CN113337782B

CN113337782B - 一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢及其生产车轮的热处理方法

Info

Publication number: CN113337782B
Application number: CN202110620425.2A
Authority: CN
Inventors: 庞晋龙; 陈刚; 肖峰; 张磊; 邓荣杰; 刘学华; 江波; 赵海; 万志健; 鲁松
Original assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2041-06-03
Also published as: CN113337782A

Abstract

本发明提供一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢及其生产车轮的热处理方法，成分C 0.62‑0.70％、Si 0.22‑0.65％、Mn 0.70‑1.00％、Cr 0.15‑0.40％、V 0.10‑0.15％、N 50‑150ppm、Als≤0.015％、P≤0.015％、S 0.005‑0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。热处理工艺为：车轮淬火加热+风冷+车轮轮辋淬火+回火工艺，本发明车轮获得优良的强韧性能，即强硬度保持高C的AAR‑C车轮水平，且断裂韧性、‑60℃低温冲击韧性明显提高，适用于独联体国家铁路重载运输。

Description

一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢及其生产车轮的热处理方法

技术领域

本发明属于铁路辗钢整体车轮的制造技术领域，尤其涉及一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢及其生产车轮的热处理方法，适用于高寒地区独联体国家的轴重≥25t、运行时速≤120km/h的铁路重载车辆用高强硬度、高韧性车轮钢。

背景技术

近年来世界铁路重载货运得到迅猛发展，独联体国家越来越重视重载铁路发展，各国都在加大重载铁路发展投资，其中俄罗斯将投资3万亿卢布(约400亿美元)用于铁路基础设施建设，并大幅升级其国家的铁路运输系统，发展重载铁路运输，随着重载运输不断增加，其重载车轮需求量极大；并且哈萨克斯坦也面临铁路货运车轮更换，为了提高车轮使用寿命，降低车轮服役缺陷，也在重点发展、应用25t轴重以上的重载车轮。

独联体各国家铁路车辆用车轮执行标准为GOST 10791-2011《整体辗钢车轮技术规范》，根据运行时速、轴重、车辆用途，挑选不同材质、不同制造精度的车轮。目前，铁路货运普遍采用23.5t轴重的2号钢车轮，类似于我国TB/T2817-2018铁路货车轮标准中CL60车轮。众所周知，重载货运车辆的特点是运行速度不高，但轴重大，车轮所承受的机械、热负荷明显高于常规货运车轮，服役条件极为苛刻，成为影响重载铁路车辆安全可靠性的关键部件之一。因此2号钢车轮已不适应25t轴重以上铁路重载运输，并且独联体国家幅员辽阔，且地理位置偏北，绝大部分属亚寒带大陆性气候，冬季漫长而严寒，车轮常年在较低环境下运行，对车轮低温性能及稳定性要求较高；此次重载车轮要求-60℃低温冲击aku2≥15J/cm²；为了提高此重载车轮的耐磨性和服役寿命，必须具有高强硬度(断面硬度≥320HB)；并且为保证车轮的安全性及抗裂纹扩展能力，明确提出高断裂韧性要求(≥50MPa·m^1/2)，以提高车轮抗裂纹扩展能力。即在确保车轮满足GOST 10791-2011标准的前提下，可安全服役于独联体重载铁路。而常规轴重车轮磨耗严重，剥离擦伤故障多发，因此重载车轮材质及工艺必须改进。

世界各国重载货运车轮普遍采用高碳钢，例如美国、巴西、澳洲、加拿大等欧美国家都采用AAR M-107/M-208标准AAR-C车轮(C：0.67-0.77％),我国大秦重载车辆用车轮CL70车轮(C：0.67-0.77％)，在生产制造中AAR-C、CL70等重载车轮的C含量都在控制0.70％以上，以保证车轮高强硬度，满足重载车轮耐磨性要求，但都对车轮断裂韧性和-60℃低温冲击韧性无要求。但高碳钢车轮的高强硬度势必导致车轮韧性指标急剧下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢，是一种可适用于高寒地区独联体国家的重载T材质车轮钢，相比于GOST 10791标准中常规轴重的2号车轮钢，本发明制备新材质重载车轮，机械综合性能优良，强硬度大幅提高，采用中碳低硅设计方案，配合微合金元素设计，一方面可达到高碳材质车轮的强硬度水平，以保证车轮高耐磨性及服役寿命；另一方面断裂韧性和-60℃低温冲击韧性安全冗余更大，以保证车轮抗裂纹扩展能力和低温性能。

