳钢车轮的热处理方法，具体为：
1)车轮钢坯经轧制成型后，空冷至经低于350℃温度进入环形淬火加热炉中，温度控制预热段温度为760-790℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-880℃。淬火加热炉采用均匀转动，保证车轮在淬火炉内时间在3小时；
2)然后出炉，通过机械手转运至淬火台进行淬火，车轮在淬火台驱动头带动下自转，弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在3.0m3/min，喷水时间为80s，轮辋冷却速率在4℃/s，停止弱喷，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在28m3/min，喷水时间为300s，轮辋冷却速率18℃/s。
3)淬火后的车轮通过输送辊道进入回火炉，回火炉温度控制在480-500℃，保温时间为5.0h，然后出炉冷至室温。
实施例1、实施例2、实施例3和对比例1、对比例2、对比例3、对比例4、对比例5的获得组织如表2所示。
表2实施例和对比例车轮踏面中心部位表层及里15mm组织
Figure BDA0002506947730000071
表3实施例和对比例车轮轮辋机械性能和踏面下35mm处硬度
Figure BDA0002506947730000072
表3实施例和对比例车轮轮辋断裂韧性KQ值
Figure BDA0002506947730000073
实施例1、实施例2、实施例3、对比例4、对比例5车轮踏面金相组织均为珠光体+少量铁素体，对比例1、对比例2、对比例3细珠光体+少量铁素体+贝氏体，说明先弱喷后强喷热处理淬火方式能够有效地控制车轮踏面异常组织。在材质成分接近的实施例1和对比例2、对比例3、对比例4、对比例5，实施例1具有更细的珠光体团，耐磨性能更好；实施例1热处理后的轮辋的室温拉伸性能、硬度明显高于对比例2、对比例3、对比例4、对比例5车轮，说明本发明车轮用钢含Cr、Mo效果明显。综上，实施例制备的车轮与对比例车轮相比，具有更好的综合性能。

Claims (8)

1.一种含Cr、Mo的中碳钢车轮，其特征在于，所述含Cr、Mo的中碳钢车轮含有以下质量百分比成分：C 0.52-0.60％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.60-0.90％、Cr 0.15-0.30％、V 0.02-0.05％、Mo 0.03-0.05％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种权利要求1所述的含Cr、Mo的中碳钢车轮的热处理方法，其特征在于，所述热处理具体为：
1)车轮进入淬火加热炉加热；
2)先进行弱冷，再进行强冷；
3)回火。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，步骤1)中，车轮进淬火加热炉前空冷至低于350℃温度。
4.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，步骤1)中车轮进入淬火加热炉加热，加热温度控制760-900℃，在炉时间2.5-3.5h。
5.根据权利要求2或4所述的热处理方法，其特征在于，步骤1)中车轮进入淬火加热炉加热，预热段温度为760-820℃，加热段温度为820-880℃，保温段温度为840-900℃，车轮在淬火炉内时间在2.0-3.5小时。
6.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中所述弱冷是指：弱喷喷嘴对加热后的车轮踏面进行喷淋，水流量控制在1.4-3.0m3/min，喷水时间为80-100s，轮辋冷却速率在3-4℃/s。
7.根据权利要求2或6所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中所述强冷是指：弱喷结束后，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，水流量控制在28-30m3/min，喷水时间为280-300s，轮辋冷却速率15-20℃/s。
8.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，步骤3)所述回火具体：在480-500℃回火处理4.0-5.0小时。
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