CN111961964A - 一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法 - Google Patents

一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法，属于铁路车轮制备领域。针对现有技术中高速车轮钢适应性能差、强度与硬度较低的问题，本发明提供一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.52‑0.56％，Si：0.15‑0.40％，Mn：0.50‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：0.01‑0.03％，V：0.05‑0.25％，N：0.005‑0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明通过添加并Al、N、V元素并控制三者的匹配关系，形成一种全新的成分设计体系，并通过匹配相应的热处理工艺，提高车轮韧性、强度、硬度水平，抗接触疲劳性能、磨损性能也有所提高，使得制备的高速车轮钢具有较高的适应性能。

Description

一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，更具体地说，涉及一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法。
背景技术
我国的高速铁路发展取得了举世瞩目的成就，高速列车关键零部件也实现自主创新。目前，我国高速车轮主要是欧洲标准EN13262中的ER8车轮，该材质车轮为中碳(0.52-0.56％)碳素钢，具备较高的断裂韧性(≥70MPa·m1/2)，确保服役安全。ER8车轮的组织为少量不连续的网状铁素体+片状珠光体，其中铁素体是软相，韧性好，屈服强度低，珠光体强度较高，但韧性较差，两者含量的匹配关系决定着材料的最终性能。ER8车轮的轮辋屈服强度一般不超过600MPa，车轮在高速运行时轮轨间的滚动接触应力大而且交替变化，使得车轮轮辋踏面次表面在运行过程中产生塑性变形，又因为钢中存在夹杂物、渗碳体等脆性相，容易导致轮辋萌生微细裂纹，这些微细裂纹在车轮运行滚动接触疲劳的作用下，产生剥离等伤损。ER8车轮的硬度一般不超过265HB相对偏低，列车高速运动过程中产生有规律的振动、伴随着车轮的磨损，就会产生车轮的多边形。从高速车轮发生多边形的概率和车轮硬度统计结果来看，硬度提升能够降低多边形的发生，可见，提高硬度水平可改善车轮服役性能。另外，从轮轨硬度匹配的关系来看，车轮硬度不能高于钢轨硬度。当然，一般情况下，硬度提高后，材料的屈服强度和抗拉强度也相应提高，能够减少车轮在轮轨接触应力下表层的塑性变形的作用，从而减少微细裂纹的萌生源头。但是，强度和硬度的提高，势必带来韧性指标的降低，影响车辆运行风险。同时欧洲的高速铁路线路相对单一、持续高速运行时间相对较短、气候条件无明显变化，ER8车轮表现出较好的服役性能。我国高速铁路线路长、列车长时间处于高速运行、南北温差大、东西服役条件变化大，导致ER8车轮服役出现明显的不适应性，尤其是时速300公里的高速列车，车轮踏面剥离、多变化等伤损问题较多，这大大增加了车轮的检修频次、降低了车轮的使用寿命、提高了综合成本。
通过几十年的研究，碳素钢车轮的综合性能基本已发挥到极限水平，很难通过热处理工艺的优化再进一步改进。添加其他元素及合金化成为提高车轮性能最直接有效的方法。北美AAR M107/M208标准中，将Si含量的上线放至1.0％，明显高于碳素钢的0.40％，这主要是因为AAR M107/M208中规定的主要是用于货车的车轮，这些车轮采用闸瓦制动，车轮踏面容易生热产生热裂纹，Si的加入提高了材料相变点，减少了热裂纹的生产。俄罗斯等12个国家标准GOST 10791则是把V含量的上线放至0.15％，发挥V的强化和晶粒细化作用，提高车轮的综合性能。因此，结合我国高速铁路特点，在ER8车轮成分设计和性能指标基础上，通过添加合金元素实现成分创新和性能提升，对实现具备自主知识产权的高速车轮产品意义重大。
针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201310736261.5，公开日为2014年4月23日，该专利公开了一种提高断裂韧性的铁路机车用中碳钢车轮钢及车轮制备方法，其化学成分重量百分比为：C0.46～0.53％、Si0.20～0.37％、Mn0.70～0.85％、Ni0.10～0.25％、Cr0.24～0.32％，Als0.020～0.040％、P≤0.008％、S≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，热处理工序为：将轧制、粗加工后的车轮随炉升温至860～880℃，保温3～3.5h后出炉空冷至室温；再将车轮随炉升温至840～860℃，保温4h后，出炉喷水冷却400s；然后放入480～500℃炉中，保温5h后，出炉空冷。该专利的不足之处在于：虽然提高整个车轮钢的韧性，但是硬度没有明显提高，车轮在行驶过程中仍然会出现多边形的问题。