本发明另一目的在于提供一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产车轮的热处理方法，根据车轮钢成分设计，充分发挥重载车轮钢高Cr高V高N性能，生产的车轮可适用于独联体国家的高寒、重载铁路工况下的重载车轮，保证车轮高耐磨性、使用寿命和服役安全。

本发明具体技术方案如下：

一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢，包括以下质量百分比成分：

C 0.62-0.70％、Si 0.22-0.65％、Mn 0.70-1.00％、Cr 0.15-0.40％、V 0.10-0.15％、N 50-150ppm、Als≤0.015％、P≤0.015％、S 0.005-0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

发明的车轮用钢具有铁素体-珠光体组织，且本发明车轮轮辋金相组织中铁素体含量达到3％以上，车轮轮辋晶粒度≥8级，并要求成品车轮踏面无任何其他异常组织；本发明提供的车轮在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性。

本发明元素设计原理如下：

C是车轮钢中最重要的成分元素，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，但其含量过高又将显著降低车轮的韧性和抗冷热疲劳性能，非常不利于满足车轮高韧性指标，因此本发明打破重载车轮高碳钢设计理论，采用一种中碳设计方案，将C的范围确定为0.62-0.70％。

Si是车轮钢中重要强化元素，作为置换原子发挥固溶强化作用。Si在提高钢强度的同时，还提高其淬透性和耐磨性，但Si含量的增加会提高材料的热敏感性和脆性，也不利于提高车轮韧性，因此本发明采用低Si方案，将Si的范围确定为0.22-0.65％。

Mn是车轮钢中重要强化元素，一般大部分作为置换原子发挥固溶强化作用，少量形成碳化物。Mn在提高钢强度的同时，还具有细化晶粒减小珠光体片层间距，有利于提高韧性，另增加Mn含量还具有提高车轮钢淬透性的作用，但同时也增加了钢的过热敏感性和回火脆性倾向，故Mn含量控制在0.70-1.00％。

为获得高强硬度性能和高韧性的综合性能，必须实施复合合金化设计。因此，本发明对车轮钢中的Cr、V、N含量进行了关键设计，以起到复合合金化作用。

Cr是次要的固溶强化元素，一般一部分作为置换原子发挥固溶强化作用，一部分形成碳化物。增加Cr不仅能增加钢的淬透性，而且能在提高硬度和耐磨性性的同时不使钢变脆，还能提高钢的高温机械性能；加Cr使车轮钢的珠光体组织产生细化效果而又均分布，片层间距减小，这对于提高车轮材料的强韧配合是非常有利的。但过高Cr含量则反而导致塑韧性降低，不利于车轮钢珠光体组织控制，使得异常组织加深，因此本发明将Cr含量控制在0.15-0.40％。

V是强碳氮化物形成元素，主要以固溶和V(CN)析出两种形式存在，起细化奥氏体晶粒、珠光体团与珠光体片层间距和沉淀强化的作用，有利于提高强韧性。车轮钢在连续冷却条件下，随V含量增多，珠光体平均转变温度降低，CCT曲线向右下方移动，片层细化，珠光体组织的强度和硬度升高。V在钢中N含量较大的情况下，可起到细化晶粒的作用，增N促进了V(CN)在奥氏体/素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。同时通过细化晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，能够达到良好的强度、韧性配合。长期以来，国内外认为V含量超0.10％后，对细化珠光体片层间距的作用不显著，对车轮强韧性无明显影响。本发明经过大量探索发现：V含量超过0.10wt％以后，结合合理的热处理工艺制度，可进一步发挥V含量在车轮钢中的强化作用，使得细化晶粒、珠光体团与珠光体片层间距和沉淀强化的作用增强，并VC或VN在铁素体中析出，从而通过析出强化进一步提高车轮的强韧性。因此本发明采用高V方案，将V的范围确定为0.10-0.15％。

