CN112322979A

CN112322979A - 一种地铁车轮用钢及车轮生产方法

Info

Publication number: CN112322979A
Application number: CN202011223060.1A
Authority: CN
Inventors: 国新春; 陈刚; 肖峰; 张磊; 邓荣杰; 宁珅; 程德利; 王健; 王志刚; 吴争
Original assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-11-05
Also published as: CN112322979B

Abstract

本发明提供了一种地铁车轮用钢及车轮生产方法，成分：C 0.60‑0.64％、Si 0.20‑0.37％、Mn 0.60‑0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.10‑0.15％、Ni 0.10‑0.20％、Al 0.01‑0.03％、V0.05‑0.15％、N 50‑90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明通过优化设计元素的用量比及控制电炉炼钢、毛坯热成形节奏和热处理，提高车轮性能。相比传统CL60车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度、韧性，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆、剥离发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

Description

一种地铁车轮用钢及车轮生产方法

技术领域

本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体涉及一种地铁车轮用钢及车轮生产方法。

背景技术

世界各地地铁车轮用钢以EN13262标准中的ER8、ER9材质为主，但近几年地铁公司反映车轮踏面磨耗较大，影响车轮使用寿命，因此，我国个别城市地铁采用硬度更高的CL60材质，以提高车轮的耐磨性，进而提高车轮的使用寿命。通过调研发现CL60材质地铁车轮也有失圆严重、剥离频发等问题。主要原因是地铁车辆运行时制动频繁，致使轮轨间的接触应力变化大，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。同时车轮的磨损几率也同时增大，就会产生车轮的多边形。

从地铁车轮发生多边形、剥离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。

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。

因此，结合我国地铁车轮特点，在CL60车轮钢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地铁车轮产品意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地铁车轮用钢，相比传统CL60车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度、韧性，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆、剥离发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

本发明另一目的在于提供一种车轮生产方法，利用上述地铁车轮用钢生产，控制熔炼、热处理方法等，生产的车轮有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆、剥离发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

本发明具体技术方案如下：

一种地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：

C 0.60-0.64％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr0.10-0.15％、Ni 0.10-0.20％、Al 0.01-0.03％、V0.05-0.15％、N 50-90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选的，所述地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：C 0.60-0.64％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.10-0.15％、Ni 0.10-0.20％、Al0.01-0.015％，V 0.10-0.15％，N 50-70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该种匹配主要发挥VC、V(C，N)的细晶强化和沉淀强化的作用；

优选的，所述地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：C 0.60-0.64％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.10-0.15％、Ni 0.10-0.20％、Al0.015-0.030％，V 0.05-0.10％，N 70-90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该种匹配主要发挥VN、VN的晶粒细化和VC的沉淀强化的作用。

各元素设计原理为：

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CL60车轮韧性不降低，C的范围确定为0.60-0.64％之间，为通过合金化改善性能创造基础条件。

Si元素：提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料抗热损伤性能，但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此Si的含量控制在0.20-0.37％之间。

Mn元素：Mn是本发明中重要的固溶强化元素，有很明显的固溶强化效果，在常温下Mn能在铁素体中形成固溶体，在临界退火区会向奥氏体中扩散，使得Mn和C同时在奥氏体中富集和均匀化，不仅提高了奥氏体在随后冷却过程中的稳定性，有利于珠光体的形成，还能够有效提高车轮强度硬度性能，但过高的Mn对车轮的综合机械性能和加工性能有不良影响，故Mn的含量控制在0.60％～0.80％之间。

Cr元素：Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高车轮强硬度性能，从而提高车轮的耐磨性能，但Cr含量增至0.3％以上，将带来淬透性和韧塑性等一系列问题，故Cr的含量应该控制在0.10％～0.15％。

Ni元素：Ni的主要作用是提高钢材的淬透性、韧性，增加珠光体含量，细化晶粒，同时对铁素体有较好的强化作用。Ni和Cr的相互配合使用对提高材料的淬透性作用极强，可以提高车轮轮辋内部组织的强硬性，使得车轮近踏面具有与轮辋内部相类似的组织。但Ni含量超0.20％，钢坯的氧化铁皮不易清除，故Ni的含量控制在0.10％～0.20％。

