CN112029971A - 一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，属于铁路车轮制备领域。本发明包括以下步骤：S1、将毛坯车轮加热至临界温度Ac3以上90～110℃，然后保温至完全奥氏体化状态；S2、将车轮转运至淬火台，采用间断式淬火方式，先采用流量为L1的喷嘴喷射车轮踏面进行短时预冷却，再采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面进行踏面淬火，L1＝(1/5～1/4)L2；S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。本发明针对目前行业内对铁路车轮性能要求不断提高的发展形势，旨在不影响车轮钢强塑性等常规力学性能的前提下，提高车轮轮辋的断裂力学性能，使车轮钢获得较好的强韧配合关系，为长接触疲劳寿命与高耐磨性车轮的设计与制备作参考。

Description

一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法
技术领域
本发明涉及铁路车轮制备技术领域，更具体地说，涉及一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法。
背景技术
目前，国内外铁路车轮通常均要求含耐磨性与切削加工性优异的、铁素体+细珠光体的两相组织。近些年，为满足车轮更高的使用性能要求，钒微合金化技术在中高碳车轮钢中得到了更多应用。钒在钢中与间隙的碳、氮原子形成热动力学较稳定的V(C,N)第二相粒子，因粒子强烈的细化晶粒与析出强化作用而获得较好的强韧性。但钒作为一种析出强化元素，受加热温度的影响较大。如材料热处理学报，2020:41(2):67-74,加热温度对钒微合金中碳钢组织及性能的影响，指出加热温度高，钒的大量溶解与析出导致强度增量明显增大，但牺牲了塑韧性；加热温度低，导致强度增量不足，不能满足高耐磨性的要求。
作为材料抵抗裂纹失稳扩展能力的量度，断裂韧性是平面应变或平面应力条件下裂纹尖端附近应力强度因子临界值，是材料的固有属性，与显微组织结构关系密切，更能反映材料工件的热处理质量与使用安全性。随着铁路运输重载、高速化进程的加快，对铁路车辆关键走行部件的车轮的断裂韧性也提出了越来越高的要求。因此，如何在不影响车轮钢强塑性等常规力学性能的前提下，显著提高抗裂纹扩展能力成为一项技术难题。
经检索，如中国专利，申请公布号：CN 103741047 A，申请公布日：2014.04.23，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，在标准EN 13262《铁路应用-轮对和转向架-车轮-产品要求》基础上重点对ER7车轮钢中的Si、Mn、Ni、Cr、Als含量进行了调整设计，并采用在常规热处理工序前增加一道高温正火工序，即将车轮整体加热至较常规淬火加热温度高的温度后出炉空冷至室温，通过改善车轮的组织均匀性而提高断裂韧性。又如中国专利，申请公布号：CN 103741021 A，申请公布日：2014.04.23，公开了一种铁路货车用高韧性车轮钢及车轮制备方法，重点对CL65车轮钢中的Si、Mn、Ni、Als进行了调整设计，并采用在常规热处理工序前增加一道低温正火工序，即将车轮整体加热至较常规淬火加热温度低的温度后出炉空冷至室温，通过细化车轮的晶粒组织而提高断裂韧性。但是，该申请案因两次热处理导致热处理工序时间明显增长，热处理产能跟不上，不太适用于节奏快、产量大的批量化生产。
如新日铁公司在中国的专利申请，申请公布号：CN 103221561 A，申请公布日：2013.07.24，公开了一种耐磨性、抗接触疲劳与热损伤等性能的平衡优异，具备长寿命的车轮用钢，其成分按重量百分比计含C 0.65～0.84；Si 0.02～1.00；Mn 0.50～1.90；Cr 0.02～0.50；V 0.02～0.20；S≤0.04；P≤0.05；Cu≤0.20；Ni≤0.20，满足[34≤2.7+29.5×C+2.9×Si+6.9×Mn+10.8×Cr+30.3×Mo+44.3×V≤43]且[0.76×exp(0.05×C)×exp(1.35×Si)×exp(0.38×Mn)×exp(0.77×Cr)×exp(3.0×Mo)×exp(4.6×V)≤25]。但是，该申请案重点就车轮钢的成分进行优选设计、调整，不能快速识别出影响车轮钢综合性能的关键因素，且采用常规的踏面强冷工艺，车轮某些部位出现了不期望的非珠光体混合组织。
踏面连续大流量强制喷水(即“踏面淬火”)是国内外铁路车轮通用的热处理冷却方式，由于轮辋径向冷速梯度显著，踏面近表层一定深度范围内的冷速超过车轮钢的完全珠光体转变临界冷速，形成含非珠光体的混合组织，该混合组织层深度与车轮钢的化学成分有关，如高碳重载系列车轮的混合组织层深最高有20mm。踏面近表层的非珠光体混合组织对车轮早期使用性能(剥离、磨损)有不利影响，是众多标准和客户技术条件所不允许存在的。生产实践中，控制或消除非珠光体混合组织的一般做法是增大毛坯设计余量(投料)，热处理后通过机加工的方式去除，导致成材率低、成产成本高等问题。