又如中国专利申请号CN201410247587.6，公开日为2014年9月3日，该专利公开了一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C0.50-0.60％、Si0.80-1.20％、Mn0.90-1.10％、Cr0.15-0.35％、Als0.010-0.030％、P≤0.015％、S≤0.015％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。制造方法包括如下步骤：电炉冶炼工序--切锭轧制工序--热处理工序。该专利的不足之处在于：该车轮钢采用高碳和高锰硅钢，虽然硬度较高，但是整体韧性相对较低。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中高速车轮钢适应性能差、强度与硬度较低的问题，本发明提供了一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法。本发明通过添加Al、N、V元素并控制三者的匹配关系，形成一种全新的成分设计体系，并通过匹配相应的热处理工艺，提高车轮韧性、强度、硬度水平，抗接触疲劳性能、磨损性能也有所提高，使得制备的高速车轮钢具有较高的适应性能。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.52-0.56％，Si：0.15-0.40％，Mn：0.50-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：0.01-0.03％，V：0.05-0.25％，N：0.005-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
更进一步的，当Al重量百分比含量为0.010-0.015％时，V重量百分比含量为0.10-0.25％，N重量百分比含量为0.007-0.01％；当Al重量百分比含量为0.015-0.030％时，V重量百分比含量为V 0.05-0.10％，N重量百分比含量为0.005-0.007％。
更进一步的，包括如下重量百分比的各组分：C：0.52％，Si：0.37％，Mn：0.65％，P：0.003％，S:0.005％，Al：0.01-0.03％，V：0.05-0.25％，N：0.005-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
一种利用上述任一项所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢的车轮制备方法，包括热处理工序，所述热处理工序包括如下步骤：
S1：车轮在870-900℃温度进行加热，加热后保温2.0-3.5小时；
S2：保温后的车轮进行喷水冷却；
S3：冷却后的车轮进行回火处理。
更进一步的，S2中车轮冷却至550℃以下后进入到下一步骤。
更进一步的，所述S2中将车轮水平放置在车轮冷却台上，同时车轮以20r/min～30r/min的速度在车轮冷却台上沿顺时针方向自传，并使用车轮冷却台上的喷嘴对车轮进行喷水冷却处理。
更进一步的，车轮冷却台上环绕车轮踏面周向均匀间隔分布若干个喷嘴。
更进一步的，S3中车轮在490-530℃回火处理4.5-6.0小时。
更进一步的，在热处理工序之前还依次包括电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭轧制工序；热处理工序之后还包括加工工序和成品检测工序。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过添加Al、N、V元素形成一种全新的成分设计体系，并控制Al、N、V元素的匹配关系，通过V元素和N元素结合形成VN和V(CN)第二相粒子，起到晶粒细化和析出强化的作用；Al元素和N元素结合形成AlN，起到细化晶粒的作用；V元素和C元素结合形成VC，起到析出强化的作用，提高了整个车轮钢的硬度和韧性，使其能够在高速状态下运行；同时抗接触疲劳性能、磨损性能也有所提高；
(2)本发明在车轮钢中通过添加Al、V、N三个元素达到提高车轮钢强韧性的要求，改变以往在车轮钢的成分中添加Nb元素，极大降低了生产成本，因钒铁的价格目前约为12万元/吨，铌铁的价格约为40万元/吨；同时Nb元素虽然可以提高车轮钢的韧性，但也会降低强硬度，V元素可以在提高韧性的同时不降低强硬度，具有更好的使用前景；
(3)本发明在热处理工艺中对加热温度和冷却速度进行参数优化，车轮在870-900℃内进行保温，车轮内部组织中的VN发挥晶粒细化作用较强并且保证车轮整体具有较高的韧性；当温度低于870℃时，VC溶解量少起到析出强化的作用，提高强度的同时势必带来韧性的降低；温度高于900℃时，车轮内部组织中的晶粒会发生明显长大，对韧性指标影响较大；
(4)本发明制备的车轮，较ER8车轮韧性、强度、硬度提高，从而获得了更良好的综合力学性能，同时，在实验室条件下，材料的抗磨损性能、抗接触疲劳性能好于ER8车轮材料。本发明制成的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度。另外，本发明制备的车轮硬度仍处在轮轨硬度匹配范围，不影响钢轨的使用。
附图说明
图1为本发明实施例1车轮轮辋显微组织图；
图2为本发明实施例1车轮轮辋显微组织析出第二相粒子图；
图3为本发明实施例2车轮轮辋显微组织图；
图4为本发明实施例2车轮轮辋显微组织析出第二相粒子图；
