CN112210722A - 一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，涉及车轮制造技术领域。该高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，原料化学成分重量百分比为：C 0.57‑0.67wt.％、Si 0.75‑1.00wt.％、Mn 0.60‑1.20wt.％、P≤0.03wt.％、S 0.035‑0.045wt.％、Cr 0.25‑0.30wt.％、V 0.04‑0.09wt.％、Al 0.01‑0.02wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，通过工艺和配方的改良，使得生产出的车轮相比传统货车车轮钢(国内CL65材质钢和国外的AAR‑B材质车轮钢)，在碳含量水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度和硬度，机械性能指标可以达到甚至超过高碳车轮钢(国内CL70材质钢和国外的AAR‑C材质车轮钢)的水平，从而有效提高了车轮抗磨损性能。

Description

一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法

技术领域

本发明涉及车轮制造技术领域，具体为一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法。

背景技术

我国铁路运输事业发展迅猛，已成为我国发展成就的重大标志之一，其中，重载运输已经成为铁路发展的重要方向。重载运输以提高单车载重为主要标志，是提高铁路货运运能、运效的最有效手段。重载车轮运用条件苛刻，承受高的轮轨接触应力和制动热负荷，造成车轮踏面圆周磨耗加大。目前普遍认知认为提高强硬度指标对重载车轮运行服役有利，正因为如此，从改善和提高车轮使用性能的角度出发，对车轮强硬度等级提出更高的要求。

通过增加车轮钢种碳元素含量可以达到提高车轮强硬度的目的，但势必会降低车轮塑性、韧性，从而影响车轮的安全性能。通过微合金化处理是改善车轮用钢综合性能的手段之一。微合金的加入致使车轮异常组织深度增加，常规的冷速已经不能满足车轮的组织要求，本发明采用缓慢冷却与快速冷却相结合的新工艺，选择合适的缓慢冷却(即换热系数)在控制或消除踏面近表层异常组织的同时，还要保证轮辋内部的强硬度水平。

此外，车轮钢强硬度提高，使车轮的生产加工比较困难，在车轮钢中加入易切削元素S，使车轮钢的切削抗力减小，同时S元素本身的特性和所形成的MnS化合物起润滑切削刀具的作用，易断屑，减轻了磨损，从而提高了刀具的寿命和生产效率。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，解决了在现有技术中，难以很好的在保证车轮强硬度的前提下提高车轮的塑性和韧性的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，原料化学成分重量百分比为：C 0.57-0.67wt.％、Si 0.75-1.00wt.％、Mn 0.60-1.20wt.％、P≤0.03wt.％、S 0.035-0.045wt.％、Cr 0.25-0.30wt.％、V 0.04-0.09wt.％、Al 0.01-0.02wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，具体操作如下：

S1、进行电炉冶炼连铸工序；

S2、进行切锭轧制工序；

S21、连铸圆坯切成一定长度的钢锭，在加热炉加入一定时间后，采用车轮轧机轧制成最大直径1250mm的车轮；

S22、其中，钢坯的加入温度设计如下：根据奥氏体去内热力学平衡方程式，计算MnS的析出温度为1435℃，即在该温度下开始大量析出。当温度在1000-1300℃时，随着温度的增加，连续的长条状MnS碎化成不连续的短小的MnS夹杂。因此，热成型加热温度按1250-1300℃控制，当热成型结束后，确保其温度让在1000℃以上并保温2-8小时，形成不连续的短小的MnS夹杂物。

S3、进行热处理工序，具体操作如下：

S31、将车轮整体加热至完全奥氏体化，考虑到合金元素的影响，为加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度设计为850-880℃，加热2.5-3.5小时；

S32、采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水缓慢冷却和强水压喷水快速冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至600-650℃区间后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为460-500℃，保温4小时以上，回火后空冷到室温。该工序MnS的形态不发生变化，让保持为热成型后的特点。

(三)有益效果

本发明提供了一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法。具备以下有益效果：该高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，通过工艺和配方的改良，使得生产出的车轮相比传统货车车轮钢(国内CL65材质钢和国外的AAR-B材质车轮钢)，在碳含量水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度和硬度，机械性能指标可以达到甚至超过高碳车轮钢(国内CL70材质钢和国外的AAR-C材质车轮钢)的水平，从而有效提高了车轮抗磨损性能；通过采用缓慢冷却与快速冷却相结合的热处理新工艺，减少车轮轮辋异常组织(非珠光体-铁素体组织)深度，提高车辆运行品质及安全性，减少了车轮辋面设计余量，提高了车轮的成材率，节约生产成本；此外，提高车轮的易切削性，可以有效提高刀具的寿命和生产效率；