为降低车轮投料成本，控制或消除踏面近表层的非珠光体混合组织，使车轮获得优异的力学性能与使用性能，近些年如中国专利，申请公布号：CN 110055394 A，申请公布日：2019.07.26，公开了一种铁路车轮的热处理冷却工艺。方法步骤包括：先将车轮整体加热至完全奥氏体化；然后转运至淬火台，使车轮处于转动状态，采用压力阶梯递增式气雾两相流喷射车轮踏面；再将车轮整体入回火炉保温，最后取出空冷；压力阶梯递增式气雾两相流喷射车轮踏面依次包括三个阶段，控制三个阶段的车轮转速v1＞v2＞v3，水压P1＜P2＜P3，淬火冷却时间T1＜T2＜T3；三个阶段启动沿车轮周向等间距分布的喷嘴数量依次为M、2M和3M。又如专利申请号：200810020421.5，名称：高碳钢火车车轮轮辋表面的热处理方法及热处理装置，是在冷却过程中，先用小流量水流对火车车轮的车轮踏面进行短时间喷水冷却，然后用大流量水流对车轮踏面进行长时间强制喷水冷却。采用上述技术方案，改善车轮的抗接触疲劳性能，减少车轮的踏面剥离；尽早获得合适的轮与轨的几何匹配关系，增大接触面，降低接触应力水平；车轮轮辋内部的耐磨性能提高，从而提高车轮的使用寿命；且不增大车轮热处理冷却工艺的操作难度。该申请案主要是基于车轮钢材料的过冷奥氏体相变特性与冷却过程中轮辋内部温度场的耦合关系，旨在为解决车轮踏面近表层的非珠光体异常组织而设定。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对目前行业内对铁路车轮性能要求不断提高的发展形势，本发明拟提供一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，旨在不影响车轮钢强塑性等常规力学性能的前提下，提高车轮轮辋的断裂力学性能，使车轮钢获得较好的强韧配合关系，为长接触疲劳寿命与高耐磨性车轮的设计与制备作参考。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，共包括两种方案，其中方案1包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮加热至临界温度Ac3以上90～110℃，然后保温至完全奥氏体化状态；具体保温时间根据车轮规格、装炉量、布料方式、加热炉实际状况等因素而定，在此不再赘述。
S2、将车轮转运至淬火台，采用间断式淬火方式，先采用流量为L1的喷嘴喷射车轮踏面进行短时预冷却，再采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面进行踏面淬火，L1＝(1/5～1/4)L2；
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。后续加工工序包括预加工、精加工等后续常规工序，在此不再赘述。
更进一步地，铁路车轮的轮径为φ700～φ1250mm，所用的车轮钢以重量百分比计，含碳0.50％～0.77％，钒0.04％～0.15％，氮(50～90)×10-4％，其余成分为业内常规成分，在此不再赘述。
更进一步地，步骤S2中车轮转运至淬火台的时间控制在1min之内；避免因车轮表面，尤其是踏面/外侧面拐角处的过大温降造成表面局部硬度不足。
更进一步地，步骤S2中车轮运至淬火台后，先通过托辊电机编码器调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离，然后驱动电机使车轮处于转动状态，开始进行淬火；车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为75～100mm，既能保证喷射到车轮踏面上的水压，又能避免过近出现喷溅。
更进一步地，步骤S2中踏面淬火过程控制单个喷嘴出水流量L2为20～22m3/h。
更进一步地，流量为L1的喷嘴和流量为L2的喷嘴集成设计在同一喷枪上，由不同流量的水管支路控制，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45-60°，确保较好的冷却效果。喷枪数量可设置多个，沿淬火台周向均匀布置。
更进一步地，对含碳0.60wt％以上的高碳钢车轮，流量为L1的喷嘴喷射时间为150～180s；对含碳0.60wt％以下的中碳钢车轮，流量为L1的喷嘴喷射时间为60～90s。流量为L2的喷嘴喷射时间由车轮规格(如轮径、辋高、辋厚等)决定，规格越大，喷射时间越长，目前行业内常规车轮的现行喷射时间为250-450s之间，本发明中流量为L2的喷嘴喷射时间为160-340s，冷却后控制车轮踏面温度低于100℃，确保轮辋与辐板过渡处附近发暗，已完成轮辋内部的冷却组织转变。
更进一步地，步骤S2中电机转速控制在50～100r/min，车轮规格小，取较小转速；车轮规格大，取较大转速，保证较好的表面冷却换热效果。
本发明的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，方案2包括以下步骤：
P1、将毛坯车轮加热至临界温度Ac3以上90～110℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上40～60℃，保温60～90min；
P2、将车轮转运至淬火台，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束；
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
