CN115341150B - 一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法及应用 - Google Patents

一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法及应用，成分：C0.45‑0.58％，Si0.30‑0.55％，Mn0.80‑1.2％，Cr0.10‑0.15％，Al0.010‑0.040％，P≤0.010％，S0.005‑0.020％，V0.20‑0.30％；Nb0.005‑0.01％；Ni0.01‑0.05％；Mo0.01‑0.05％；T.O≤10ppm，[H]≤1.5ppm，[N]80‑120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明制备的车轮韧性、强度、硬度、抗接触疲劳性能、磨损性能均较高，满足牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮性能要求。

Description

一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法及应用
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体涉及一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法及应用，生产的车轮用于牵引功率≥7200Kw的大功率机车。
背景技术
我国机车车轮长时间处于高速、重载运行的状态，且南北温差大、东西服役条件变化大，会导致车轮服役出现明显的不适应性，车轮踏面剥离、多变化等伤损问题较多，这大大增加了车轮的检修频次、降低了车轮的使用寿命、提高了综合成本。
机车车轮在运行时轮轨间的滚动接触应力大而且交替变化，使得车轮轮辋踏面次表面在运行过程中产生塑性变形，又因为钢中存在夹杂物、渗碳体等脆性相，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。
现有技术抗疲劳裂纹、抗磨损性能不能满足现代机车车轮的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢及生产机车车轮的方法，C含量控制在0.45-0.58％，通过添加Si、Mn、V等元素，形成一种全新的成分设计体系，并通过匹配相应的轧制、热处理工艺，综合提升车轮的韧性、强度、硬度、抗接触疲劳性能和磨损性能，且强度、硬度与韧性的匹配良好，从而获得了更良好综合性能的机车车轮。
本发明还有一个目的在于提供一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢的应用，用于牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮的生产。
本发明具体技术方案如下:
一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.45-0.58％，Si：0.30-0.55％，Mn：0.80-1.2％，Cr：0.10-0.15％，Al：0.010-0.040％，P：≤0.010％，S：0.005-0.020％，V:0.20-0.30％；Nb：0.005-0.01％；Ni:0.01-0.05％；Mo：0.01-0.05％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：80-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
且所述抗疲劳裂纹机车车轮用钢的成分满足以下公式：
0.8≤A≤0.95；A＝C+Si/3+Mn/9+(Cr+Mo+V)/5+Ni/10；
以上公式计算时，各元素含量×100；
本发明提供的生产机车车轮的方法，采用上述抗疲劳裂纹机车车轮用钢生产，具体包括以下工艺流程：电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-锯切-加热-轧制-缓冷-热处理-加工。
所述加热具体为：均热温度控制在1230-1280℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h-10.0h；均热保温≥4h；
所述轧制具体为：开轧温度：1120-1180℃，终轧温度930-980℃；轧制成φ1250mm。
所述缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间≥8h，得到具有细小、均匀的奥氏体晶粒，达8.0-9.0级。
所述热处理具体为:首先车轮加热保温，然后先弱冷，再强冷，最后回火处理。
所述加热保温是指：在热处理炉均热段内加热至840-900℃，保温时间为2.5-3.5h；
所述弱冷是指：使轮辋踏面近表层金属以0.2℃/s-0.3℃/s的冷却速度，冷却时间60秒；轮辋踏面近表层是指轮辋踏面从表面向下14-16mm深度的轮辋踏面层。
所述强冷是指：轮辋冷却速率4-5℃/s，冷却全轮辋；
所述回火处理为：480-520℃回火处理4.5-5.0小时。
