CN112126856A - 铁路机车用抗擦伤车轮钢及车轮的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路机车用抗擦伤车轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.42‑0.44％，Si 0.40‑0.60％，Mn 0.80‑1.20％，V 0.10‑0.15％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明通过对钢成分的合理控制结合性对应的热处理工艺，得到的车轮相比传统C含量0.50‑0.56％的碳素钢车轮，在车轮强度、硬度水平基本相当的前提下，相变点温度和马氏体转变温度明显提高，抗马氏体白层生成的能力提高，从而减少车轮擦伤的生成能力，提高车轮抗擦伤能力。本发明还公开了一种铁路机车用抗擦伤车轮的制备方法。

Description

铁路机车用抗擦伤车轮钢及车轮的制备方法
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体地说，本发明涉及一种铁路机车用抗擦伤车轮钢及车轮的制备方法。
背景技术
机车车轮是机车重要部件之一，机车的全部载荷均通过车轮传给钢轨，牵引电动机的转矩也经过轮对作用于钢轨，产生牵引力。在列车运行中，车轮在钢轨上滚动，同时在经过曲线和蛇形运动时还有相对滑动，因此，车轮与钢轨之间是一种滚动和滑动混合的复杂摩擦，尤其在坡道运行或停车瞬间机车制动力过大，轮轨粘着状态遭到破坏而发生空转，或滑行时往往就会造成车轮踏面的擦伤，擦伤部位一般呈白色，在光学显微镜下观察为马氏体组织白层。由于车轮擦伤加大了机车镟轮或换轮箍的机率，这就给机务检修部门造成了很大的工作量，还增加了机车的停修时间，严重地影响了机车的正常使用。更为严重的是，由于擦伤处的金属基体发生相变与基体剥离、脱落，形成裂纹并扩展，可能影响行车安全。随着铁路运输的任务不断增大，尤其是货运列车朝向重载方向发展导致牵引机车车轮受力增大，车轮踏面擦伤现象越发明显。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种铁路机车用抗擦伤车轮钢，目的是提高抗擦伤能力。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：铁路机车用抗擦伤车轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.42-0.44％，Si 0.40-0.60％，Mn 0.80-1.20％，V 0.10-0.15％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
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，本发明的铁路机车用抗擦伤车轮钢的金相组织为铁素体+珠光体。
本发明提供的铁路机车用抗擦伤车轮钢的成分控制如下：
C元素：碳含量对材料的相变点温度和马氏体转变温度影响最大，同时影响强硬度，低的C含量可明显提高相变点温度和马氏体转变温度，提高抗擦伤能力，但过低的C含量会导致强硬度偏低，导致车轮服役时磨耗加快，且不利于行车安全，兼顾性能和相变温度、马氏体转变温度，C含量控制在相对较窄的氛围。因此本发明将C的范围确定在0.42-0.44％之间，优选为0.42-0.43％。
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。考了到其他合金元素的添加，本发明Si的含量控制在0.40-0.60％之间，优选为0.45-0.58％。
Mn元素：本发明中重要的强化元素，能够有效提高车轮强度硬度性能，从而提高车轮的耐磨性能，但Mn同时会降低相变点温度和马氏体转变温度，综合考虑其有利和不利因素，本发明将Mn的含量控制在0.80-1.20％之间，优选为0.85-1.15％。
V元素：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。但V含量过高，会明显提高车轮钢的淬透性能，诱发非铁素体-珠光体组织的形成，综合考虑将V的含量控制在0.10-0.15％。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
本发明还提供了一种采用上述铁路机车用抗擦伤车轮钢制备车轮的方法，包括热处理工序，所述热处理工序为：在860-890℃保温3.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在490-530℃回火处理5.0-6.0小时。
进一步地，所述热处理工序为：在880℃保温3.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在510℃回火处理5.0小时。
进一步地，所述热处理工序为：在875℃保温4.0小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在520℃回火处理5.0小时。
本发明通过对钢成分的合理控制结合性对应的热处理工艺，得到的车轮相比传统C含量0.50-0.56％的碳素钢车轮，在车轮强度、硬度水平基本相当的前提下，相变点温度和马氏体转变温度明显提高，抗马氏体白层生成的能力提高，从而减少车轮擦伤的生成能力，提高车轮抗擦伤能力。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是实施例1不同接触应力下生成白层的深度；
图2是实施例2不同接触应力下生成白层的深；
图3是对比例不同接触应力下生成白层的深度；
图4是白层试验示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
本发明提供了一种铁路机车用抗擦伤车轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.42-0.44％，Si 0.40-0.60％，Mn 0.80-1.20％，V 0.10-0.15％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
从材料的角度来说，产生擦伤时，车轮受到较大的摩擦力，局部瞬间产生大量的热量，温度超过相变点，由于受热面积较小随后快速冷却，形成马氏体白层组织。马氏体白层组织和基体珠光体组织性能差异大，当车轮继续运行，白层处受到力的作用可能产生剥离剥落。
关于抗擦伤性能，可以用生成的马氏体白层深度以及钢的马氏体转变温度来评价，马氏体转变温度越高，形成的白层的抗裂能力越大。当马氏体转变温度超过275℃时，车轮表面上出现裂纹的概率就大为降低。如果车轮材料为碳素钢，其对应的C含量最大不应超过0.56％。这一点在也得到了应用和验证。目前，牵引功率超过7200kw的大功率机车车轮材料多采用C含量在0.50-0.55％的中碳碳素钢，远低于传统机车轮钢和客货车车轮钢(0.60-0.75％)，这在早期起到一定的作用，但随着运输吨位的增加，擦伤现象仍然存在，尤其是一些条件较差运输线路，发生频次更高。
综上可知，要降低擦伤的生成，首先要提高材料的相变温度，同时还要提高马氏体转变温度。
已有研究表明，材料相变点AC1、AC3，马氏体相变温度MS，和成分存在如下关系：