更进一步地，方案2中的铁路车轮的轮径为φ700～φ1250mm，所用的车轮钢以重量百分比计，含碳0.50％～0.77％，钒0.04％～0.15％，氮(50～90)×10-4％；单个喷嘴出水流量L2为20～22m3/h，喷射时间为250-450s；同样地，车轮转运至淬火台的时间控制在1min之内；车轮运至淬火台后，先通过托辊电机编码器调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离，然后驱动电机使车轮处于转动状态，开始进行淬火；车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为75～100mm；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45-60°；电机转速控制在50～100r/min。
需要说明的是，本发明主要针对含钒微合金化车轮钢，通过两段式淬火或两段式奥氏体化均热保温两种方案获得所期望的晶内铁素体IGF来改善强韧性匹配。金属构件的强韧性是一种难以兼得的矛盾关系，通常是牺牲一方以获得高指标的另一方，而本发明却能在不降低甚至略有提高轮辋内部硬度的同时，显著提高断裂韧性水平与稳定性、均匀性，为较好强韧性匹配的铁路车轮的制备提供了一种可行方案，便于工业化生产。
本发明通过在车轮常规踏面淬火工序前增加一道小流量短时间的预冷却，或者在车轮整体完成奥氏体化保温后再进行奥氏体相区的小幅降温过冷预处理，使奥氏体化加热、保温进程中溶解到基体中的钒达到过饱和状态，促进钒以富氮的V(C,N)第二相粒子在高温奥氏体晶内预析出，且这种预析出的微合金碳氮化物与面心立方结构的奥氏体基体不共格，不参与基体的析出强化。晶内预析出的V(C,N)粒子附近由于微区C、V的贫乏，降低了铁素体形核的界面能和驱动力，并成为铁素体异质形核的优先场所(触媒)，而后在常规强冷过程中诱导铁素体在奥氏体晶内形核。正是由于塑性软相的晶内铁素体(Intragranularferrite，IGF)的析出，加上析出强化作用的适当减弱，使韧性储备增大。
为获得优异性能的珠光体组织车轮钢，关键在于γ/α两相区的冷却速率(即有效冷却速率)。如能在冷却时快速通过γ/α两相区，使得珠光体成核时的过冷度增大，就能获得较细小的珠光体组织。本发明在预处理过程中由于轮辋内部的奥氏体相区内的小幅降温，而后在常规强冷时因两种冷却方式相互叠加作用，使轮辋内部的有效冷却速率增大，轮辋内部未转变的金属以较快的冷速通过γ/α两相区，从而在较高断裂韧性的同时，也能获得较高的强硬度水平，显著改善车轮轮辋部位的强韧性匹配。
此外，本发明由于小流量短时间的预冷却处理还使车轮踏面近表层的冷却速率低于车轮钢材料的下临界冷却速率(即全铁素体-珠光体转变最大冷却速率)，抑制或消除了车轮踏面近表层的非珠光体组织。进而再进行常规大流量强冷，使轮辋内部未转变金属继续发生细珠光体组织转变，实现轮辋全截面冷却趋于一致，优化了显微组织梯度，同时保证了轮辋整体硬度水平，降低了径向的硬度梯度，将有利于改善车轮全寿命周期内的磨耗均匀性。
本发明采用的整体车轮奥氏体相区的小幅降温过冷预析出处理，不仅在轮辋部位诱导析出IGF，还会使辐板部位同样发生诱导析出，同时改善车轮辐板的塑韧性，轮辋-辐板强韧性配合更加优异，从而使车轮整体获得优异的综合性能。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，兼顾技术可行性、生产可实施性与效率，主要针对V微合金化车轮钢，通过两段式淬火或两段式奥氏体化均热保温获得所期望的晶内铁素体IGF来改善强韧性匹配，在不降低甚至略有提高轮辋内部硬度的同时，显著提高断裂韧性水平与稳定性、均匀性，为较好强韧性匹配的铁路车轮的制备提供了一种可行方案，且工艺简单易行，便于工业化生产。
(2)本发明的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，采用小流量短时间的预冷却处理由于使车轮踏面近表层的冷却速率低于车轮钢材料的下临界冷却速率，从而使车轮踏面近表层不出现或少出现非珠光体组织，减少踏面加工余量设计，降低投料重，提高成材率；且该工艺方案几乎不增加淬火冷却总时间，对生产节奏无不利影响。
(3)本发明的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，采用整体车轮奥氏体相区的小幅降温预析出处理，不仅在轮辋部位诱导析出IGF，还会使辐板部位同样发生诱导析出，同时改善车轮辐板的塑韧性，轮辋-辐板强韧性配合更加优异，从而使车轮整体获得优异的综合性能。
附图说明
图1(左)为本发明方案1车轮淬火预冷却80s后的温度场分布云图，图1(右)中的阴影部分为淬火预冷却影响区(常规踏面淬火时该区域会形成不期望的非珠光体混合组织)；
图2中黑色箭头所指为实施例1车轮钢中析出的晶内铁素体IGF；
图3为车轮轮辋部位断裂韧性取样部位及尺寸；
图4为实施例1、对比例1沿车轮周向均布的6块断裂韧性测试结果；
图5为实施例2、对比例2沿车轮周向均布的6块断裂韧性测试结果；