N是含V合金钢中的一个十分有效的合金元素，钢中增N可有效促进了V与N析出，从而更好地发挥了V的析出强化与细晶强化效果。因此本发明将N的范围确定为50-150ppm。

Als在车轮钢中以AlN的形式存在，细小弥散分布的AlN可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，但Als的增加会导致AlN长大，不仅不能有效发挥改善塑韧性的作用，反而会导致塑韧性降低；并且Al含量过高，则会导致车轮脆性夹杂物含量增大，导致车轮辋裂失效的风险增加，因此本发明Als的含量不超过0.015％。

采用硫化锰包裹，车轮内形成大量细小硫化锰夹杂，利用硫化锰微小孔洞的止裂作用，防止裂纹扩展，提高车轮断裂韧性，提高车轮运行的安全性。为了更好地形成硫化锰及发挥硫化锰包裹作用，故S含量控制在0.005-0.015％。通过硫化锰包裹工艺，可以减少钢中Al₂O₃数量、细化氧化夹杂物尺寸，实现对钢中硬相夹杂的MnS包裹，减少车轮起裂源头并利用大量弥散的硫化锰的孔洞作用止裂，延缓裂纹扩展。

P是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。

将本发明提供的车轮钢按照常规车轮钢炼钢工艺进行冶炼、轧制、缓冷后，进行热处理。

本发明提供的上述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮的热处理方法，包括以下步骤：

1)车轮淬火加热；

2)车轮轮辋淬火；

3)回火。

步骤1)中所述车轮淬火加热是指将车轮随炉升温至860-900℃保温2.5-4.0小时。

或，步骤1)车轮淬火加热至860-900℃保温2.5-4.0小时后，出炉单件摊开，将整件车轮风冷至室温，然后再次将车轮放置淬火加热炉中，升温至860-900℃保温2.5-4.0小时，再进行步骤2)。

步骤2)中所述车轮轮辋淬火是指轮辋踏面喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下。

步骤3)中所述回火是指整体车轮在460-490℃回火处理4.0-6.0小时。

回火后出炉空冷至室温。

本发明从车轮钢成分设计和车轮热处理工艺两方面开展了相关研究工作，提供了一种适用于重载铁路车辆用新材质成分设计，并发明了与之相应的车轮热处理制度，使得新材质重载车轮获得优良的强韧性能，即强硬度保持高C的AAR-C车轮水平，且断裂韧性、-60℃低温冲击韧性明显提高，从而开发出一种适用于独联体国家铁路重载运输所需的重载车轮，并保证车轮的耐磨性、抗低温冲击韧性及抗裂纹扩展能力。本发明提供的车轮为重载车轮，具有高的强硬度的同时；还具有非常高的断裂韧性，具有非常优良的抗低温性能，主要表现在-60℃低温冲击。

本发明所述的重载车轮不仅要求断面硬度达到320HB以上，同时断裂韧性要求达到2号钢水平(C：0.55-0.63％，断面硬度≥255HB)，即与2号钢车轮相比较，在硬度提高65HB的同时，断裂韧性要求一致，不低于50MPa·m^1/2。

本发明提供的重载铁路车轮轮辋拉伸性能：R_eH≥720Mpa,R_m≥1080Mpa,A≥13％，Z≥39％；踏面下30mm处硬度≥320HB；外硬大于等于330HB；轮辋断裂韧性Kq≥55MPa·m^1/2；辐板-60℃低温冲击值≥55J/cm²。

