CN114645115B - 一种硬度等级在360hb以上的重载货车用车轮及其热处理方法和生产方法 - Google Patents

一种硬度等级在360hb以上的重载货车用车轮及其热处理方法和生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮及其热处理方法和生产方法，所述重载货车用车轮包括以下重量百分比的化学成分：C0.75‑0.78％、Si 0.20‑0.40％、Mn 0.50‑0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni 0.22‑0.24％、Nb 0.03‑0.07％、N 50‑80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；本发明可实现在提高硬度的同时，韧性、塑性不降低，相较C含量0.70‑0.75％的高碳钢车轮，本发明的车轮硬度可提高5‑8％，可稳定达到360HB以上，耐磨性明显改善。

Description

一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮及其热处理方 法和生产方法
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体涉及一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮及其热处理方法和生产方法。
背景技术
铁路货运朝着重载化的方向发展，提高轴重是提高货运最有效的手段之一，在货运发达国家，如澳大利亚，货车轴重经历了30t→35t→40t→45t的发展，车轮材料的硬度也由≥300HB、经≥320HB、发展到≥340HB，通过提高硬度减缓车轮服役过程中的磨耗问题。
铁路车轮材料为碳素钢，允许调节微量合金元素改善综合性能，微观组织结构为珠光体+少量铁素体，货车用车轮一般为含碳量0.65-0.75wt％的高碳钢，一般硬度要求越高、碳含量就越高，通过提高碳含量是提高硬度的最有效措施，但车轮钢碳含量不允许超过0.77wt％，即不能为过共析钢。因为过共析钢组织一般为珠光体+渗碳体，其塑性、韧性相对差，尤其是当渗碳体呈网状分布时。另外，从热处理方面考虑，碳含量提高，一般采用在AC3相变点温度之上30-50℃加热，在冷却时才容易获得较高的硬度，但高碳钢加热温度高时又容易出现奥氏体晶粒粗大，导致塑性、韧性降低。
针对硬度≥340HB的车轮，目前一般碳含量控制在0.70-0.72wt％，通过添加Cr、Mo元素提高淬透性提高硬度，但在热处理冷却过程中易在踏面表层产生贝氏体组织，这种组织最深能够达到15mm，如不能在后续的机加工工序完全车削掉，影响车轮服役表现和安全。所以，一般车轮制造厂都是加大加工余量，这样又会导致成材率低、生产成本增加。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮，该车轮成分中避免添加Cr、Mo元素，以防止在踏面表层产生贝氏体组织，并可降低成本，该车轮可应用在轴重40t以上的重载货车上。
本发明还提供了一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的热处理方法及生产方法，生产出综合性能优异的重载货车用车轮。
本发明采取的技术方案如下：
一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮，所述重载货车用车轮包括以下重量百分比的化学成分：C 0.75-0.78％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.50-0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni 0.22-0.24％、Nb 0.03-0.07％、N 50-80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述重载货车用车轮的金相组织为珠光体+少量铁素体，其中铁素体的体积百分比3～5％。
所述重载货车用车轮的屈服强度≥940MPa，抗拉强度≥1250MPa，A≥14％，硬度≥360HB。
本发明还提供了所述硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的热处理方法，包括以下步骤：淬火+回火。
所述淬火步骤中：首先在840-870℃保温2.0-3.5小时后，然后进行轮辋喷水冷却。
所述轮辋喷水冷却时，使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下。
所述回火步骤中：在480-500℃回火处理5.0-6.0小时。
本发明还提供了所述硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的生产方法，包括以下步骤：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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序；其中，所述热处理工序采用本发明所述的热处理方法进行。
所述切锭轧制工序中，轧制前加热温度1180～1230℃，发挥Nb阻止原始奥氏体晶粒长大的作用；轧制压缩比4～6，轧制过程中抑制变形奥氏体的再结晶及再结晶后的晶粒长大。
本发明提供的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮成分中，各元素作用及控制如下：
C元素：随着C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，本发明主要利用C元素提高硬度，同时考虑和Nb的结合形成碳化物导致铁素体析出对硬度的影响，其下限为0.75％，当C含量超过0.78％，会导致渗碳体含量增加，降低韧性，因此，其含量范围控制在0.75-0.78％之间。
Mn元素：能够有效提高车轮强度硬度性能，本发明按照碳素钢车轮中的Mn元素含量要求控制，即为0.50-0.70％。
Si元素：本发明Si含量范围按照碳素钢要求控制，为0.20-0.40％之间。
Nb、N元素：是本发明重点添加的合金元素，Nb能够和C、N结合形成碳氮化铌，在轧钢和热处理时起到细化珠光体团的作用。但Nb含量越高，与之结合的C越多，为控制好Nb、C、N三者比例使其打造较好的匹配，本发明中的Nb含量控制在0.03-0.07％，N含量控制在50-80ppm，可以形成适量的碳氮化铌起到细化晶粒和珠光体团的作用，另一方面，因C和Nb结合可适当降低渗碳体含量，促进一定量的铁素体析出，从而改善韧性和塑性。
Ni元素：Ni元素能够强化铁素体并细化和增多珠光体，同时提高强度和韧性，本发明控制在0.22-0.24％。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
本发明将C含量控制在0.75-0.78％，通过提高C含量提高硬度；通过添加Ni元素来改善韧性；通过添加Nb元素、控制N元素含量形成第二项粒子Nb(C，N)，以便在车轮轧制前加热过程中，抑制奥氏体晶粒的长大，细化轧态组织；在后续热处理过程中通过加热重新奥氏体化进一步抑制奥氏体晶粒长大，在随后冷却过程中通过控制轮辋踏面表层金属的冷却速度在5-8℃/s抑制过共析钢中渗碳体Fe3C的析出、促进了铁素体的形成，防止韧性、塑性降低。本发明可实现在提高硬度的同时，韧性、塑性不降低，相较C含量0.70-0.75％的高碳钢车轮，本发明的车轮硬度可提高5-8％，可稳定达到360HB以上，耐磨性明显改善。