热处理中，首先在车轮在热处理炉均热段内以840-900℃，均热保温时间为2.5-3.5h，确保车轮内部组织均匀奥氏体化确保车轮内部组织均匀奥氏体化。根据车轮钢相变特性，先采用较弱的水冷，使轮辋踏面近表层金属以0.2℃/s-0.3℃/s的冷却速度，同时保证轮辋内部温度在Ac3点(约为560℃以上)，使车轮踏面近表层一定深度内先发生F-P转变，此时轮辋内部仍为奥氏体。弱喷结束后，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋冷却速率4-5℃/s,轮辋内部金属快速地通过Ar3～Ar1温度区间，抑制了先共析铁素体的析出，防止内部组织向贝氏体转变，最后在480-520℃回火处理4.5-5.0小时。
本发明生产的车轮，屈服强度≥590MPa、抗拉强度≥900Mpa、断面收缩率Z≥41％、轮辋V槽口-20℃冲击≥12J、踏面下35mm硬度≥280HBW、断裂韧性≥75Mpa·m1/2；轮辋金相组织为铁素体-珠光体，晶粒度≥6级；磨损后主试样最大直径差≤1.1mm；1100MPa加载应力小达到480万次以上；1200MPa加载应力小达到280万次以上；1300MPa加载应力小达到130万次以上；1400MPa加载应力小达到55万次以上；1500MPa加载应力小达到22万次以上；经过10万周次磨损后，变形层厚度≤12μm；经过30万周次磨损后，变形层厚度≤23μm；经过50万周次磨损后，变形层厚度≤33μm；经过10万周次疲劳裂纹长度小于60μm；经过30万周次疲劳裂纹长度小于105μm；经过50万周次疲劳裂纹长度小于130μm。
本发明提供的一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢的应用，用于生产牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮，机车牵引力增大，轮轨的接触应力加大，车轮踏面滚动圆处易发生剥离，本发明车轮钢生产的车轮抗疲劳裂纹性能优异，可以满足牵引功率≥7200Kw的大功率机车对车轮性能要求。
本发明设计思路如下：
C：C是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素，为了保证车轮钢足够的强度和淬透性，C含量不能低于0.45％，由于车轮钢要保证韧性，C含量不能高于0.58％，故确定C含量为0.45-0.58％。
Si：Si是脱氧剂，同时通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提车轮钢的淬透性，Si的含量不能低于0.30％，但过量的硅使C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向使得渗碳层易氧化，故Si的含量不能高于0.55％。Si含量控制在0.30-0.55％。
Mn：Mn是在提高淬火特性的同时不抑制低温韧性的元素，并且优选添加0.8％或更多的Mn。此外，Mn能够与Si发生协同作用，并且通过Mn以及Si捕获的部分溶解氧能够将溶解氧分布在除Al之外的元素之间，从而限制了形成大集簇氧化铝夹杂物的风险。然而，当以大于1.2％的量添加时，发生的中心偏析不仅降低低温韧性，而且提高钢的淬透性。由于Mn中心偏析是引起氢致开裂的因素，因此优选使含量限于0.8％至1.2％。
P和S：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的S，在不影响产品性能的同时，会明显改善车轮钢的切削性能，而MnS同时具有细化晶粒的效果；P是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.010％，S：0.005-0.020％；控制一定的S含量，保证MnS和MnS包裹氧化物的复合夹杂的塑性夹杂物占主体，有效降低非金属夹杂物的危害，进一步提高安全性。
Cr：Cr可提高钢的淬透性及强度，Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能，故Cr含量不能低于0.10％，过高的Cr会降低钢的韧性，同时会在渗碳层组织中出现大量的碳化物，影响渗碳层性能，故Cr的含量不能高于0.15％。Cr含量控制在0.10-0.15％。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.010％时，作用不明显，高于0.040％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此，Al含量应控制在0.020-0.040％。控制Al/[N]：2.0-4.0，以稍过量的Al固定游离N结合形成ALN析出物。
V：钒是车轮钢中重要的强碳氮化物形成元素，通过加热溶解与冷却析出，可以在钢中形成间隙型VC、V4C3和富氮的V(C,N)第二相粒子，产生强烈的析出强化与细晶强化，起到显著提高屈服强度的作用。此外，含钒第二相粒子的形成，粒子周围微区因贫碳以及与铁素体较小的晶格错配度，促进先共析铁素体的形成而起到适度提高磨损速率的作用，从而达到协调接触疲劳与磨耗竞争关系，改善车轮抗表面接触疲劳性能的目的。本发明将钒含量范围定为0.20％～0.30％，理由是，一方面钒含量超过该值，须采用更高的加热温度才能产生显著的强化效果，否则受固溶V含量低、基体碳含量较低的双重因素影响，会极大限制V微合金化提高强度的作用，甚至产生负效应；另一方面，钒含量过低起不到明显的析出强化作用，甚至因热处理制度不当，钒因夺基体中的碳而造成强度的下降。