图6为实施例3、对比例3沿车轮周向均布的6块断裂韧性测试结果。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.50C-0.13V-68×10-4N，毛坯轮径为700mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经2.5h加热至临界温度Ac3以上90℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为75mm，驱动电机转速控制在50r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为90s；再进行常规强冷：需要说明的是，现有常规的踏面冷却，流量L2的喷射时间通常为250-450s，本实施例采用常规现行喷射时间的2/3～3/4，即持续时间控制为160-340s，具体在本实施例中采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间160s；控制L1＝1/4L2，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，本实施例具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经2.5h加热至临界温度Ac3以上90℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上40℃，保温60min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为75mm，驱动电机转速控制在50r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，持续时间250s；具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
本实施例的方案1中，经过小流量短时间的淬火预冷却，如图1所示，预冷却后轮辋近表层以下温度在740-840℃，为V(C,N)第二相粒子在奥氏体晶内的预析出提供了热动力学条件，且强冷时组织仍处于或绝大部分处于奥氏体状态，能保证足够的强化效果。
方案2中通过车轮整体在奥氏体相区的小幅降温预处理，使淬火加热、保温进程中溶解到基体中的钒达到过饱和状态，亦能促进与面心立方结构的奥氏体基体不共格的V(C,N)第二相粒子在高温奥氏体晶内预析出。这些晶内预析出的V(C,N)粒子附近由于微区C、V的贫乏，降低了铁素体形核的界面能和驱动力，并成为铁素体异质形核的优先场所(触媒)，而后在常规强冷过程中诱导铁素体在奥氏体晶内形核。如图2所示，先共析铁素体成连续或断续网状包裹住整个晶粒，晶内的黑色箭头所指即为晶内铁素体(Intragranularferrite，IGF)。正是由于IGF的析出，加上析出强化作用的适当减弱，使韧性储备增大。在预处理过程中由于轮辋内部的奥氏体相区内的小幅降温，而后在常规强冷时因两种冷却方式相互叠加作用，使轮辋内部的有效冷却速率增大，轮辋内部未转变的金属以较快的冷速通过γ/α两相区，珠光体成核时的过冷度增大，有利于获得较细的珠光体片间距，从而在较高断裂韧性的同时，也能获得较高的强硬度水平，显著改善车轮轮辋部位的强韧性匹配。
此外，方案2采用整体车轮奥氏体相区的小幅降温预析出处理，不仅在轮辋部位诱导析出IGF，还会使辐板部位同样发生诱导析出，同时改善车轮辐板的塑韧性，轮辋-辐板强韧性配合更加优异，从而使车轮整体获得优异的综合性能。
对比例1
本对比例中车轮钢的主要成分和规格同实施例1。
本对比例中采用现行通用的热处理工艺：将轧制、缓冷得到的毛坯经2.5h加热至临界温度Ac3以上90℃，保温至完全奥氏体化后运至淬火台。采用大流量喷嘴L2为20m3/h直接连续强喷车轮踏面，持续时间300s。车轮回火后经预加工、精加工等工序得到成品车轮。
分别对实施例1、对比例1得到的车轮进行解剖。在成品车轮踏面中部下方15mm取拉伸试样，按GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行常温拉伸力学性能测试。在辐板中部取夏比冲击试样，按GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行常温冲击性能测试。取轮辋断面，沿踏面型面下10mm、40mm处间隔取三点(近轮缘、踏面中部、近外侧)，按GB/T 231.1—2002《金属布氏硬度试验第1部分:试验方法》进行布氏硬度测试。拉伸性能、冲击功及断面硬度测试结果见表1。如图3所示，在轮辋部位取紧凑拉伸试样，按GB/T 4161—2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》进行线弹性平面应变断裂韧性测试，结果见图4。实施例1的方案1车轮的断裂韧性最大断、最小值、平均值及极差分别为96.3、85.8、90.4、10.5MPa·m1/2，而对比例1车轮的断裂韧性最大值、最小值、平均值及极差分别为95.5、70.1、79.7、25.4MPa·m1/2。
可见，与常规工艺相比，采用本实施例方案1不降低甚至略有提高轮辋内部强硬度，同时显著提高断裂韧性水平与稳定性、均匀性，可获得较好的强韧性匹配。采用本实施例方案2同时改善车轮辐板的塑韧性，轮辋-辐板强韧性配合更加优异，从而使车轮整体获得优异的综合性能。
表1实施例1、对比例1拉伸性能、冲击性能及断面硬度
Figure BDA0002611233700000081
实施例2