附图说明
图1为实施例1中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图2为实施例1中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图3为实施例1中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图；
图4为实施例2中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图5为实施例2中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图6为实施例2中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图；
图7为对比例1中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图8为对比例1中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图9为对比例1中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图；
图10为对比例2中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图11为对比例2中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图12为对比例2中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图；
图13为对比例3中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图14为对比例3中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图15为对比例3中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图；
图16为对比例4中的车轮轮辋轧态的金相组织图；
图17为对比例4中的车轮轮辋热处理后的金相组织图；
图18为对比例4中的车轮轮辋热处理后的晶粒度图。
具体实施方式
本发明提供了一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮，其包括以下重量百分比的化学成分：C 0.75-0.78％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.50-0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni 0.22-0.24％、Nb 0.03-0.07％、N 50-80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的生产方法，包括以下步骤：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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序；其中，所述切锭轧制工序具体包括以下步骤：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1180～1230℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述热处理工序具体包括以下步骤：将车轮在840-870℃保温2.0-3.5小时后，进行轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下；然后在480-500℃回火处理5.0-6.0小时。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1和实施例2中的车轮钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1和实施例2均采用100吨超高功率电弧炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成
Figure BDA0003615005490000061
的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为760mm的车轮。
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1200℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在855℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.0小时。
实施例1车轮机械性能如表2所示，其车轮强度、硬度均高于对比例1、对比例2中的高碳钢车轮，而韧性水平相当。结合附图1、2、3和附图7、8、9，附图10、11、12对比可知，实施例1中的车轮轮辋的晶粒细于传统高碳钢车轮，这是其力学性能好于高碳钢车轮的主要因素。
将实施例1车轮和对比例1、对比例2中的高碳钢车轮安装在一辆用于运输铁水的40t轴重混铁车上，该混铁车有两个转向架，一个转向架安装实施例1车轮，另一个转向架安装高碳钢车轮，每个转向架上安装16件车轮，对比例1、对比例2高碳钢车轮各8件。车轮运行2万公里时对车轮磨耗量进行测量，比较磨耗性能，实施例1车轮的磨耗量明显好于高碳钢车轮。
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1200℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在860℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在490℃回火处理5.5小时。
实施例2车轮机械性能如表2所示，实施例2中的车轮强度、硬度高于对比例3、对比例4中的高碳钢车轮，而韧性水平相当。结合附图4、5、6和附图13、14、15，附图16、17、18对比可知，实施例2的晶粒细于传统高碳钢车轮，这是其力学性能好于高碳钢车轮的主要因素。
将实施例2车轮和对比例3、对比例4中的高碳钢车轮安装在一辆用于运输铁水的40t轴重混铁车上，该混铁车有两个转向架，一个转向架安装实施例1车轮，另一个转向架安装高碳钢车轮，每个转向架上安装16件车轮，对比例3、对比例4高碳钢车轮各8件。车轮运行3万公里时对车轮磨耗量进行测量，比较磨耗性能，实施例1车轮的磨耗量明显好于高碳钢车轮。
对比例1
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1250℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在870℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-10℃/s、内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.5小时。