Nb与C或/和N结合而形成微细的碳化物、氮化物和碳氮化物，具有使晶粒微细化、提高疲劳强度的作用。因此，为了得到上述效果，含有Nb≥0.005％。但是，Nb的含量多时，硬度提高，韧性降低。因此，Nb的量设定上限，使其为0.010％以下。
Ni:Ni固溶至钢材中，提高钢材在热锻和热处理后的屈服强度和疲劳强度，同时，钢材的热锻和热处理后的韧性也会提高，只要少量含有Ni，就能够在某种程度上获得上述效果，因此，Ni下限设置为0.01％。如果Ni含量过高，则制造成本变高。因此，Ni控制在0.01-0.05％。
Mo是与Cr相比类似或具有更强烈效果的元素，并且用于提高钢材的淬火特性并且防止热处理材料的强度降低。然而，当Mo以小于0.01％的量添加时，难以确保钢的淬火特性；而当以大于0.05％的量添加时，形成具有脆弱低温韧性的组织，并且引起回火脆化，因此，优选使Mo的含量限于0.01％至0.05％。
[N]：N与Al、V等形成氮化物以抑制奥氏体晶粒生长并且有助于提高韧性和强度。然而，当含量过度且大于0.04％时，N以固溶状态存在，并且固溶状态中的N对低温韧性具有不利影响。因此，[N]含量应控制在80-120ppm。同时控制Al/[N]：2.0-4.0；以固定钢中游离N，减少游离N的危害，另一方面形成的AlN在热加工过程中阻止奥氏体晶粒的长大，细化奥氏体晶粒，提高综合性能。
T.O和[H]：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤10ppm；[H]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[H]≤1.5ppm。
C+Si/3+Mn/9+(Cr+Mo+V)/5+Ni/10的公式，结果大于0.95％时，韧性降低，从而抗裂性降低，并且合金成本增加；当公式小于0.8％时，回火热处理之后使强度的降低。
与现有技术相比，本发明制备的车轮韧性、强度、硬度、抗接触疲劳性能、磨损性能均较高，且强度、硬度与韧性的匹配良好，从而获得了更良好的综合力学性能的车轮，满足牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮性能要求。
附图说明
图1为对比例1和实施例1车轮钢经过10万周次磨损后表面的磨损形貌；左图为对比例1、右图为实施例1；
图2为对比例1和实施例1车轮钢经过30万周次磨损后表面的磨损形貌；左图为对比例1、右图为实施例1；
图3为对比例1和实施例1车轮钢经过50万周次磨损后表面的磨损形貌；左图为对比例1、右图为实施例1；
图4为对比例1和实施例1车轮钢经过10万周次磨损后截面金相显微组织图像；左图为对比例1、右图为实施例1；
图5为对比例1车轮钢经过30万周次磨损后截面金相显微组织图像；左图为对比例1、右图为实施例1；
图6为对比例1车轮钢经过50万周次磨损后截面金相显微组织图像；左图为对比例1、右图为实施例1；
图7为对比例1车轮钢10万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图8为实施例1车轮钢10万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图9为对比例1车轮钢30万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图10为实施例1车轮钢30万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图11为对比例1车轮钢50万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图12为实施例1车轮钢50万周次磨损后纵截面疲劳裂纹光镜形貌；
图13为对比例1和实施例1车轮钢轧态组织，左图为对比例1、右图为实施例1，本发明组织更细更均匀；
图14为本发明轮辋金相组织为铁素体-珠光体，实际晶粒度细于6级。
具体实施方式
实施例1-实施例3
一种抗疲劳裂纹机车车轮用钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示余量为Fe和不可避免的杂质，T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm。
表1本发明实施例和对比例化学成分((单位：[N]为ppm，其余％))
采用以上各实施例和对比例的抗疲劳裂纹机车车轮用钢生产机车车轮的方法，包括以下工艺流程：电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-锯切-加热-轧制-缓冷-热处理-加工。
车轮坯经过1230-1280℃加热，预热、加热和均热总时间控制5.0h-10.0h，均热保温≥4h后进行圆钢轧制，开轧温度：1120-1180℃，终轧温度930-980℃，轧制成φ1250mm，轧后经过冷床冷却至600-650℃入坑缓冷，缓冷时间8h。
各实施例和对比例的工艺参数如下2所示；
表2各实施例和对比例轧制工艺参数