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.63C-0.15V-50×10-4N，毛坯轮径为1250mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上100℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为100mm，驱动电机转速控制在100r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为150s；再进行常规强冷：采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间340s；控制L1＝1/5L2，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，本实施例具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上100℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上50℃，保温90min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为100mm，驱动电机转速控制在100r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，持续时间控制为450s，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
对比例2
本对比例的车轮钢的主要成分及规格同实施例2。
本对比例采用现行通用的热处理工艺：将轧制、缓冷得到的毛坯经3.5h加热至临界温度Ac3以上100℃，保温至完全奥氏体化后运至淬火台。采用大流量喷嘴L2为22m3/h直接连续强喷车轮踏面，持续时间460s。车轮回火后经预加工、精加工等工序得到成品车轮。
参照实施例1与对比例1中相应的试验方法，分别对实施例2、对比例2所得车轮进行解剖。拉伸性能、冲击功及断面硬度测试结果见表2。线弹性平面应变断裂韧性测试结果见图5。实施例2方案1所得车轮的断裂韧性最大值、最小值、平均值及极差分别为70.4、62.8、66.5、7.6MPa·m1/2，而对比例2车轮的断裂韧性最大断、最小值、平均值及极差分别为63.5、51.2、56.6、12.3MPa·m1/2。
表2实施例2、对比例2拉伸性能、冲击性能及断面硬度
Figure BDA0002611233700000091
实施例3
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，基本同实施例1，不同的是，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.77C-0.04V-90×10-4N，毛坯轮径为1000mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤，基本同实施例1，具体地：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3h加热至临界温度Ac3以上110℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为80mm，驱动电机转速控制在80r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为180s；再进行常规强冷：采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间280s；控制L1＝1/5L2，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤，基本同实施例1，具体地：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3h加热至临界温度Ac3以上110℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上60℃，保温80min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为80mm，驱动电机转速控制在80r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，持续时间控制为350s，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
本实施例由于促进IGF的析出而改善强韧性匹配，其中的方案1还因小流量短时间的预冷却处理还使车轮踏面近表层的冷却速率低于车轮钢材料的下临界冷却速率(即全铁素体-珠光体转变最大冷却速率)，抑制或消除了车轮踏面近表层的非珠光体组织。进而再进行常规大流量强冷，使轮辋内部未转变金属继续发生细珠光体组织转变，实现轮辋全截面冷却趋于一致，优化了显微组织结构，同时保证了轮辋整体硬度水平，降低了径向的硬度梯度，将有利于改善车轮全寿命周期内的磨耗均匀性。
对比例3
本对比例的车轮钢的主要成分及规格同实施例3。
本对比例采用现行通用的热处理工艺：将将轧制、缓冷得到的毛坯经3h加热至临界温度Ac3以上110℃，保温至完全奥氏体化后运至淬火台。采用大流量喷嘴L2为20m3/h直接连续强喷车轮踏面，持续时间440s。车轮回火后经预加工、精加工等工序得到成品车轮。
参照实施例1与对比例1中相应的试验方法，分别对实施例3、对比例3所得车轮进行解剖。拉伸性能、冲击功及断面硬度测试结果见表3。线弹性平面应变断裂韧性测试结果见图6。本实施例中方案1车轮的断裂韧性最大值、最小值、平均值及极差分别为60.8、54.3、56.7、6.5MPa·m1/2，而对比例车轮的断裂韧性最大断、最小值、平均值及极差分别为51.6、44.2、48.2、7.4MPa·m1/2。