图5为本发明实施例3车轮轮辋显微组织图；
图6为本发明实施例3车轮轮辋显微组织析出第二相粒子图；
图7为本发明实施例4车轮轮辋显微组织图；
图8为本发明实施例4车轮轮辋显微组织析出第二相粒子图；
图9为ER8车轮轮辋显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
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，这种组织较其他组织，在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。目前普遍使用的ER8车轮钢的成分包括如下重量百分比的各组分：C≤0.56％，Si≤0.40％，Mn≤0.80％，P≤0.015％，S≤0.025％，Mo≤0.08％，V≤0.06％，Cr≤0.30％，Ni≤0.30％，Cu≤0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明所述的中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢用于高速动车组，运行速度快、里程长，服役环境温度变化大，需要高的韧性指标尤其是低温韧性。本发明的具体方案如下：一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.52-0.56％，Si：0.15-0.40％，Mn：0.50-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：0.01-0.03％，V：0.05-0.25％，N：0.005-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中各个组分的作用如下：
C元素：从提高车轮硬度方面考虑，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，因此，本发明为了较ER8车轮韧性不降低，C的范围确定为0.52-0.56％之间，为通过合金化改善性能创造基础条件；
Mn元素：能够有效提高车轮强度硬度性能，ER8碳素钢车轮中的Mn元素含量一般为0.50-0.80％，本发明按此设计，Mn含量控制在0.50-0.90％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会增加材料的热敏感性和脆性，Si含量控制在0.15-0.40％之间。
Al、V、N元素：这三种元素的含量及之间的匹配关系是本发明的关键，N能够跟Al结合形成AlN，可以起到细化晶粒的作用，V则可以和N、基体中的C结合形成VN、VC、V(C，N)，当钢奥氏体化后，VN比VC的溶解度小，这就促使VN析出钉扎奥氏体晶粒长大，发挥细化晶粒的作用，在冷却过程中，奥氏体发生转变，在相界面和铁素体中析出VC、V(C，N)又可以起到细晶强化和沉淀强化的作用，所以三者的控制含量为Al 0.01-0.03％、V 0.05-0.25％、N0.005-0.012％；同时，本发明所述的高速车轮钢为碳素钢，炼钢过程中加入Al进行脱氧，生成的Al2O3夹杂物不熔于钢水，上浮到钢渣中去除，熔于钢水的Al为Als，经发明人研究发现，熔于钢水的Al与N结合生成AlN，AlN能够晶粒细化改善性能，同时，Al能改善连铸时的可浇注性，因此，本发明所述的高速车轮钢采用控Al工艺。
发明人根据N和Al、V的结合能力，即N元素和Al元素的结合能力强于N元素和V元素的结合能力，并且通过大量的实验得出，Al、V、N三个元素的含量决定着三者的结合产物和含量，结合产物不同，作用也随之不同。因此通过控制Al、N、V的含量，可进一步提高本发明所述的高速车轮钢性能，具体如下：
(1)当Al重量百分比含量为0.010-0.015％，N重量百分比含量为0.007-0.01％，V重量百分比含量为0.10-0.25％，这部分Al为脱氧残余的Al，Al优先与N结合成AlN，但N含量偏少，AlN含量较少不能发挥作用。这时主要利用V元素和N结合，形成VN和V(CN)第二相粒子，起到晶粒细化和析出强化的作用，最终是VN、V(CN)两者发挥作用，同时提高强硬度和韧性。
(2)当Al重量百分比含量为0.015-0.030％，N重量百分比含量为0.005-0.007％，V重量百分比含量为V 0.05-0.10％，Al优先与N结合成AlN含量，且量相对较多，能够起到细化晶粒的作用。而此时的V含量主要与C元素结合形成VC，而生产的VN、V(CN)很少，主要因为N和Al已结合形成AlN，无多余的N与V结合，VC主要起到析出强化的作用，最终是AlN、VC两者发挥作用，提高强硬度和韧性。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
一种利用上述任一项所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢的车轮制备方法，包括热处理工序，所述热处理工序包括如下步骤：
S1：车轮在870-900℃温度下进行加热，加热后保温2.0-3.5小时，随着加热温度的升高，VC在奥氏体中的溶解量明显增加，VN在奥氏体中的溶解量变化相对小，VN的晶粒细化作用就能发挥，当温度低于870℃时，VC溶解量少起到析出强化的作用，提高强度的同时势必带来韧性的降低。因此，温度下限设计为870℃，当温度超过900℃，晶粒会发生明显长大，对韧性指标影响较大。因此热处理加热温度设计为870-900℃；