在化学成分上，采用以Si、Mn、Cr、V、Al为主的合金化设计，采用多元复合微合金化的思路，合理配比，充分发挥Si、Mn、Cr、V等元素在车轮钢中的作用，获得珠光体+铁素体的显微组织，使车轮钢具有高强度、高硬度等综合力学性能，具有良好的耐磨、抗接触疲劳等服役性能。车轮的强硬度水平提高后，车轮的加工难度必然增加，在确保其性能不受影响的前提下，引入易切削元素S，并合理控制其含量范围，可使车轮的切削难度降低。

附图说明

图1为本发明实施例1轮辋内部组织照片；

图2为本发明实施例2轮辋内部组织照片；

图3为本发明实施例3轮辋内部组织照片；

图4为本发明对比例轮辋内部组织照片；

图5为本发明实施例1轮辋网格硬度示意图；

图6为本发明实施例2轮辋网格硬度示意图；

图7为本发明实施例3轮辋网格硬度示意图；

图8为对比例轮辋网格硬度示意图；

图9为实施例1MnS夹杂物形貌照片；

图10为实施例2MnS夹杂物形貌照片；

图11为实施例3MnS夹杂物形貌照片；

图12为对比例MnS夹杂物形貌照片；

图13为实施例1、2、3及对比例车轮钢化学成分(质量百分比wt.％)示意图；

图14为实施例1、2、3及对比例制造的车轮轮辋力学性能示意图；

图15为实施例1、2、3及对比例制造的车轮踏面异常组织深度示意图；

图16为同轮型本发明车轮钢车轮与对比例高碳钢车轮的加工情况示意图。

图17为实施例1、2、3及对比例车轮磨耗性能对比示意图；

图18为步骤S22中使用的奥氏体去内热力学平衡方程式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-18，本发明提供一种技术方案：一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，原料化学成分重量百分比为：C 0.57-0.67wt.％、Si 0.75-1.00wt.％、Mn 0.60-1.20wt.％、P≤0.03wt.％、S 0.035-0.045wt.％、Cr 0.25-0.30wt.％、V 0.04-0.09wt.％、Al 0.01-0.02wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，具体操作如下：

S1、进行电炉冶炼连铸工序；

S2、进行切锭轧制工序；

S21、连铸圆坯切成一定长度的钢锭，在加热炉加入一定时间后，采用车轮轧机轧制成最大直径1250mm的车轮；

S22、其中，钢坯的加入温度设计如下：根据奥氏体去内热力学平衡方程式，计算MnS的析出温度为1435℃，即在该温度下开始大量析出。当温度在1000-1300℃时，随着温度的增加，连续的长条状MnS碎化成不连续的短小的MnS夹杂。因此，热成型加热温度按1250-1300℃控制，当热成型结束后，确保其温度让在1000℃以上并保温2-8小时，形成不连续的短小的MnS夹杂物。

S3、进行热处理工序，具体操作如下：

S31、将车轮整体加热至完全奥氏体化，考虑到合金元素的影响，为加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度设计为850-880℃，加热2.5-3.5小时；

S32、采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水缓慢冷却和强水压喷水快速冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至600-650℃区间后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为460-500℃，保温4小时以上，回火后空冷到室温。该工序MnS的形态不发生变化，让保持为热成型后的特点。

下面具体说明本发明技术方案的内容：

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，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。

C元素关系到车轮钢的强韧性、耐磨性等，随着含C量的提高，强度、硬度提高，耐磨性提高，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0.57-0.67wt.％。

Si是钢中脱氧元素之一，具有显著的固溶强化和细化珠光体片层间距的作用，从而能显著提高车轮钢的强度和硬度；Si还能显著提高加热过程中奥氏体的开始形成温度。因此，在高硬度车轮钢中可以适当提高Si含量增加耐磨性和抗热损伤性能，但过量的Si，则对强度和韧性有不利影响，增加车轮踏面淬火时的马氏体层厚度。本发明钢的Si含量控制在0.75-1.00wt.wt.％。

Mn元素主要作用是作为固溶强化元素和相变强化元素。可以提高钢的淬透性，对提高车轮钢的强度有显著作用，但当Mn含量较高时，有明显的回火脆性现象，促进晶粒长大，对过热敏感增加，故本发明将Mn的含量控制在0.60-1.20wt.％。

