CN113699451A - 一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢含有如下重量百分比的化学成分：C 0.67‑0.80％、Si 0.25‑0.60％、Mn 0.70‑1.20％、P≤0.015％、S≤0.015％、Mo≤0.35％、V≤0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的相对C含量高于LG61轮箍，与CL70车轮相当，相对于LG61轮箍，提高了强硬度，相当于CL70强度，同时保持了LG61良好的塑韧性，尤其是对车轮冲击韧性的稳定性有了明显的提高。
Description
技术领域
本发明属于车轮车轮轮箍用钢技术领域，具体涉及一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法。
背景技术
近年来，城市轨道交通得到迅猛发展，现代抗磨损因其建造成本低、建造难度低、安全性系数高、环保系数高等特点已成为中小城市轨道交通发展模式。抗磨损作为地上城市轨道交通，降噪是其必需考虑的因素，为解决噪音大这一问题，弹性车轮在世界各国抗磨损交通中广泛地使用。弹性车轮主要由轮芯、轮箍，以及两者之间的弹性橡胶组成。轮箍弹性地支撑在钢轨上，从而能有效地降低车辆噪声、减小轨道冲击、降低轮轨磨耗和提高线路车辆使用寿命。
为延长弹性车轮使用寿命，由于轮箍是弹性车轮的磨耗组件，所以提高弹性车轮轮箍的耐磨性，是延长弹性车轮的有效手段。现有技术中常通过提高碳含量达到提高弹性车轮轮箍的抗磨损性能，从而起到延长弹性车轮轮箍的使用寿命的目的，但碳含量的提高常导致塑性的降低。
目前，关于弹性车轮轮箍用钢国内外仍未有行业标准和国家标准，用户常采用已有轮箍或辗钢车轮钢轮辋性能要求作为技术规范。但已有的轮箍和辗钢车轮的轮辋性能要求并不能完全适用于弹性车轮轮箍的性能要求。在我国轮箍标准TB/T 1400.2-2018《机车用有箍车轮第2部分：轮箍》中，仅LG61一种材质，也仅对其拉伸、硬度和冲击性能进行了要求，检测标准及取样位置也不同于辗钢车轮，相对辗钢车轮检测项点较少，在客户的技术条件中常将辗钢和轮箍的要求混用，并无明确统一的弹性车轮轮箍用钢标准，现有技术中也没有公开如何才能得到综合性能优良的弹性车轮轮箍用钢。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的相对C含量高于LG61轮箍，与CL70车轮相当。相对于LG61轮箍，提高了强硬度，相当于CL70强度，同时保持了其良好的塑韧性，尤其是对车轮冲击韧性的稳定性有了明显的提高。
本发明采取的技术方案如下：
一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢含有如下重量百分比的化学成分：C 0.67-0.80％、Si 0.25-0.60％、Mn 0.70-1.20％、P≤0.015％、S≤0.015％、Mo≤0.35％、V≤0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢优选为含有如下重量百分比的化学成分：C0.67-0.80％、Si 0.28～0.58％、Mn 0.71-1.18％、P≤0.010％、S≤0.012％、Mo0.15～0.25％、V0.10～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的金相组织少量铁素体+珠光体，晶粒等级为7级以上。
所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的上屈服强度700～730MPa、抗拉强度1150～1210MPa、A≥14％、Z≥30％、踏面下30mm处硬度≥340HB、常温冲击KU2≥30J、-60℃低温KU2≥6.5J。
本发明提供的所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，包括正火工艺、整体淬火工艺、回火工艺。
所述正火工艺为：将轧态轮箍加热到770-790℃保温1.5-2.5小时，然后空冷至室温。
所述整体淬火工艺为：将正火后的轮箍在810-850℃保温1.5-2.5小时，后整体浸入水中冷却10-15分钟，水温为19-25℃。
所述回火工艺为：将整体淬火后的轮箍在480±10℃回火处理4.0-5.0小时。
本发明还提供了所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电炉炼钢--LF炉精炼--RH真空处理--圆坯连铸--切锭热轧--热处理；所述热处理的方法为上述热处理方法。
本发明还提供的所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢中各化学成分作用及控制如下：
C元素：C是车轮钢中最基本和最重要的成分，作为间隙固溶元素，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，以及提高车轮的耐磨性，因此本发明将C的范围确定为0.67-0.80％。