S2：保温后的车轮进行喷水冷却；具体的，将步骤S1中保温的车轮水平放置在车轮冷却台上，同时车轮以20r/min～30r/min的速度在车轮冷却台上沿顺时针方向自传，并使用车轮冷却台上的喷嘴对车轮进行喷水冷却处理，使车轮内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下；保证冷却过程中，不产生马氏体和贝氏体组织，保证车轮断面为珠光体+铁素体组织；更进一步的，在本步骤中，车轮冷却台上环绕车轮踏面周向均匀间隔分布若干个喷嘴，喷嘴为斜喷嘴，斜喷嘴设置在车轮的上方，且斜喷嘴倾斜向下对车轮进行喷水冷却，能够多方位并且均匀的对车轮进行全方位的冷却，保证车轮周向组织均匀性能更佳；
S3：冷却后的车轮进行回火处理，回火温度为490-530℃，回火时长为4.5-6.0小时。
当然，热处理仅是利用本发明所述的中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢制备车轮的一部分，完成的工艺步骤如下：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→切锭轧制工序→热处理工序→加工工序→成品检测工序。因其它工序均为现有技术中常规的操作，因此在本发明中不再详细介绍其步骤。本发明所述的制备方法操作简便，对热处理工艺进行参数优化，使得制备的车轮较ER8车轮韧性基本上不降低，但强度、硬度有所提高，获得了更良好的综合力学性能，从而提高车轮的服役性能。
实施例1
一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.52％，Si：0.37％，Mn：0.65％，P：0.003％，S：0.005％，Al：0.011％，V：0.23％，N：0.0091％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该车轮钢的制备方法如下：将含有上述成分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、切锭轧制工序、热处理工序、加工工序、成品检测工序而形成直径为860mm的车轮，所述的热处理工序为：首先在890℃下加热，加热后保温，保温2.5小时后，车轮喷水冷却，使车轮内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在500℃回火处理4.5小时。作为本发明的对比例，本实施中，ER8车轮钢的成分包括如下重量百分比的各组分：C：0.56％，Si：0.40％，Mn：0.80％，P：0.015％，S：0.025％，Mo：0.08％，V：0.06％，Cr：0.30％，Ni：0.30％，Cu：0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
如图1、图2和图9所示，本实施例制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，组织中存在第二相析出粒子。本实施例中车轮机械性能如表1所示，其韧性、强度和硬度比ER8车轮明显提高。在MMS-2A型微机控制试验机上进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，在相同的试验条件下，试验过程中主试样为本实施例制备的车轮试样和ER8车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑，本发明车轮的磨耗失重量比ER8车轮明显降低，本实施例中车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于ER8车轮。同时，本发明车轮的发生接触疲劳的循环周次明显高于ER8车轮，这表明本实施例中车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于ER8车轮。同时，在相同的试验条件下，与本实施例制备的车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量也比ER8车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量相当，这也更有利于提高钢轨的使用寿命。
实施例2
一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.54％，Si：0.30％，Mn：0.65％，P：0.003％，S：0.006％，Al：0.015％，V：0.13％，N：0.0079％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该车轮的制备方法如下：将含有上述成分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、切锭轧制工序、热处理工序、加工工序、成品检测工序而形成直径为915mm的车轮。所述的热处理工序为：首先在885℃下加热，加热后保温，保温2.5小时后，车轮喷水冷却，使车轮内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在490℃回火处理5.0小时。本实施中ER8车轮钢成分和实施例1一致。
