CN113667901A - 一种机车车轮用材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于机车领域，公开了一种机车车轮用材料。该材料包括如下质量百分比含量的微合金组分：C:0.57‑0.70；Mn：0.50‑1.10；Ni≤0.40；Ti≤0.06；V≤0.06；Cr≤0.30。与目前我国使用较多的ER8、ER9材料相比，本发明机车车轮用材料具有较高的屈服强度、抗拉强度和塑性变形抗力以及抵抗滚动接触疲劳性能，在相同条件下轮辋的硬度提高到了265HBW以上，此外，本发明将微合金元素Nb、Ti加入钢中，并结合微合金元素V的使用，一方面可在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，另一方面可通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，发挥Nb、V、Ti的沉淀强化作用，从而提高材料的裂纹萌生抗力、延缓裂纹扩展，促进全寿命周期的服役稳定性，延长使用寿命和运营里程。

Description

一种机车车轮用材料

技术领域

本发明属于机车领域，具体涉及一种机车车轮用材料。

背景技术

铁路机车是客货运列车牵引单元，是决定铁路运能与运效、保障国民经济大动脉安全高效运行的关键装备。机车车轮起传递牵引动力作用，是机车关键零部件之一，也是机车中服役条件最为苛刻及关系列车运行安全的重要构件。我国机车车轮运用工况相对于车辆存在高牵引、轴重大的特点，表现为高滑差、高剪切应力和制动牵引过程中热-机械载荷。近年来，随着提速重载的发展，机车车轮不同程度的出现踏面损伤、踏面磨损和不均匀磨耗等问题，车轮踏面损伤直接影响铁路机车的运用安全、品质和运转率，造成镟修维护频次的显著增多而提高了车轮维护成本，车轮使用寿命的明显缩短而提高了运营成本。

目前我国在役的机车车轮材料有J1、J2、J3、J11、J12、ER7、ER8、ER9等国内外牌号，机车车轮材料牌号繁多，服役表现各异，未充分考虑车轮材料性能和特点与装用机车型号以及服役线路的适应性，导致车轮整体服役性能不佳，增加了机车运用成本。因此，急需对机车车轮开展新材料长寿命化技术研究，进一步提高机车车轮材料的适应能力及服役可靠性，实现延长车轮的服役寿命，节省机车的整体成本支出。

发明内容

针对目前机车车轮材料服役性能不佳、成本高的问题，本发明提供了一种机车车轮用材料。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明提供一种机车车轮用材料，包括如下质量百分比含量的微合金组分：C:0.57-0.70；Mn：0.50-1.10；Ni≤0.40；Ti≤0.06；V≤0.06；Cr≤0.30；所述机车车轮用材料的低周疲劳强度为520-550MPa。

进一步，所述机车车轮用材料，具体包括以下质量百分比含量的微合金组分：C:0.57-0.67；S≤0.015；P≤0.02；Mn：0.60-0.90；Cr≤0.25；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Cu≤0.25；Si：0.15-1.00；V≤0.04；Al≤0.06；Nb≤0.05；Ti≤0.03。

本发明还提供一种机车车轮用材料的生产方法，包括以下步骤：

步骤1，使用电炉将废钢冶炼成钢水，控制钢水的温度为1600℃-1660℃，同时调节微合金组分C、P、Si、Mn含量，使其质量百分比含量满足：C:0.57-0.67；P≤0.02；Si：0.15-1.00；Mn：0.60-0.90；

步骤2，通过LF炉对步骤1的钢水进行钢包精炼，具体为，利用LF炉通过精炼渣进行深脱硫、深脱氧、去夹杂，使S元素的质量百分比含量≤0.015，非金属夹杂物含量控制在下表要求的范围内；脱氧、脱硫结束后，对各微合金组分进行微调，确保各微合金组分的质量百分比含量满足如下范围：C:0.57-0.67；S≤0.015；P≤0.02；Mn：0.60-0.90；Cr≤0.25；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Cu≤0.25；Si：0.15-1.00；V≤0.04；Al≤0.06；Nb≤0.05；Ti≤0.03；最后确保钢水温度在1630℃-1650℃；

步骤3，使用VD-VOD炉对步骤2的钢水进行真空去气，使步骤2钢水中气体含量满足N₂≤70ppm，O₂≤20ppm，H₂≤2.0ppm；同时进一步均匀钢水的成分和温度；

步骤4，对步骤3钢水中各组分含量进行检测，检测合格后进行钢锭浇铸，钢液浇铸速度3.5～4.5t/min，从模具底部进行浇铸，浇铸成型后切割获得钢坯，将钢坯锻压成型、碾轧、热处理；以3.5～4.5t/min的速度从模具底部进行浇铸，可以确保浇铸前后钢水的温度波动最小，从而获得稳定和均匀的铸锭；浇铸速度过快，使钢液对浇铸系统的耐火材料的冲刷严重而污染钢液，导致钢中氧含量增加。浇铸速度太慢，使浇铸时间延长，导致钢液二次氧化程度增加，不利于控制钢中氧含量。锻压成型的钢坯进行碾轧可将粗大晶粒压碎，保证较高的锻比，让机车车轮用材料获得更高的力学性能，提升车轮的全尺寸疲劳极限，保证车轮在运用中的安全；