AC1(℃)＝723-20.7Mn-16.9Ni+29.1Si+16.9Cr+290As+6.38W
AC3(℃)＝910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W
MS(℃)＝539-423C-30.4Mn-20Si-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo
可见，C含量对相变点、马氏体转变温度影响最大，Si、Cr可提高相变点，但同时也会降低马氏体转变温度。但总的来说，防止擦伤，提高相变点温度是首要的，在此基础上，马氏体转变温度控制在275℃以上且越高越好。按此思路，通过降低C含量，增加Si、Cr元素的含量，设计出一种新型机车用车轮钢，在综合性能较现在车轮钢不降低的前提下，获得更高的相变点和马氏体转变温度，提高车轮使用过程抗擦伤能力，对实现具备自主知识产权的机车车轮产品意义重大。
本发明还提供了一种采用上述铁路机车用抗擦伤车轮钢制备车轮的方法，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、加工和成品检测工序。热处理工序为：在860-890℃保温3.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在490-530℃回火处理5.0-6.0小时。
下面结合附图1-附图4及实施例1和实施例2对本发明做详细的说明。
实施例1和实施例2中的车轮钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1和实施例2均采用100吨超高功率电弧炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成φ450mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径分别为1050mm、1250mm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、切锭轧制工序、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880℃保温3.5小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以4℃/s-6℃/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。
本实施例制备的车轮机械性能和相变点如表2所示，本实施例制备的车轮强度、硬度、断裂韧性与C含量0.54％碳素钢车轮相当，相变点温度、马氏体转变温度均高于碳素钢车轮。
取实施例1和对比例车轮轮辋材料加工成环装试样，进行材料白层试验，试验示意图见图4，车轮材料加工成试样1，U71Mn钢轨材料加工成试样2，试样1固定，试样2以500rpm转动，接触应力分别为1100MPa、1500MPa，模拟车轮材料打滑产生热量温度升高，同时向试样表面喷水，使其产生白层，对产生的白层的深度进行测量，然后继续在润滑状态下进行接触疲劳试验，直到白层剥落，记录试样的旋转频次。试验结果见表3，实施例1的车轮产生的白层深度明显小于碳素钢车轮，且白层产后到白层剥落掉块的频次明显小于碳素钢车轮，这说明实施例1的车轮在抗擦伤能力上好于碳素钢车轮。
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、切锭轧制工序、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：首先在875℃保温4.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以4℃/s-6℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在520℃回火处理5.0小时。
本实施例制备的车轮机械性能和相变点如表2所示，本实施例制备的车轮强度、硬度、断裂韧性与C含量0.54％碳素钢车轮相当，相变点温度、马氏体转变温度均高于碳素钢车轮。
取实施例2和对比例车轮轮辋材料加工成环装试样，进行材料白层试验，试验示意图见图4，车轮材料加工成试样1，U71Mn钢轨材料加工成试样2，试样1固定，试样2以500rpm转动，接触应力分别为1100MPa、1500MPa，模拟车轮材料打滑产生热量温度升高，同时向试样表面喷水，使其产生白层，对产生的白层的深度进行测量，然后继续在润滑状态下进行接触疲劳试验，直到白层剥落，记录试样的旋转频次。试验结果见表3，实施例2产生的白层深度明显小于碳素钢车轮，且白层产后到白层剥落掉块的频次明显小于碳素钢车轮，这说明实施例2车轮材料在抗擦伤能力上好于碳素钢车轮。
表1实施例1-2及对比例碳素钢车轮的成分(重量百分比％)
C Si Mn V P S
实施例1 0.43 0.45 0.85 0.15 0.008 0.007
实施例2 0.42 0.58 1.15 0.10 0.008 0.005
对比例车轮 0.54 0.37 0.70 0.00 0.005 0.004
表2实施例1-2和对比例碳素钢车轮轮辋性能、材料相变点及马氏体转变温度
Figure BDA0002685754250000071
表3实施例1-2和对比例碳素钢车轮白层试验情况
Figure BDA0002685754250000072
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.铁路机车用抗擦伤车轮钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.42-0.44％，Si 0.40-0.60％，Mn 0.80-1.20％，V 0.10-0.15％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的铁路机车用抗擦伤车轮钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.42-0.43％，Si 0.45-0.58％，Mn 0.85-1.15％，V 0.10-0.15％，P≤0.008％，S≤0.007％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.一种采用权利要求1所述的铁路机车用抗擦伤车轮钢制备车轮的方法，包括热处理工序，其特征在于，所述热处理工序为：在860-890℃保温3.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在490-530℃回火处理5.0-6.0小时。
4.根据权利要求3所述的制备车轮的方法，其特征在于，所述热处理工序为：在880℃保温3.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在510℃回火处理5.0小时。
5.根据权利要求3所述的制备车轮的方法，其特征在于，所述热处理工序为：在875℃保温4.0小时后，轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以4℃/s～6℃/s的冷却速度加速冷却至550℃以下，最后在520℃回火处理5.0小时。
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