如图3、图4和图9所示，本实施例制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，组织中存在第二相析出粒子。本实施例中车轮机械性能如表1所示，其韧性、强度和硬度比ER8车轮明显提高。在MMS-2A型微机控制试验机上进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，在相同的试验条件下，试验过程中主试样为本实施例制备的车轮试样和ER8车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑，本发明车轮的磨耗失重量比ER8车轮明显降低，本实施例中车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于ER8车轮。同时，本发明车轮的发生接触疲劳的循环周次明显高于ER8车轮，这表明本实施例中车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于ER8车轮。
同时，在相同的试验条件下，与本实施例制备的车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量也比ER8车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量相当，这也更有利于提高钢轨的使用寿命。
实施例3
一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.53％，Si：0.32％，Mn：0.62％，P：0.003％，S：0.006％，Al：0.019％，V：0.09％，N：0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该车轮的制备方法如下：将含有上述成分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、切锭轧制工序、热处理工序、加工工序、成品检测工序而形成直径为920mm的车轮。所述的热处理工序为：首先在900℃下加热，加热后保温，保温2.5小时后，车轮喷水冷却，使车轮内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在510℃回火处理5.0小时。本实施中ER8车轮钢成分和实施例1一致。
如图5、图6和图9所示，本实施例制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，组织中存在第二相析出粒子。本实施例中车轮机械性能如表1所示，其韧性、强度和硬度比ER8车轮明显提高。在MMS-2A型微机控制试验机上进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，在相同的试验条件下，试验过程中主试样为本实施例制备的车轮试样和ER8车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑，本发明车轮的磨耗失重量比ER8车轮明显降低，本实施例中车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于ER8车轮。同时，本发明车轮的发生接触疲劳的循环周次明显高于ER8车轮，这表明本实施例中车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于ER8车轮。
同时，在相同的试验条件下，与本实施例制备的车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量也比ER8车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量相当，这也更有利于提高钢轨的使用寿命。
实施例4
一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，包括如下重量百分比的各组分：C：0.54％，Si：0.30％，Mn：0.64％，P：0.005％，S：0.004％，Al：0.026％，V：0.05％，N：0.0055％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该车轮的制备方法如下：将含有上述成分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、切锭轧制工序、热处理工序、加工工序、成品检测工序而形成直径为925mm的车轮。所述的热处理工序为：首先在875℃下加热，加热后保温，保温3.0小时后，车轮喷水冷却，使车轮内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在490℃回火处理5.5小时。本实施中ER8车轮钢成分和实施例1一致。