P是杂质元素，故其含量应该控制在≤0.015wt.％。

S是易切削元素，主要以(Mn、Fe)S形式存在钢中，MnS夹杂物割断了基体的连续性和应力集中源作用而使车屑易断，润滑作用使刀具的磨损减小，可以减少刀具的损耗；但同时S含量过高时，形成的MnS夹杂物会超出标准要求(最大3.0级)，因而要合理控制S含量范围，故本发明将S含量控制在0.035-0.045wt.％。

Cr是钢中强碳化物形成元素，显著提高钢的淬透性，细化珠光体的片层间距，提高车轮钢的强度和硬度Cr使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性；但较高的Cr含量会提高钢的脆性转变温度，促进钢的回火脆性。因此，本发明将Cr的含量控制在0.25-0.30wt.％。

V是唯一一种既能在奥氏体-铁素体相间析出，又能在铁素体中弥散析出的微合金元素。V在合金钢中以碳、氮化物型式存在，具有阻止奥氏体晶粒粗化、细化铁素体晶粒、沉淀强化等作用，并且在回火时V对二次硬化有显著的促进作用。本发明将V的范围确定为0.04-0.09wt.％。

Al元素是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。本发明钢中的铝含量控制在0.010-0.020wt.％。

本发明的车轮钢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(连铸成φ380mm的圆坯)、切锭热轧工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。实施例1-3和对比例车轮钢的化学成分质量分数如图13所示，对比例为常规高碳车轮钢。

实施例1：

将化学成分如图13实施例1的所述的热成型和热处理工序为：将钢坯加热到1250-1300℃保温4-5小时，在9000吨轧机下轧制成直径为950mm的车轮，热成型结束后在1000-1050℃保温3.5小时，然后冷却至室温，再将车轮随炉升温至850-870℃保温2小时45分后，采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水冷却和强水压喷水冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至600℃左右后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为480±10℃，保温5小时，回火后空冷到室温。

如图1、4所示，本实施例制备的车轮轮辋内部金相组织与常规高碳钢车轮基本一致，均为珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如图14和图5所示，踏面异常组织深度如图15所示，MnS夹杂物形貌如图9所示，磨耗性能如图17所示。由图14可以看出本实施例的车轮轮辋抗拉强度略低于对比例常规高碳钢，但本实施例中轮辋屈服强度略高于对比例，本实施例中轮辋韧性较高。由图5和图8可知，本实施例轮辋硬度水平与对比例相当。由图15可知，本实施例异常组织深度明显小于对比例。由图9和图12可知，本实施例形成了不连续的短小的MnS夹杂。由图17可知，本实施例轮辋磨耗性能与对比例相当。

由此可见，实施例1具有与常规高碳钢车轮，韧性、强度和硬度水平提高，异常组织深度明显减少，磨耗性能相当，刀具加工利用率提高，发明取得了预期效果。

实施例2：

将化学成分如图13实施例2的所述的热成型工序与实施例1一致，热处理工序为：首先将车轮随炉升温至860-880℃保温3小时后，采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水冷却和强水压喷水冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至650℃左右后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为480±10℃，保温5小时，回火后空冷到室温。

如图2、4所示，本实施例制备的车轮轮辋内部金相组织与常规高碳钢车轮基本一致，均为珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如图14所示和图6所示，踏面异常组织深度如图15所示，MnS夹杂物形貌如图10所示。由图14可以看出本实施例和对比例常规高碳钢车轮轮辋抗拉强度相当，且本实施例中轮辋屈服强度和韧性结果略高于对比例。由图6和图8可知，本实施例轮辋硬度水平略高于对比例。由图15可知，本实施例异常组织深度略小于对比例。由图10和图12可知，本实施例形成了不连续的短小的MnS夹杂。由图17可知，本实施例轮辋磨耗性能优于对比例。

由此可见，实施例2具有与常规高碳钢车轮在强度、硬度和韧性水平基本相当，异常组织深度略微减少，磨耗性能提高，刀具加工利用率提高，发明取得了预期效果。

实施例3：

将化学成分如图13实施例3的所述的热成型工序与实施例1一致，热处理工序为：首先将车轮随炉升温至860-880℃保温3小时15分后，采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水冷却和强水压喷水冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至550℃左右后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为480±10℃，保温5小时，回火后空冷到室温。

如图3、4所示，本实施例制备的车轮轮辋内部金相组织与常规高碳钢车轮基本一致，均为珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如图14所示和图7所示，踏面异常组织深度如图15所示，MnS夹杂物形貌如图11所示。由图14可以看出本实施例的车轮轮辋抗拉强度与对比例常规高碳钢相当，但本实施例中轮辋屈服强度和韧性高于对比例。由图7和图8可知，本实施例轮辋硬度水平略高于对比例。由图15可知，本实施例异常组织深度小于对比例。由图11和图12可知，本实施例形成了不连续的短小的MnS夹杂。由图17可知，本实施例轮辋磨耗性能略优于对比例。