本发明提供的独联体重载铁路车轮同时满足高硬度、高断裂韧性及高的低温冲击韧性，本发明重载车轮实物质量在高强硬度的基础上，大幅提高车轮断裂韧性及辐板的低温冲击韧性，从而确保车轮在高寒地区、重载工况下的服役安全性。这对独联体国家的重载车轮产品开发带来极大难度，目前国内外未见任何报道。

本发明制备的重载车轮，与常规23.5t轴重的2号钢车轮相比，在断裂韧性不降低前提下，车轮强硬度大幅提高，以保证重载车轮高耐磨性和延长使用寿命要求；较AAR-C高碳钢车轮相比，在强度、硬度基本不变的前提下，断裂韧性大幅提高，从而获得了更良好的强韧性匹配的综合力学性能，并保持了优良的-60℃低温冲击性能，可使得重载车轮适应高寒、低温气候，从而满足独联体国家的重载铁路运输需求。

附图说明

图1实施例1轮辋组织；

图2实施例2轮辋组织；

图3实施例3轮辋组织；

图4实施例4轮辋组织；

图5对比例1轮辋组织；

图6对比例2轮辋组织；

图7为实施例1热处理后轮辋组织硫化锰包裹情况；图中A代表脆性夹杂物，B代表MnS；

图8为实施例2热处理后轮辋组织硫化锰包裹情况，图中A代表脆性夹杂物，B代表MnS。

具体实施方式

下面结合图1-图6及实施例1-4、对比例1-2对本发明做详细的说明。

实施例1-实施例4

一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

对比例1-对比例2

一种车轮钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明还列出了2号钢和AAR-C的成分范围作为对比。

表1各实施例和对比例车轮钢的化学成分(质量百分比％)

上述各实施例和对比例车轮钢的生产，均采用电炉冶炼经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、热处理后形成直径为957mm的车轮。上述各实施例和对比例车轮钢生产的车轮热处理方法具体如下：

实施例1所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

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、切锭热轧工序、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890℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时，然后出炉空冷至室温。

如图1、5和6所示，本实施例1制备的车轮轮辋金相组织与2号钢、AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例，铁素体含量可达到3.2％，且晶粒度达到8.5级。本实施例车轮机械性能如表2、表3和表4所示，由表2可以看出实施例1和2号钢、AAR-C钢车轮相比，实施例1，在中碳低Si合金方案下，通过高Cr高V高N合金化设计，及相应的热处理工艺制度，其轮辋强度、硬度已达到高碳车轮水平，但其断裂韧性、低温冲击韧性明显高于AAR-C，保持了中碳的2号钢车轮水平。

由此可见，实施例1具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，低温冲击韧性和断裂韧性明显提高，达到常规轴重的2号钢车轮水平。

实施例2所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

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、切锭热轧工序、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890℃保温3.0小时后，出炉单件摊开，将整件车轮风冷至室温；将车轮随炉升温至880℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时，然后出炉空冷至室温。

如图2、5和6所示，本实施例2制备的车轮轮辋金相组织与2号钢、AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例，其铁素体含量达到3.8％，晶粒度达到9级，且车轮轮辋各部位的组织及晶粒度更加均匀、细化，非常有利于车轮的韧性指标。本实施例车轮机械性能如表2、表3和表4所示，由表2可以看出实施例2和2号钢、AAR-C钢车轮相比，实施例2在中碳低Si方案下，通过高Cr高V高N合金化设计，及相应的热处理工艺制度，其轮辋强度、硬度已达到高碳车轮水平，但其断裂韧性、低温冲击韧性明显高于AAR-C，保持了中碳的2号钢车轮水平。

由此可见，实施例2具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，低温冲击韧性和断裂韧性明显提高，达到常规轴重的2号钢车轮水平。

实施例3所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

将化学成分如表1实施例3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、切锭热轧工序、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870℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时。

如图3、5和6所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与2号钢、AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例，其铁素体含量达到3.5％，晶粒度达到8.5级。本实施例车轮机械性能如表2、表3和表4所示，由表2可以看出实施例3和2号钢、AAR-B钢车轮相比，实施例3，在中碳中Si情况下，通过高Cr高V高N合金化设计，及相应的热处理工艺制度，其轮辋强度、硬度已达到高碳车轮水平，但其断裂韧性、低温冲击韧性明显高于AAR-C，保持了中碳的2号钢车轮水平。