Si元素：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。Si元素提高相变点Ac1、Ac3温度，有利于提高抗热损伤性能。为了维持塑韧性水平，因此，Si含量控制在不超过0.60％。
Mn元素：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，故Mn含量控制在0.70-1.20％。
从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强度硬度性能和高的塑性性能，应实施复合微合金化，考虑到弹性车轮轮箍用钢为碳素钢、组织为珠光体+少量铁素体的特殊要求。因此，本发明除对碳素钢种Si、Mn含量进行设计，采取Mo微合金化，达到提高韧性的微合金化效果。
Mo元素：Mo可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，它是缩小奥氏体相区的元素。Mo为中强碳化物形成元素，细化钢的晶粒。Mo提高钢的淬透性，其作用较Cr强。Mo提高钢的回火稳定性，作为单一合金元素存在时，增加钢的回火脆性。与Cr、Mn等并存时，Mo又降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性。因此，在在调质钢中，Mo能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除或降低残余应力，提高塑性，本发明将Mo的范围确定为不超过0.35％。
V元素：V是强碳化物形成元素，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间距和沉淀强化的作用，有利于提高强韧性。高碳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。钢中V含量过高，细化珠光体片层间距的作用不显著，淬透性提高较大，不利于珠光体组织控制。因此本发明将V的范围确定为不超过0.20％。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
本发明为了提高奥氏体晶粒度的均匀性，首先将轧态轮箍正火预处理，即：加热到770-790℃保温1.5-2.5小时，然后空冷至室温；为防止奥氏体晶粒长大，又要保证足够的过冷度，起到降低珠光体片间距的目的，因此将正火后的轮箍在810-850℃范围加热，并保温1.5-2.5小时，轮箍出炉后整体浸入水中冷却10-15分钟，水温为19-25℃，在480±10℃回火处理4.0-5.0小时。
与现有技术相比，本发明提供的车轮轮箍用钢的相对C含量高于LG61轮箍，与CL70车轮相当，提高了轮箍的耐磨性。相对于LG61轮箍，提高了强硬度，与CL70强度相当，同时保持了LG61轮箍良好的塑韧性，尤其是对车轮冲击韧性的稳定性有了明显的提高，提高了弹性车轮的服役安全性。
附图说明
图1为实施例1中的车轮轮箍用钢的金相组织图；
图2为实施例2中的车轮轮箍用钢的金相组织图；
图3为对比例LG61车轮轮箍用钢的金相组织图；
图4为对比例CL70车轮轮辋的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
实施例1、2中的弹性车轮轮箍用钢的化学成分质量分数如表1所示，对比例为LG61轮箍和CL70车轮，实施例1、2和对比例均采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成
的圆坯，实施例1、2和LG61经切锭、加热轧制，形成直径为840mm的轮箍，然后经正火+整体淬火+回火工艺进行热处理。
作为对比例的LG61同样采取整体淬火+回火，其整体淬火工艺为850-870℃保温1.5-2.5小时，后整体浸入中冷却10-15分钟，水温为19-25℃，但热处理前不进行正火预处理。
作为对比例的CL70车轮经切锭、加热轧制成整体车轮，热处理采取踏面淬火工艺，然后回火，淬火前加热840-860℃保温1.5-2.5小时后踏面淬火10-15分钟，回火工艺为480±10℃保温4-5小时。
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：首先将车轮在770℃保温2小时正火预处理，然后在830±10℃保温2小时，轮箍出炉后采取整体淬火即整体浸入水中冷却15分钟，然后在480±10℃回火处理4.5小时。
如图1和图3、4所示，本实施例制备的弹性轮箍金相组织与LG61轮箍和CL70车轮轮辋基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，从图中可知，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例CL70车轮，与对比例LG61轮箍相当，且铁素体分布均匀。本实施例轮箍强硬度和冲击韧性分别如表2和表3所示，由表2可以看出实施例1和对比例CL70车轮轮辋强度、硬度相当，明显高于LG61轮箍，由表3可知，本实施例车轮的冲击韧性能明显高于CL70车轮，与LG61轮箍相当。