Al、V、N元素：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，三者的控制含量为Al0.01-0.03％、V 0.05-0.15％、N 50-90ppm，匹配关系如下：Al 0.010-0.015％，V0.10-0.15％，N 70-90ppm，该种匹配主要发挥VC、V(C，N)的细晶强化和沉淀强化的作用；

或，Al 0.015-0.030％，V 0.05-0.10％，N 50-70ppm，该种匹配主要发挥VN、VN的晶粒细化和VC的沉淀强化的作用。

本发明还提供一种车轮生产方法，利用上述地铁车轮用钢生产，所述生产方法包括以下工艺流程：电炉冶炼工序和热处理工序。

所述电炉炼钢工序是指：将原料加入电炉中进行熔炼，当钢水温度到达1650℃以上，且钢水为了保证脱氧效果和生产经济性，C元素含量达到0.09％～0.30％，P元素含量≤0.008％后即可出钢；

进一步的，在出钢过程中全程开底吹氩强搅，氩气的流量≥30Nm³/h。

在生产过程中，控制车轮毛坯热成形节奏，保证热成形前的车轮毛坯表面温度≥1000℃，保证热成形后的车轮毛坯表面温度≥870℃。

所述的热处理工序为：首先在840-860℃保温2.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却，最后在480-510℃回火处理4.0-5.0小时。

进一步的，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以1℃/s-4℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下。

本发明通过优化设计元素的用量比及控制电炉炼钢、毛坯热成形节奏和热处理，保证提高车轮性能。所述电炉炼钢工序是指：将原料加入电炉中进行熔炼，当钢水温度到达1650℃以上，且钢水为了保证脱氧效果和生产经济性，C元素含量达到0.09％～0.30％，P元素含量≤0.008％后即可出钢；

所述的热处理工序为：首先在840-860℃保温2.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却(使轮辋内部金属以1℃/s-4℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下)，最后在480-510℃回火处理4.0-5.0小时。相比传统CL60车轮钢，在轮辋韧性水平基本相当的前提下，能够显著提高车轮轮辋强度、韧性，从而有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆、剥离发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

附图说明

图1为实施例1车轮组织；

图2为对比例1钢按照实施例1热处理车轮组织；

图3为对比例2钢按照实施例1热处理车轮组织；

图4为实施例2车轮组织；

图5为对比例1钢按照实施例2热处理车轮组织；

图6为对比例2钢按照实施例2热处理车轮组织；

图7为实施例3车轮组织；

图8为对比例1钢按照实施例3热处理车轮组织；

图9为对比例2钢按照实施例3热处理车轮组织。

具体实施方式

下面结合附图及实施例1-4对本发明做详细的说明。

实施例1-实施例3

一种地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：如表1所示，表1中没有列出的余量为Fe和不可避免的杂质。

对比例1-对比例2

一种地铁车轮用CL60钢，包括以下质量百分比元素：如表1所示，表1中没有列出的余量为Fe和不可避免的杂质。对比例1和对比例2均是CL60成分要求。

表1实施例1-3及对比例1-2所采用的车轮的成分

分别利用实施例1-实施例3和对比例1-对比例2所述的地铁车轮用钢生产车轮，生产方法均包括以下工艺流程：电炉冶炼工序、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、机加工工序、成品检测工序。

具体为：采用100吨超高功率电弧炉冶炼，当钢水温度到达1650℃以上，且钢水为了保证脱氧效果和生产经济性，C元素含量达到0.09％～0.30％，P元素含量≤0.008％后即可出钢，在出钢过程中全程开底吹氩强搅，氩气的流量≥30Nm³/h。经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成φ380mm的圆坯，圆坯连铸工序、切锭轧制工序、热处理后形成直径为840mm的车轮。控制车轮毛坯热成形节奏，保证热成形前的车轮毛坯表面温度≥1000℃，保证热成形后的车轮毛坯表面温度≥870℃。

实施例1-实施例3地铁车轮用钢生产车轮的方法，区别在于各实施例钢热处理工艺不同。

实施例1地铁车轮用钢生产车轮，热处理工序为：首先在850℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以1℃/s-4℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下，最后在500℃回火处理4.5小时,对比例1和对比例2采用同样的热处理工艺。本实施例制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体(见图1-图3)，实施例1组织为珠光体+铁素体2.4％；对比例1组织为珠光体+铁素体6.7％、对比例2组织为珠光体+铁素体5.9％。