由此可见，实施例3具有与常规高碳钢车轮在强度和硬度水平基本相当的前提下，轮辋屈服强度和韧性明显提高，异常组织深度减少，磨耗性能略有提高，刀具加工利用率提高，发明取得了预期效果。

此外，本发明中的车轮钢和对比例车轮钢经切锭、加热轧制、热处理后加工成直径为920mm的同轮型车轮，据统计加工过程中刀具损耗情况如图16所示，由表中可以看出，本发明车轮钢车轮相较于对比例常规高碳钢车轮，在加工过程中刀具消耗减少。由此可见本发明车轮钢的易切削性提高，发明取得了预期效果。

综上所述，该高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，通过工艺和配方的改良，使得生产出的车轮相比传统货车车轮钢(国内CL65材质钢和国外的AAR-B材质车轮钢)，在碳含量水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度和硬度，机械性能指标可以达到甚至超过高碳车轮钢(国内CL70材质钢和国外的AAR-C材质车轮钢)的水平，从而有效提高了车轮抗磨损性能；通过采用缓慢冷却与快速冷却相结合的热处理新工艺，减少车轮轮辋异常组织(非珠光体-铁素体组织)深度，提高车辆运行品质及安全性，减少了车轮辋面设计余量，提高了车轮的成材率，节约生产成本；此外，提高车轮的易切削性，可以有效提高刀具的寿命和生产效率；

在化学成分上，采用以Si、Mn、Cr、V、Al为主的合金化设计，采用多元复合微合金化的思路，合理配比，充分发挥Si、Mn、Cr、V等元素在车轮钢中的作用，获得珠光体+铁素体的显微组织，使车轮钢具有高强度、高硬度等综合力学性能，具有良好的耐磨、抗接触疲劳等服役性能。车轮的强硬度水平提高后，车轮的加工难度必然增加，在确保其性能不受影响的前提下，引入易切削元素S，并合理控制其含量范围，可使车轮的切削难度降低。

本发明车轮引入合金元素，在碳含量水平基本相当的情况下，能够显著提高车轮轮辋强度和硬度，从而有效提高了车轮抗磨损性能；通过采用缓慢冷却与快速冷却相结合的热处理新工艺，减少车轮轮辋异常组织深度，提高车辆运行品质及安全性，同时减少了车轮辋面设计余量，提高了车轮的成材率，节约生产成本；此外，添加易切削元素，提高车轮的易切削性，提高了刀具的寿命和生产效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种高硬度易切削车轮钢及其车轮制备方法，其特征在于：原料化学成分重量百分比为：C 0.57-0.67wt.％、Si 0.75-1.00wt.％、Mn 0.60-1.20wt.％、P≤0.03wt.％、S0.035-0.045wt.％、Cr 0.25-0.30wt.％、V 0.04-0.09wt.％、Al 0.01-0.02wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，具体操作如下：

S1、进行电炉冶炼连铸工序；

S2、进行切锭轧制工序；

连铸圆坯切成一定长度的钢锭，在加热炉加入一定时间后，采用车轮轧机轧制成最大直径1250mm的车轮，其中，钢坯的加入温度设计如下：

根据奥氏体去内热力学平衡方程式，计算MnS的析出温度为1435℃，即在该温度下开始大量析出。当温度在1000-1300℃时，随着温度的增加，连续的长条状MnS碎化成不连续的短小的MnS夹杂。因此，热成型加热温度按1250-1300℃控制，当热成型结束后，确保其温度让在1000℃以上并保温2-8小时，形成不连续的短小的MnS夹杂物。

S3、进行热处理工序，具体操作如下：

S31、将车轮整体加热至完全奥氏体化，考虑到合金元素的影响，为加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度设计为850-880℃，加热2.5-3.5小时；

S32、采用踏面淬火、分段冷却的方式，将淬火加热后的车轮先后进行踏面弱水压喷水缓慢冷却和强水压喷水快速冷却，首先采用弱水压喷水冷却的方式，控制踏面的冷却速度为0.5-2.0℃/s,当踏面冷却至600-650℃区间后，再采用强水压喷水冷却的方式，控制踏面冷却速度为2-5℃/s，连续冷却至400℃以下后，随辊道进入回火加热炉进行回火处理，回火温度为460-500℃，保温4小时以上，回火后空冷到室温。该工序MnS的形态不发生变化，让保持为热成型后的特点。

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