由此可见，实施例1同时兼具CL70车轮在强度、硬度，也兼具LG61轮箍冲击韧性的稳定性的优势。
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：首先将车轮在770℃保温2小时正火预处理，然后在820±10℃保温2小时，轮箍出炉后采取整体淬火即整体浸入水中冷却15分钟，然后在480±10℃回火处理4.5小时。
如图2和图3、4所示，本实施例制备的轮箍金相组织与LG61轮箍和CL60钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体，从图中可知，但本实施例中铁素体含量明显高于对比例CL70车轮，与对比例LG61轮箍相当，且铁素体分布均匀。本实施例车轮强硬度和冲击韧性分别如表2和表3所示，由表2可以看出实施例1和对比例CL70车轮轮辋强度、硬度相当，明显高于LG61轮箍，由表3可知，本实施例车轮轮箍的冲击韧性能明显高于CL70车轮，与LG61轮箍相当。
由此可见，实施例1同时兼具CL70车轮在强度、硬度，也兼具LG61轮箍冲击韧性的稳定性的优势。
表1实施例1、2和LG61轮箍、CL70车轮钢的主要化学成分(质量百分比％)
表2实施例1、2和LG61轮箍、CL70车轮轮辋常规机械性能
表3实施例1、2和LG61轮箍、CL70车轮轮辋冲击性能
上述参照实施例对一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢及其热处理方法和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗磨损弹性车轮轮箍用钢，其特征在于，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢含有如下重量百分比的化学成分：C 0.67-0.80％、Si 0.25-0.60％、Mn0.70-1.20％、P≤0.015％、S≤0.015％、Mo≤0.35％、V≤0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢，其特征在于，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢含有如下重量百分比的化学成分：C 0.67-0.80％、Si 0.28～0.58％、Mn 0.71-1.18％、P≤0.010％、S≤0.012％、Mo 0.15～0.25％、V 0.10～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢，其特征在于，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的金相组织为少量铁素体+珠光体，晶粒等级为7级以上。
4.根据权利要求1或2所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢，其特征在于，所述抗磨损弹性车轮轮箍用钢的上屈服强度700～730MPa、抗拉强度1150～1210MPa、A≥14％、Z≥30％、踏面下30mm处硬度≥340HB、常温冲击KU2≥30J、-60℃低温KU2≥6.5J。
5.如权利要求1-4任意一项所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括正火工艺、整体淬火工艺、回火工艺。
6.根据权利要求5所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，其特征在于，所述正火工艺为：将轧态轮箍加热到770-790℃保温1.5-2.5小时，然后空冷至室温。
7.根据权利要求5所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，其特征在于，所述整体淬火工艺为：将正火后的轮箍在810-850℃保温1.5-2.5小时后，整体浸入中冷却10-15分钟，水温为19-25℃。
8.根据权利要求5所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，其特征在于，所述回火工艺为：将整体淬火后的轮箍在480±10℃回火处理4.0-5.0小时。
9.根据权利要求5所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：将轧态轮箍加热到770-790℃保温1.5-2.5小时，然后空冷至室温；将正火后的轮箍在810-850℃保温1.5-2.5小时，后整体浸入水中冷却10-15分钟，水温为19-25℃；将整体淬火后的轮箍在480±10℃回火处理4.0-5.0小时。
10.如权利要求1-4任意一项所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电炉炼钢--LF炉精炼--RH真空处理--圆坯连铸--切锭热轧--热处理；所述热处理的方法采用如权利要求5-9任意一项所述的抗磨损弹性车轮轮箍用钢的热处理方法。
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