对比例1和对比例2成分的钢按照实施例1上述热处理方法处理。

本实施例车轮机械性能如表2所示，其韧性、强度和硬度比对比例1、对比例2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对比例1、对比例2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)，结果如表3、表4所示。本发明车轮的磨耗失重量比对比例1、对比例2车轮明显降低，实施例车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于对比例1、对比例2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对比例1、对比例2车轮，这表明本实施例车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于对比例1、对比例2车轮。

实施例2地铁车轮用钢生产车轮，热处理工序为：首先在842℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以1℃/s-4℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时，对比例1和对比例2采用同样的热处理工艺。

对比例1和对比例2成分的钢按照实施例2上述热处理方法处理。本实施例2制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，见图4-图6。实施例2组织为珠光体+铁素体2.9％；对比例1组织为珠光体+铁素体5.3％、对比例2组织为珠光体+铁素体6.1％。

本实施例车轮机械性能如表2所示，其韧性、强度和硬度比对比例1、对比例2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对比例1、对比例2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)，结果如表3、表4所示。本发明车轮的磨耗失重量比对比例1、对比例2车轮明显降低，实施例车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小对比例1、对比例2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对比例1、对比例2车轮，这表明本实施例车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于对比例1、对比例2车轮。

实施例3地铁车轮用钢生产车轮，热处理工序为：首先在860℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以1℃/s-2℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下，最后在510℃回火处理5.0小时，对比例1和对比例2采用同样的热处理工艺。。

对比例1和对比例2成分的钢按照实施例3上述热处理方法处理。本实施例3制备的车轮轮辋为珠光体+铁素体，见图7-图9。实施例2组织为珠光体+铁素体2.5％；对比例1组织为珠光体+铁素体4.9％、对比例2组织为珠光体+铁素体5.2％。

本实施例车轮机械性能如表2所示，其韧性、强度和硬度比对比例1、对比例2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对比例1、对比例2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)，结果如表3、表4所示。本发明车轮的磨耗失重量比对比例1、对比例2车轮明显降低，实施例车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于对比例1、对比例2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对比例1、对比例2车轮，这表明本实施例车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于对比例1、对比例2车轮轮。

表2实施例1-3和对比例1-2轮辋性能

表3实施例1-3和对比例1-2车轮磨损性能对比

表4实施例1-3和对比例1-2车轮接触疲劳性能对比

而不能发明生产的车轮能够显著提高车轮轮辋强度、韧性，有效提高了抗滚动接触疲劳性能，降低失圆、剥离发生的概率，提高车辆运行品质及安全性。

Claims

1.一种地铁车轮用钢，其特征在于，所述地铁车轮用钢包括以下质量百分比元素：

2.根据权利要求1所述的地铁车轮用钢，其特征在于，所述地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：C 0.60-0.64％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.10-0.15％、Ni 0.10-0.20％、Al 0.01-0.015％，V 0.10-0.15％，N 50-70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的地铁车轮用钢，其特征在于，所述地铁车轮用钢，包括以下质量百分比元素：C 0.60-0.64％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.60-0.80％、P≤0.015％、S≤0.015％、Cr 0.10-0.15％、Ni 0.10-0.20％、Al 0.015-0.030％，V 0.05-0.10％，N 70-90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

4.一种车轮生产方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述地铁车轮用钢生产车轮，所述车轮生产方法包括电炉冶炼工序和热处理工序。

5.根据权利要求4所述的车轮生产方法，其特征在于，所述电炉炼钢工序：将原料加入电炉中进行熔炼，当钢水温度到达1650℃以上，且钢水为了保证脱氧效果和生产经济性，C元素含量达到0.09％～0.30％，P元素含量≤0.008％后即可出钢。

6.根据权利要求5所述的车轮生产方法，其特征在于，在出钢过程中全程开底吹氩强搅，氩气的流量≥30Nm³/h。

7.根据权利要求4所述的车轮生产方法，其特征在于，在生产过程中，控制车轮毛坯热成形节奏，保证热成形前的车轮毛坯表面温度≥1000℃，保证热成形后的车轮毛坯表面温度≥870℃。

8.根据权利要求4所述的车轮生产方法，其特征在于，所述的热处理工序为：首先在840-860℃保温2.0-3.5小时后，轮辋喷水冷却，最后在480-510℃回火处理4.0-5.0小时。