CN115852259B - 一种铁路车辆用380hb硬度等级车轮及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮及其生产方法，成分：C 0.77‑0.80％、Si 1.20‑1.50％、Mn 0.50‑0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、V0.15‑0.20％、N 100‑120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本发明通过车轮成分优化设计并匹配适当的热处理工艺，不添加Cr和Ni等元素，成分低，而且能提高车轮材料硬度，硬度等级在380HB及以上，提高耐磨性，且塑性和韧性不降低，满足重载货车使用要求的车轮。
Description
技术领域
本发明属于铁路车轮技术领域，具体涉及一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮及其生产方法，硬度等级在380HB及以上，且塑韧性不降低，满足重载货车使用要求的车轮。
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≥320HB、经≥340HB、发展到≥360HB，通过提高硬度减缓车轮服役过程中的磨耗问题。目前，更高硬度等级的车轮(硬度等级380HB车轮)已研发并小批量使用，效果更好。
铁路车轮材料为碳素钢，允许条件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。
针对高硬度等级(≥360HB)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。
现有技术中，2017年10月13日公开的公开号为CN 107245649 A的专利《一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法》，其成分为：C 0.67-0.77％、Si 0.5 0-0.70％、M n0.70-0.8％、V 0.05-0.15％、N 50-150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，但是其硬度只有330-340HB左右，不能达到≥380HB的要求。
2014年4月23日公开的公开号为CN 103741021 A的专利，公开了一种铁路货车用高韧性车轮钢及车轮制备方法，其成分为：C0.63-0.69％，Si 1.00-1.20％，Mn0.90-1.10％，Ni0.15-0.30％，Als0.010-0.030％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；但是其成分含Ni，成本高，而且硬度只能达到315-330HB，不能达到≥380HB的要求。
2013年7月24日公开的公开号为CN 103221561 A的专利《车轮用钢》，其成分为：含有C：0.65～0.84％、Si：0.02～1.00％、Mn：0.50～1.90％、Cr：0.02～0.50％、V：0.02～0.20％、S≤0.04％，[34≤2.7+29.5×C+2.9×Si+6.9×Mn+10.8×Cr+30.3×Mo+44.3×V≤43]且[0.76×exp(0.05×C)×
exp(1.35×Si)×exp(0.38×Mn)×exp(0.77×Cr)×exp(3.0×Mo)×exp(4.6×V)≤25]，剩余部分由Fe和杂质组成，P≤0.05％、Cu≤0.20％、Ni≤0.20％。但是其添加Cr元素提高强硬度，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮及其生产方法，通过车轮成分优化设计并匹配适当的热处理工艺，不添加Cr和Ni等元素，成本低，而且能提高车轮材料硬度，硬度等级在380HB及以上，提高耐磨性，具有优异的塑性和韧性，满足重载货车使用要求。
本发明具体技术方案如下：
一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮，包括以下质量百分比成分：
C 0.77-0.80％、Si 1.20-1.50％、Mn 0.50-0.70％、P≤0.015％、S≤0.015％、V0.15-0.20％、N 100-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的成分还满足：380＜A值＜440；所述A值＝930-570C-80Mn-20Si-V；
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的成分还满足：15≤B值≤20；所述B值＝V/N；
以上A值和B值的各公式中元素表述钢中该元素的含量×100；
优选的，所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的成分同时满足：380＜A值＜440和15≤B值≤20；
以上A值和B值的设计思路，A值：C、Mn、Si作为钢的基础元素，其含量直接影响到强硬度，V元素，对强硬度也有影响，但远小于碳硅锰；本发明主要就是利用这四种元素作为获得高强硬度的基础，B值：在A值中C原的基础上，设计V、N元素含量，确保C、V和N的合理匹配，发挥其晶粒细化和析出强化的作用，同时提高强硬度和韧性。
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的组织为珠光体或铁素体+珠光体。
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的AC3相变点≥800℃；
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的轮辋R P0.2≥950MPa、Rm≥1250MPa、延伸率A≥13％、所述轮辋硬度≥380HB、冲击功KU≥10J、断裂韧性KIC≥38MPa·m1/2。
优选的，所述轮辋硬度≥385HB。
本发明提供的一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮的生产方法，包括以下工序：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。
所述热处理工序包括：淬火、空冷、回火；
所述淬火具体的：车轮加热保温，轮辋喷水冷却；
所述加热保温：车轮在880-900℃保温2.0-3.5小时；
所述喷水冷却：轮辋喷水冷却，使内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到550℃以下；
所述空冷：车轮上冷床冷却，通过空冷，使车轮辐板、轮毂温度降温至600℃以下，防止其热量传输到轮辋，导致温度升高，影响第二相粒子的数量；轮辋喷水冷却后车轮辐板、轮毂一般仍在600℃以上，所以需要进一步空冷冷却，降温至600℃以下。
所述回火：480-500℃回火处理4.0-5.0小时。
到目前为止，国内外火车车轮用钢主要为珠光体组织(允许存在铁素体)的中、高碳碳素钢，这种组织较其他组织，在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，因此，本发明的车轮用钢应具有珠光体组织状态(允许存在铁素体)。
本发明设计原理如下：
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，其含量范围控制在0.77-0.80％之间。
Si元素：本发明通过添加Si元素提高相变点，为1.20-1.50％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％。