对比例2
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1250℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在875℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-10℃/s、内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.5小时。
对比例3
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1280℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在875℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-10℃/s、内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.5小时。
对比例4
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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。所述切锭轧制工序为：将钢坯切成单件重380kg的钢锭，加热至1280℃，加热时间为4小时，加热结束后在5000吨油压机进行锻压预成型，然后轧制成直径760mm的车轮；所述的热处理工序为：首先在875℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却使轮辋踏面表层金属以5℃/s-10℃/s、内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，最后在480℃回火处理5.5小时。
表1实施例1-2及高碳钢车轮的成分(重量百分比％)
C Si Mn Ni Nb P S N
实施例1 0.76 0.33 0.63 0.22 0.04 0.005 0.005 60×10-4
实施例2 0.78 0.25 0.60 0.24 0.06 0.004 0.006 72×10-4
对比例1 0.73 0.32 0.65 0.22 0.04 0.004 0.005 35×10-4
对比例2 0.73 0.30 0.62 / 0.05 0.006 0.007 30×10-4
对比例3 0.74 0.31 0.64 0.15 / 0.005 0.004 33×10-4
对比例4 0.76 0.28 0.60 / / 0.006 0.004 37×10-4
表2实施例1-2和高碳钢车轮轮辋强度、硬度、冲击功和断裂韧性
RP0.2,MPa Rm,MPa A％ 硬度,HB KU,J KIC,MPa·m1/2 晶粒度,级
实施例1 943 1269 15 368 14 44 8.0
实施例2 950 1277 14 372 11 40 8.5
对比例1 905 1210 15 338 16 45 8.0
对比例2 910 1220 15 340 14 43 8.0
对比例3 923 1233 14 344 10 41 5.0-8.5
对比例4 935 1245 13 349 10 38 4.0-8.0
表3实施例1-2和高碳钢车轮磨耗情况
运行里程,公里 车轮踏面磨耗量,mm 车轮踏面平均磨耗量,mm/万公里
实施例1 20000 0.18 0.09
实施例2 30000 0.30 0.10
对比例1 20000 0.34 0.17
对比例2 20000 0.30 0.15
对比例3 30000 0.39 0.13
对比例4 30000 0.41 0.14
上述参照实施例对一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮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 (9)

1.一种硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮，其特征在于，所述重载货车用车轮包括以下重量百分比的化学成分：C 0.75-0.78%、Si 0.20-0.40%、Mn 0.50-0.70%、P≤0.015%、S≤0.015%、Ni 0.22-0.24%、Nb 0.03-0.07%、N 50-80ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述重载货车用车轮的金相组织为珠光体+铁素体；
所述重载货车用车轮的热处理方法包括以下步骤：淬火+回火，淬火时在进行轮辋喷水冷却时，使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下。
2.根据权利要求1所述的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮，其特征在于，所述重载货车用车轮的屈服强度≥940 MPa，抗拉强度≥1250MPa，A≥14%，硬度≥360HB。
3.如权利要求1或2所述的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：淬火+回火。
4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述淬火步骤中：首先在840-870℃保温2.0-3.5小时后，然后进行轮辋喷水冷却。
5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述轮辋喷水冷却时，使轮辋踏面表层金属以5℃/s-8℃/s、内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下。
6.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述回火步骤中：在480-500℃回火处理5.0-6.0小时。
7.如权利要求1或2所述的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的生产方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：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、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序。
8.根据权利要求7所述的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的生产方法，其特征在于，所述热处理工序采用权利要求3-6任意一项所述的热处理方法进行。
9.根据权利要求7所述的硬度等级在360HB以上的重载货车用车轮的生产方法，其特征在于，所述切锭轧制工序中，轧制前加热温度1180~1230℃，轧制压缩比4~6。
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