可见，与常规工艺相比，采用本实施例方案1不降低甚至略有提高轮辋内部强硬度，同时显著提高断裂韧性水平与稳定性、均匀性，可获得较好的强韧性匹配。采用本实施例方案2同时改善车轮辐板的塑韧性，轮辋-辐板强韧性配合更加优异，从而使车轮整体获得优异的综合性能。
另外，对热处理后机加工前的实施例3、对比例3毛坯车轮取全踏面金相块进行分析。实施例3所得车轮踏面近表层的显微组织组成为无非珠光体混合组织，轮辋全截面为均匀一致的铁素体-细珠光体组织；对比例3车轮踏面近表层的显微组织组成为踏面下15mm以内为马氏体与上贝氏体的混合组织层，15mm以外才为铁素体-细珠光体组织。采用本实施例方案1可以显著改善踏面近表层的显微组织组成，实现轮辋全截面均匀一致的铁素体-细珠光体组织，优化了显微组织结构，极大改善车轮的使用性能；还可用于指导轧钢余量优化设计，降低投料重，提高成材率。
表3实施例3、对比例3拉伸性能、冲击性能及断面硬度
Figure BDA0002611233700000111
实施例4
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.53C-0.13V-65×10-4N，毛坯轮径为850mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上100℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为90mm，驱动电机转速控制在90r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为60s；再进行常规强冷：采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间180s；控制L1＝1/5L2，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，本实施例具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为50°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上100℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上50℃，保温80min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为90mm，驱动电机转速控制在90r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为20m3/h，持续时间控制为300s，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为50°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
实施例5
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.55C-0.08V-75×10-4N，毛坯轮径为1050mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上95℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为85mm，驱动电机转速控制在70r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为80s；再进行常规强冷：采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间180s；控制L1＝1/5L2，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，本实施例具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上95℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上45℃，保温90min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为85mm，驱动电机转速控制在70r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，持续时间控制为400s，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为60°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
实施例6
本实施例的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其中车轮钢的主要成分，以重量百分比计为0.70C-0.15V-90×10-4N，毛坯轮径为1200mm。
采用方案1的制备方法，包括以下步骤：