步骤5，对步骤4热处理后的材料进行性能检测合格后，即获得所述机车车轮用材料。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、由于Nb在钢中具有最强的晶粒细化强化效果，V在钢中具有最强的沉淀强化效果，Ti则介于Nb和V两者之间。本发明机车车轮用材料与目前我国使用较多的ER8、ER9材料相比，增加了微合金组分Nb、Ti的使用，并相应减少了微合金V的使用量，一方面可在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，另一方面可通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，发挥Nb、V、Ti的沉淀强化作用，从而提高材料的裂纹萌生抗力、延缓裂纹扩展，最终改善车轮材料的抗剥离性能。

2、本发明机车车轮用材料与目前我国使用较多的ER8、ER9材料相比，具有较高的屈服强度、抗拉强度、抵抗滚动接触疲劳性能以及塑性变形抗力，轮辋的硬度提高到了265HBW以上，从而可以使车轮的耐磨耗性能、多边形问题以及抗滚动接触疲劳强度得到提升，促进全寿命周期的服役稳定性，延长使用寿命和运营里程。

附图说明

图1为本发明钢锭浇铸采用的铸模示意图。

图2为本发明碾轧工序采用的13轴数控设备示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

实施例

机车车轮用材料的制备：

步骤1，以废钢为原料，在50吨超高功率电弧炉中进行熔炼，控制钢水温度为1600℃，控制C、P、Si、Mn等元素含量在表1所要求的范围内；

步骤2，利用LF炉通过精炼渣进行深脱硫、深脱氧、去夹杂，使S元素含量控制在表1要求的范围内，使非金属夹杂物含量控制在表2要求的范围内；脱氧、脱硫结束，进行微合金组分微调，通过添加高碳铬铁调节Cr，通过添加镍板、铜板、钼铁、钒铁、铌铁、钛铁、铝等合金料调节合金元素含量；微调后可以通过喂入合金线的方式进一步调整成分，确保Cr、Ni、Mo、Cu、V、Al、Nb、Ti等其它微合金元素含量在表1要求范围内，最后确保钢水温度为1630℃。

表1各微合金组分的含量控制表

表2非金属夹杂物含量控制表

步骤3，使用VD-VOD炉使步骤2钢水中气体含量满足N₂≤70ppm，O₂≤20ppm，H₂≤2.0ppm；同时进一步均匀钢水的成分和温度；

步骤4，对钢水中各组分含量检测合格后，采用特殊设计的铸模(图1)进行钢锭浇铸，具体浇铸方式为，从底部进行浇铸，钢液浇铸速度3.5t/min，确保浇铸前后钢水的温度波动最小，获得稳定和均匀的铸锭；

步骤5，钢锭浇铸成型后，通过低倍试验检查钢锭不存在明显的偏析和疏松等铸造缺陷后，采用锯床对铸锭进行切割，去掉首尾部分，因其含有夹渣和偏析，避免最终材料性能受到影响；

采步骤6，用步进式加热炉对钢坯加热，通过系统对加热温度和前进温度进行控制，确保钢坯被加热到设定的温度且温度在整个钢坯内部保持均匀。

步骤7，采用水压机将钢坯锻压成型，采用13轴数控设备(图2)进行碾轧，减小材料内部缺陷的尺寸，即将粗大晶粒压碎；可保证较高的锻比，让材料获得更高的力学性能，提升车轮的全尺寸疲劳极限，保证车轮在运用中的安全；

步骤8，对材料进行热处理：即轮辋材料使用淬火处理，车轮辐板采用空冷的方式处理，同时对不同部位材料采用不同的速率进行冷却；通过轮辋的淬火处理，可以使轮辋材料获得标准及技术规范要求的各项性能，同时，车轮辐板采用空冷的方式，可保证良好的韧性。经过热处理，使得轮辋中形成残余压应力，保证在运用过程中，即使轮辋中产生裂纹，在残余压应力的作用下也不会扩展。良好的热处理工艺控制(尤其是不同部位冷却速率的控制)，配合精确的化学成分控制，可使最终车轮的材料性能获得强度和韧性的平衡，延长车轮的使用寿命；

在热处理后，按照技术规范或相关标准的要求，对车轮材料的性能进行检测，获得各项性能满足特定要求的机车车轮用材料。

性能检测

对上述实施例合成的机车车轮用材料与目前使用较多的ER8、ER9机车车轮用材料进行各项性能检测。

1、车轮材料化学成分检测

表3车轮材料化学成分(wt％)

从表3数据可以看到，本发明机车车轮用材料较ER8、ER9材料而言，增加了微合金组分Nb、Ti的使用，并相应减少了微合金V的使用量，由于Nb在钢中具有最强的晶粒细化强化效果，V在钢中具有最强的沉淀强化效果，Ti则介于Nb和V两者之间。因此，本发明将微合金元素Nb、Ti加入钢中，并结合微合金元素V的使用，一方面可在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，另一方面可通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，发挥Nb、V、Ti的沉淀强化作用，从而提高材料的裂纹萌生抗力、延缓裂纹扩展，最终改善车轮材料的抗剥离性能。