如图7、图8和图9所示，本实施例制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，组织中存在第二相析出粒子。本实施例中车轮机械性能如表1所示，其韧性、强度和硬度比ER8车轮明显提高。在MMS-2A型微机控制试验机上进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，在相同的试验条件下，试验过程中主试样为本实施例制备的车轮试样和ER8车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑，本发明车轮的磨耗失重量比ER8车轮明显降低，本实施例中车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于ER8车轮。同时，本发明车轮的发生接触疲劳的循环周次明显高于ER8车轮，这表明本实施例中车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于ER8车轮。
同时，在相同的试验条件下，与本实施例制备的车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量也比ER8车轮试样进行对磨的U71Mn钢轨试样的磨耗失重量相当，这也更有利于提高钢轨的使用寿命。
表1实施例1-4和ER8车轮轮辋性能
Figure BDA0002604581950000091
表2实施例1-4和ER8车轮磨损性能对比
Figure BDA0002604581950000101
表3实施例1-4和ER8车轮接触疲劳性能对比
Figure BDA0002604581950000102
由表2和表3可以清楚的知道，在实验室条件下，本发明所述的中碳的铌钒微合金化高速车轮钢的抗磨损性能、抗接触疲劳性能好于ER8车轮，本发明制备的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度，另外，本发明制备的车轮硬度仍处在轮轨硬度匹配范围，不影响钢轨的使用；提高车轮的综合性能，从而提高车轮的服役性能。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，其特征在于：包括如下重量百分比的各组分：C：0.52-0.56％，Si：0.15-0.40％，Mn：0.50-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Al：0.01-0.03％，V：0.05-0.25％，N：0.005-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，其特征在于：当Al重量百分比含量为0.010-0.015％时，V重量百分比含量为0.10-0.25％，N重量百分比含量为0.007-0.01％；当Al重量百分比含量为0.015-0.030％时，V重量百分比含量为V 0.05-0.10％，N重量百分比含量为0.005-0.007％。
3.根据权利要求1所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢，其特征在于：包括如下重量百分比的各组分：C：0.52％，Si：0.37％，Mn：0.65％，P：0.003％，S:0.005％，Al：0.01-0.03％，V：0.05-0.25％，N：0.005-0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
4.一种利用如权利要求1-3任一项权利要求所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮钢的中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮制备方法，包括热处理工序，其特征在于：所述热处理工序包括如下步骤：
S1：车轮在870-900℃温度进行加热，加热后保温2.0-3.5小时；
S2：保温后的车轮进行喷水冷却；
S3：冷却后的车轮进行回火处理。
5.根据权利要求4所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮的制备方法，其特征在于：S2中车轮冷却至550℃以下后进入到下一步骤。
6.根据权利要求5所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮的制备方法，其特征在于：所述S2中将车轮水平放置在车轮冷却台上，同时车轮以20r/min～30r/min的速度在车轮冷却台上沿顺时针方向自传，并使用车轮冷却台上的喷嘴对车轮进行喷水冷却处理。
7.根据权利要求6所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮的制备方法，其特征在于：车轮冷却台上环绕车轮踏面周向均匀间隔分布若干个喷嘴。
8.根据权利要求4所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮的制备方法，其特征在于：S3中车轮在490-530℃回火处理4.5-6.0小时。
9.根据权利要求4所述的一种中碳控铝控氮钒微合金化高速车轮的制备方法，其特征在于：在热处理工序之前还依次包括电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭轧制工序；热处理工序之后还包括加工工序和成品检测工序。
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