S1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.0h加热至临界温度Ac3以上110℃，保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为100mm，驱动电机转速控制在100r/min，先进行淬火预冷却：采用小流量L1的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间为170s；再进行常规强冷：采用大流量L2的喷嘴喷射车轮踏面，持续时间320s；控制L1＝1/5L2，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，本实施例具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周；喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为50°。
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
采用方案2的制备方法，包括以下步骤：
P1、将轧制、缓冷得到的毛坯车轮经3.5h加热至临界温度Ac3以上110℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上50℃，保温90min；
P2、将车轮转运至淬火台，调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为100mm，驱动电机转速控制在100r/min，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束，单个喷嘴出水流量L2为22m3/h，持续时间控制为420s，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为50°。
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将毛坯车轮加热至临界温度Ac3以上90～110℃，然后保温至完全奥氏体化状态；
S2、将车轮转运至淬火台，采用间断式淬火方式，先采用流量为L1的喷嘴喷射车轮踏面进行短时预冷却，再采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面进行踏面淬火，L1＝(1/5～1/4)L2；
S3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
2.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：铁路车轮的轮径为φ700～φ1250mm，所用的车轮钢以重量百分比计，含碳0.50％～0.77％，钒0.04％～0.15％，氮(50～90)×10-4％。
3.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：步骤S2中车轮转运至淬火台的时间控制在1min之内。
4.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：步骤S2中车轮运至淬火台后，先调整车轮踏面与喷嘴出水面板的距离，然后驱动电机使车轮处于转动状态，开始进行淬火；车轮踏面与喷嘴出水面板的距离为75～100mm。
5.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：步骤S2中踏面淬火过程控制单个喷嘴出水流量L2为20～22m3/h。
6.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：流量为L1的喷嘴和流量为L2的喷嘴集成设计在同一喷枪上，由不同流量的水管支路控制，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45-60°。
7.根据权利要求1所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：对含碳0.60wt％以上的高碳钢车轮，流量为L1的喷嘴喷射时间为150～180s；对含碳0.60wt％以下的中碳钢车轮，流量为L1的喷嘴喷射时间为60～90s。
8.根据权利要求4所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：步骤S2中电机转速控制在50～100r/min。
9.一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
P1、将毛坯车轮加热至临界温度Ac3以上90～110℃，保温至完全奥氏体化状态；然后以2～3℃/min速率降温至临界温度Ac3以上40～60℃，保温60～90min；
P2、将车轮转运至淬火台，采用流量为L2的喷嘴喷射车轮踏面直至淬火结束；
P3、将车轮进行回火处理，并采用后续加工工序得到成品车轮。
10.根据权利要求9所述的一种优化强韧配合关系的铁路车轮制备方法，其特征在于：铁路车轮的轮径为φ700～φ1250mm，所用的车轮钢以重量百分比计，含碳0.50％～0.77％，钒0.04％～0.15％，氮(50～90)×10-4％；单个喷嘴出水流量L2为20～22m3/h。
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