热处理工艺包括以下工艺：首先在车轮在热处理炉均热段内以840-900℃，均热保温时间为2.5-3.5h，先采用较弱的水冷，使轮辋踏面近表层金属以0.2℃/s-0.3℃/s的冷却速度，同时保证轮辋内部温度在Ac3点(约为560℃以上)，使车轮踏面近表层一定深度内先发生F-P转变，此时轮辋内部仍为奥氏体。弱喷结束后，强喷喷嘴开始对车轮踏面进行喷淋，轮辋冷却速率4-5℃/s,轮辋内部金属快速地通过Ar3～Ar1温度区间，抑制了先共析铁素体的析出，防止内部组织向贝氏体转变，最后在480-520℃回火处理4.5-5.0小时。
各实施例和对比例的工艺参数如下3所示；
表3热处理生产工艺参数
对各实施例和对比例的车轮进行性能检测，按GB/T 229进行冲击检验、GB/T 228进行拉伸检验、GB/T 231.1进行硬度检验、ASTM E399进行断裂韧性检验，结果如表4所示。
在MMS-2A型微机控制试验机上参照GB 10622《金属材料滚动接触疲劳试验方法》标准进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，测试结果分别如表5、6所示。试验过程中主试样为本发明各实施例或对比例制备的车轮试样，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。
表4各实施例和对比例制造的车轮性能
表5各实施例和对比例制造的车轮磨损性能对比
表6各实施例和对比例车轮接触疲劳性能对比
图1-图3为对比例1车轮钢和实施例1车轮钢经过不同转数磨损后表面的磨损形貌，磨损机制为疲劳磨损。从图中可以看出，经过10万周次磨损后，对比例1车轮钢和实施例1车轮钢试样表面平整，磨损机制为黏着磨损。经过30万周次磨损后，对比例1车轮钢和实施例1车轮钢试样表面形成少量疲劳磨损裂纹。对比例1车轮钢的表面疲劳磨损裂纹比实施例1车轮钢多。磨损机制为黏着磨损与疲劳磨损。经过50万周次磨损后，对比例1车轮钢和实施例1车轮钢试样表面形成大量疲劳磨损裂纹。但是，对比例1车轮钢的表面疲劳磨损裂纹比实施例1车轮钢多。
图4-图6为对比例1车轮钢和实施例1车轮钢经过不同周次磨损后截面金相显微组织图像。从图中可以看出，经过磨损后对比例1车轮钢和实施例1车轮钢表面都形成一定厚度塑性变形层。经过10万周次磨损后，对比1车轮钢的塑性变形层厚度大约为20μm，而实施例1车轮钢的变形层厚度大约为10μm。随着磨损周次的增加，塑性变形层的厚度也是逐渐增加的。在磨损到30万周次，对比例1车轮钢的变形层厚度增加到大约30μm，实施例1车轮钢的变形层厚度为20μm。在磨损到50万周次，对比例1车轮钢的变形层厚度进一步增加到大约40μm，实施例1车轮钢的变形层厚度为30μm。
图7-图12为对比例1车轮钢试样和实施例1车轮钢试样不同磨损周次纵截面疲劳裂纹光镜形貌。从图中可以看出，两种车轮钢试样的疲劳裂纹都起源于表面，裂纹几乎平行于表面扩展，这是因为由于摩擦力作用，表面的应力最大，使表层微观组织塑性变形最严重，表层的显微组织硬度最大。因此表面最快达到塑性变形极限点，表面的棘轮失效使裂纹在表面起裂。在10万周次时，对比例1车轮钢试样和实施例1车轮钢试样疲劳裂纹长度分别约为90μm、58μm；在30万周次，对比例1车轮钢试样和实施例1车轮钢试样的疲劳裂纹长度分别约为125μm、100μm；在50万周次，对比例1车轮钢试样和实施例1车轮钢试样的疲劳裂纹长度分别为192μm、122μm。同等运用条件下，实施例裂纹扩展慢，对比例扩展快。本发明具有更好的抗疲劳裂纹性能。

Claims (4)

1.一种生产机车车轮的方法，其特征在于，采用抗疲劳裂纹机车车轮用钢生产，包括以下工艺流程：电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-锯切-加热-轧制-缓冷-热处理-加工；
所述抗疲劳裂纹机车车轮用钢包括以下质量百分比成分：
C：0.45-0.53%，Si：0.32-0.55%，Mn：0.80-1.2%，Cr：0.10-0.15%，Al：0.010-0.040%，P：≤0.010%，S：0.005-0.020%，V: 0.25-0.30%；Nb：0.005-0.01%；Ni:0.01-0.05%；Mo：0.01-0.05%；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：80-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述抗疲劳裂纹机车车轮用钢的成分满足以下公式：
0.8≤A≤0.95；A=C+Si/3+Mn/9+(Cr+Mo+V)/5+Ni/10；Al/[N]：2.0-4.0；
以上公式计算时，各元素含量×100；
所述热处理具体为:首先车轮在热处理炉均热段内加热至840-900℃，保温时间为2.5-3.5h，然后先弱冷，使轮辋踏面近表层金属以0.2℃/s-0.3℃/s的冷却速度，冷却时间60秒；轮辋踏面近表层是指轮辋踏面从表面向下14-16mm深度的轮辋踏面层；再强冷，轮辋冷却速率4-5℃/s，冷却全轮辋；最后回火处理，480-520℃回火处理4.5-5.0小时；
所生产的车轮经过10万周次磨损后，变形层厚度≤12μm；经过30万周次磨损后，变形层厚度≤23μm；经过50万周次磨损后，变形层厚度≤33μm；经过10万周次疲劳裂纹长度小于60μm；经过30万周次疲劳裂纹长度小于105μm；经过50万周次疲劳裂纹长度小于130μm；
所述方法用于生产牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮。