2、抗拉试验性能

表4车轮轮辋的特性

表5车轮辐板的特性

3、轮辋硬度试验

对于材质为ER8的车轮，在轮辋磨耗区域布氏硬度值不小于245HBW，如果磨耗区深度大于35mm，标称踏面下35mm检测的布氏硬度值不小于245HBW；对于材质为ER9的车轮，在轮辋磨耗区域布氏硬度值不小于255HBW，如果磨耗区深度大于35mm，标称踏面下35mm检测的布氏硬度值不小于255HBW。而本发明材质的车轮，在轮辋磨耗区域布氏硬度值不小于265HBW，如果磨耗区深度大于35mm，标称踏面下35mm检测的布氏硬度值不小于265HBW。

4、冲击试验性能

表6轮辋的冲击试验性能参数

5、轮辋断裂韧性

表7轮辋的断裂韧性试验性能参数

从表4-7以及轮辋硬度试验结果可以得出，本发明机车车轮用材料与目前我国使用较多的ER8、ER9材料相比，具有较高的屈服强度、抗拉强度以及塑性变形抗力，在相同条件下轮辋的硬度提高到了265HBW以上，从而可以使车轮的耐磨耗性能、多边形问题以及抗滚动接触疲劳强度得到提升，进而能提高裂纹萌生抗力、延缓裂纹扩展，最终可改善车轮材料的抗剥离性能，促进全寿命周期的服役稳定性，延长使用寿命和运营里程。

6、低周疲劳强度(循环屈服强度)试验

低周疲劳强度(循环屈服强度)是评价车轮材料抵抗滚动接触疲劳性能的重要参数，本发明用INSTRON 8802型疲劳试验机进行低周疲劳试验。试验采用的是《GB/T 15248-2008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验》标准。试验环境为室温(10℃-35℃)采用总应变控制，分几级应变水平并进行试验，当加载至试样断裂或应力下降至初始应力水平的25％时终止试验，取下试样并判断试验的有效性：断口在标距内，则试验有效，记录试验数据；若断口不在标距内，则此次试验无效，试验数据不作记录。当整个应变水平内的所有试验完成，按照GB/T 15248-2008标准进行试验数据的处理与分析。

试验结果表明ER8的低周疲劳强度在450-500MPa之间，ER9的低周疲劳强度在480-520MPa之间，本发明机车车轮用材料的低周疲劳强度在520-550MPa之间。表明本发明机车车轮用材料与目前使用较多的ER8、ER9材料相比，具有较高的抵抗滚动接触疲劳性能。

Claims (3)

1.一种机车车轮用材料，其特征在于，包括如下质量百分比含量的微合金组分：C:0.57-0.70；Mn：0.50-1.10；Ni≤0.40；Ti≤0.06；V≤0.06；Cr≤0.30；所述机车车轮用材料的低周疲劳强度为520-550MPa。

2.一种权利要求1所述的机车车轮用材料，其特征在于，具体包括以下质量百分比含量的微合金组分：C:0.57-0.67；S≤0.015；P≤0.02；Mn：0.60-0.90；Cr≤0.25；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Cu≤0.25；Si：0.15-1.00；V≤0.04；Al≤0.06；Nb≤0.05；Ti≤0.03。

3.权利要求1或2任一项所述的机车车轮用材料的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使用电炉将废钢冶炼成钢水，控制钢水的温度为1600℃-1660℃，同时调节微合金组分C、P、Si、Mn的含量，使其质量百分比含量满足：C:0.57-0.67；P≤0.02；Si：0.15-1.00；Mn：0.60-0.90；

步骤2，通过LF炉对步骤1的钢水进行钢包精炼，具体为，利用LF炉通过精炼渣进行深脱硫、深脱氧、去夹杂，使S元素的质量百分比含量≤0.015，非金属夹杂物含量控制在下表要求的范围内；脱氧、脱硫结束后，对各微合金组分进行微调，确保各微合金组分的质量百分比含量满足如下范围：C:0.57-0.67；S≤0.015；P≤0.02；Mn：0.60-0.90；Cr≤0.25；Ni≤0.25；Mo≤0.10；Cu≤0.25；Si：0.15-1.00；V≤0.04；Al≤0.06；Nb≤0.05；Ti≤0.03；最后确保钢水温度在1630℃-1650℃；

步骤3，使用VD-VOD炉对步骤2的钢水进行真空去气，使步骤2钢水中气体含量满足N₂≤70ppm，O₂≤20ppm，H₂≤2.0ppm；同时对钢水进一步均匀成分和温度；

步骤4，对步骤3钢水中各组分含量进行检测，检测合格后进行钢锭浇铸，钢液浇铸速度3.5～4.5t/min，从模具底部进行浇铸，浇铸成型后切割获得钢坯，将钢坯锻压成型、碾轧、热处理；

步骤5，对步骤4热处理后的材料进行性能检测合格后，即获得所述机车车轮用材料。

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