由此可见，实施例3具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，低温冲击韧性和断裂韧性明显提高，达到常规轴重的2号钢车轮水平，其发明取得了预期效果。

实施例4所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

将化学成分如表1实施例4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、切锭热轧工序、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870℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时。

如图4、5和6所示，本实施例4制备的车轮轮辋金相组织与2号钢、AAR-C钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例，其铁素体含量达到4.0％，晶粒度达到9级。且车轮轮辋各部位的组织及晶粒度更加均匀、细化，非常有利于车轮的韧性指标。本实施例车轮机械性能如表2、表3和表4所示，由表2可以看出实施例4和2号钢、AAR-B钢车轮相比，实施例4，在中碳情况下，通过高Cr高V高N合金化设计，及相应的热处理工艺制度，其轮辋强度、硬度已达到高碳车轮水平，但其断裂韧性、低温冲击韧性明显高于AAR-C，保持了中碳的2号钢车轮水平。

由此可见，实施例4具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，低温冲击韧性和断裂韧性明显提高，达到常规轴重的2号钢车轮水平，其发明取得了预期效果。

对比例1所述车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

将化学成分如表1对比例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、切锭热轧工序、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3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在470℃回火处理5.0小时，然后出炉空冷至室温。

对比例2所述车轮钢生产的车轮热处理方法，具体如下：

将化学成分如表1对比例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、切锭热轧工序、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870℃保温3.0小时后，然后轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下，最后在490℃回火处理5.0小时，然后出炉空冷至室温。

表2各实施例、对比例生产的车轮轮辋常规机械性能

表3各实施例、对比例生产的车轮轮辋断裂韧性性能

表4各实施例、对比例生产的车轮辐板低温冲击性能

综上所述，根据本发明的车轮钢成分设计及相应的热处理工艺制定下，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4具有与AAR-C钢车轮在强度、硬度相当的前提下，其-60℃低温冲击韧性和断裂韧性显著提高，可达到常规23.5t轴重的2号钢车轮标准，根据本发明制备的重载车轮具有优良的综合强韧性及可靠服役性能，可安全服役于独联体各国家铁路重载运输线路上。

Claims

1.一种适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢生产的车轮的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：

1）车轮淬火加热；

2）车轮轮辋淬火；

3）回火；

步骤1）车轮淬火加热至870-900℃保温2.5-4.0小时后，出炉单件摊开，将整件车轮风冷至室温，然后再次将车轮放置淬火加热炉中，升温至860-900℃保温2.5-4.0小时；

步骤2）中所述车轮轮辋淬火是指轮辋踏面喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到500℃以下；

步骤3）中所述回火是指整体车轮在460-490℃回火处理4.0-6.0小时；

所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢，包括以下质量百分比成分：

C 0.62-0.66%、Si 0.22-0.29%、Mn 0.82-1.00%、Cr 0.15-0.40%、V 0.10-0.15%、N 50-150ppm、Als ≤0.015%、P ≤0.015%、S 0.005-0.015%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述适用于高寒地区高强韧性重载车轮钢具有铁素体-珠光体组织，且生产的车轮轮辋金相组织中铁素体含量达到3%以上，车轮轮辋晶粒度≥8级；

所生产的车轮辐板-60℃低温冲击值≥55 J/cm²。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，回火后出炉空冷至室温。

3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其特征在于，所生产的车轮轮辋金相组织为细珠光体＋少量铁素体，铁素体含量达到3%以上，车轮晶粒度≥8级。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所生产的车轮，轮辋拉伸性能：R_eH≥720Mpa, R_m≥1080Mpa, A≥13%，Z≥39%；踏面下30mm处硬度≥320HB；外硬≥330HB；轮辋断裂韧性Kq≥55MPa·m^1/2；辐板-60℃低温冲击值≥55 J/cm²。