V、N元素：是本发明重点添加的合金元素，V能够和C、N结合形成碳氮化钒，在轧钢和热处理时起到细化珠光体团的作用。但V含量越高，与之结合的C越多，为控制好V、C、N三者比例使其打造较好的匹配，本发明中的V含量控制在0.15-0.20％，N含量控制在100-120ppm，控制15≤B值≤20；所述B值＝V/N；可以形成适量的碳氮化物起到细化晶粒和珠光体团的作用，另一方面，因C和V结合可适当降低渗碳体含量，抑制过共析钢中渗碳体的生成。
P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。
与现有技术相比，本发明C含量控制在0.77-0.80％，通过提高C含量提高硬度；通过添加Si元素提高相变温度；通过添加V元素(0.15-0.20％)、控制N元素含量(100-120ppm)形成第二项粒子V(C，N)，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，在后续热处理加热重新奥氏体化过程中，进一步抑制奥氏体晶粒长大，在随后冷却过程中通过控制冷却速度(3-5℃/s)抑制了过共析钢中渗碳体Fe3C的析出、促进了铁素体的形成，防止韧性、塑性降低。在提高硬度的同时，韧性、塑性不降低。
本发明制备的车轮，较C含量0.70-0.75％的高碳钢车轮，本发明的车轮硬度提高10％以上，可稳定达到380HB以上，耐磨性明显改善。且在提高硬度的同时，韧性、塑性不降低。
附图说明
图1为对比例1高碳钢车轮轮辋热处理后组织(100倍光学显微镜观察结果)；
图2为实施例1车轮轮辋热处理后组织(100倍光学显微镜观察结果)；
图3为实施例2车轮轮辋热处理后组织(100倍光学显微镜观察结果)；
图4为磨损试验示意图；
图5为磨损试验结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例和对比例对本发明做详细的说明。
实施例1-实施例2
一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1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(高碳钢)
一种铁路车辆用车轮，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1各实施例和对比例的车轮成分(wt％)和材料相变点
表中，AC3(℃)＝910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W。
实施例1车轮的生产方法包括以下工序：包括电炉炼钢工序、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；
具体为：按照表1成分，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φ380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径分别为915mm的车轮。热处理工序为：首先在890℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却，使金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到550℃以下，冷床冷却，空冷使辐板、轮毂冷却到600℃以下，最后在490℃回火处理5.0小时。
实施例1相变点高于高碳钢车轮；实施例1车轮机械性能如表2所示，本发明的车轮强度、硬度高于高碳钢车轮。
利用双盘对滚试验机对实施例1和高碳钢车轮材料进行磨损试验(见图4)，下试样转速400rpm，上试样转速360rpm，对应转动滑差率0.75％；接触应力2200MPa，对应的法向载荷为580N，每隔10万转，取下试样称量磨损量，总循环次数为100万，试验结果见图5，实施例1的耐磨性好于高碳钢，相同条件下磨损量仅为高碳钢的60％左右。
实施例2车轮的生产方法包括以下工序：包括电炉炼钢工序、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；
具体为：按照表1成分，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。所述的热处理工序为：首先在900℃保温2.5小时后，轮辋喷水冷却，使金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到500℃以下，冷床冷却使辐板、轮毂冷却到600℃以下，最后在500℃回火处理4.5小时。
实施例2相变点高于高碳钢车轮。实施例2车轮机械性能如表2所示，本发明的车轮强度、硬度高于高碳钢车轮。
利用双盘对滚试验机对实施例2和高碳钢车轮材料进行磨损试验(见图4)，下试样转速400rpm，上试样转速360rpm，对应转动滑差率0.75％；接触应力2200MPa，对应的法向载荷为580N，每隔10万转，取下试样称量磨损量，总循环次数为100万，试验结果见图5，实施例2的耐磨性好于高碳钢，相同条件下磨损量仅为高碳钢的55％左右。
对比例1车轮的生产方法为：同实施例1，区别在于，不需要冷床冷却工序；
对比例2车轮的生产方法为：同实施例2，区别在于，不需要冷床冷却工序；
对比例1和2中的N含量低，V主要起到析出强化作用，起到晶粒细化的第二相粒子少，热处理过程中喷水冷却后不需考虑辐板、轮毂回温的影响，故不需要冷床冷却工序。
表2实施例和对比例车轮轮辋强度、硬度、冲击功和断裂韧性
以上表中画横线的数据为不满足本发明要求的参数或性能。
实施例和对比例的车轮轮辋组织图如图1-图3；其中实施例1、实施例2的组织为全珠光体，高碳钢车轮1含有少量的铁素体。
Claims (4)
1.一种铁路车辆用380HB硬度等级车轮，其特征在于，所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮包括以下质量百分比成分：
C 0.77-0.80%、Si 1.20-1.50%、Mn 0.50-0.70%、P≤0.015%、S≤0.015%、V 0.15-0.20%、N 100-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的成分满足： 380＜A值＜440，所述A值=930-570C-80Mn-20Si-V；
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的成分满足：15≤B值≤20；所述B值=V/N；
所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的轮辋RP0.2≥950MPa、Rm≥1250MPa、延伸率A≥13%、所述轮辋硬度≥380HB、冲击功KU≥10J、断裂韧性KIC≥38 MPa·m1/2。
2.根据权利要求1所述的铁路车辆用380HB硬度等级车轮，其特征在于，所述铁路车辆用380HB硬度等级车轮的AC3相变点≥800℃。
3.一种权利要求1或2所述的铁路车辆用380HB硬度等级车轮的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括热处理工序；所述热处理工序包括: 淬火、空冷、回火；所述淬火是指：车轮在880-900℃保温2.0-3.5小时；轮辋喷水冷却，使内部金属以3℃/s-5℃/s的冷却速度却到550℃以下；
所述空冷：车轮上冷床冷却，通过空冷，使车轮辐板、轮毂温度降温至600℃以下。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述回火：480-500℃回火处理4.0-5.0小时。
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