2.根据权利要求1所述的生产机车车轮的方法，其特征在于，所述加热具体为：均热温度控制在1230-1280℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h-10.0h；均热保温≥4h。
3.根据权利要求1所述的生产机车车轮的方法，其特征在于，所述轧制具体为：开轧温度：1120-1180℃，终轧温度930-980℃。
4.一种权利要求1-3任一项所述的方法生产的机车车轮的应用，其特征在于，用于生产牵引功率≥7200Kw的大功率机车车轮。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4444426A1 (de) * 1994-12-14 1996-06-27 Gft Gleistechnik Gmbh Radreifen-Stahl
JP2012102402A (ja) * 2011-11-29 2012-05-31 Jfe Steel Corp 耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法
RU2616756C1 (ru) * 2016-04-27 2017-04-18 Акционерное общество "Выксунский металлургический завод" Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали
CN111961963A (zh) * 2020-07-28 2020-11-20 马鞍山钢铁股份有限公司 一种中碳的铌钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法
CN113403538A (zh) * 2021-06-17 2021-09-17 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种高接触疲劳性能车轮及其生产方法
CN113528967A (zh) * 2021-07-19 2021-10-22 马鞍山钢铁股份有限公司 一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法
CN113667901A (zh) * 2021-08-23 2021-11-19 智奇铁路设备有限公司 一种机车车轮用材料
CN114107823A (zh) * 2021-11-30 2022-03-01 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种高速车轮用钢及其热处理方法和利用其制备高速车轮的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4444426A1 (de) * 1994-12-14 1996-06-27 Gft Gleistechnik Gmbh Radreifen-Stahl
JP2012102402A (ja) * 2011-11-29 2012-05-31 Jfe Steel Corp 耐疲労亀裂伝播特性に優れた鋼材の製造方法
RU2616756C1 (ru) * 2016-04-27 2017-04-18 Акционерное общество "Выксунский металлургический завод" Способ термической обработки цельнокатаных железнодорожных колёс из легированной стали
CN111961963A (zh) * 2020-07-28 2020-11-20 马鞍山钢铁股份有限公司 一种中碳的铌钒微合金化高速车轮钢及车轮制备方法
CN113403538A (zh) * 2021-06-17 2021-09-17 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种高接触疲劳性能车轮及其生产方法
CN113528967A (zh) * 2021-07-19 2021-10-22 马鞍山钢铁股份有限公司 一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法
CN113667901A (zh) * 2021-08-23 2021-11-19 智奇铁路设备有限公司 一种机车车轮用材料
CN114107823A (zh) * 2021-11-30 2022-03-01 宝武集团马钢轨交材料科技有限公司 一种高速车轮用钢及其热处理方法和利用其制备高速车轮的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘吉远等.钼.《铁路货车轮轴技术概论》.2009, *
廖慰慈.钢之化学成分，热处理，及疲劳强度.《工程材料学》.1952, *
苏世怀.热处理试验情况.《轨道交通用车轮技术进展》.2019, *
车轮钢的化学成分、微观组织对车轮钢力学性能的影响;史建平;刘忠侠;肖乾;;中国铁道科学(第06期);全文 *

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