CN116005067A - 一种抗热损伤机车车轮及其生产方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗热损伤机车车轮及其生产方法和应用，C：0.45～0.50％，Si：0.40～0.95％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.40～0.50％，Al：0.005～0.020％，P：≤0.010％，S：0.015～0.035％，V:0.10～0.20％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：30‑80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明车轮相变点温度和马氏体转变温度明显提高，抗马氏体白层生成的能力提高，从而减少车轮擦伤的生成能力，提高车轮的断裂韧性和残余应力裂纹的扩展速率，进而提高车轮抗热损伤能力。
Description
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体涉及一种抗热损伤机车车轮及其生产方法和应用，用于踏面制动牵引功率≥7200Kw的大功率机车。
背景技术
制动牵引功率超过7200kw的大功率机车其牵引动力是通过电动机的转矩作用于钢轨，产生牵引力。当机车在坡道运行或停车瞬间机车制动力过大，轮轨粘着状态遭到破坏而发生空转，或滑行时往往就会造成车轮踏面的热损伤，热损伤部位出现马氏体组织白层。马氏体易剥离、脱落，形成裂纹。踏面制动机车车轮更为严重，因为制动热作用下轮辋发生约束热膨胀，使踏面残余应力状态由周向压应力转变为周向拉应力，导致热裂纹产生，进而在接触应力作用下转向于平行踏面的方向发展。
马氏体转变温度越高，形成的白层的抗裂能力越大。当马氏体转变温度超过285℃时，车轮表面上出现裂纹的概率就大为降低。牵引功率超过7200kw的大功率机车车轮材料多采用C含量在0.50-0.55％的中碳碳素钢，远低于传统机车轮钢和客货车车轮钢(0.60-0.75％)，这在早期起到一定的作用，但随着运输吨位的增加，尤其是一些条件较差运输线路，车轮发生热伤损频次更高。
综上可知，要降低车轮热伤损的萌生几率，首先要提高材料的相变温度，同时还要提高马氏体转变温度。
已有研究表明，材料相变点AC1、AC3，马氏体相变温度MS，和成分存在如下关系：
AC1(℃)＝723-20.7Mn-16.9Ni+29.1Si+16.9Cr+290As+6.38W
AC3(℃)＝910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W
MS(℃)＝539-423C-30.4Mn-20Si-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo
再者，为了抑制热损伤的向车轮内部扩展的速率，通过热处理工艺提高车轮的断裂韧性和残余应力阻止裂纹的扩展。
目前珠光体车轮钢的C含量一般都在0.45％以上，通过添加其他元素提高性能，而贝氏体钢车轮采用C含量在0.45％以下的设计路线，加入大量合金元素，获得贝氏体组织。
现有技术中，2013年12月25日公开的公开号为CN 103469091 A的专利《一种大尺寸铁路车辆用辗钢整体车轮及其生产方法》，其成分：C0.46～0.55％、Si0.20～0.37％、Mn0.70～0.85％、Ni0.10～0.25％、Cr0.24～0.32％，Als0.020～0.040％、P≤0.008％、S≤0.008％。其热处理工序为：将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860～880℃，保温3～3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840～860℃，保温3.5～4h后，出炉立即冷却到550℃以下后空冷至室温，冷却速度2℃/s～5℃/s，然后将冷却后的车轮放入480～500℃炉中，保温4.5～5h后，出炉空冷。但是其成分含Ni,成本较高，性能不能不满足踏面制动牵引功率≥7200Kw的大功率机车的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗热损伤机车车轮及其生产方法，C含量控制在0.45-0.50％，通过添加Si、Cr、Mn、V元素，没有其他合金元素，成分低，形成一种全新的成分设计体系，提高材料相变点AC1、AC3，马氏体相变温度MS，降低热损伤的萌生机率。并通过匹配相应的热处理工艺，提高车轮的断裂韧性和残余应力裂纹的扩展速率，进而提高车轮抗热损伤能力。
本发明还有一个目的在于提供一种抗热损伤机车车轮的应用，用于踏面制动牵引功率≥7200Kw的大功率机车。
本发明具体技术方案如下：
一种抗热损伤机车车轮，包括以下质量百分比成分：
C：0.45～0.50％，Si：0.40～0.95％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.40～0.50％，Al：0.005～0.020％，P：≤0.010％，S：0.015～0.035％，V:0.10～0.20％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：30-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
所述抗热损伤机车车轮，其成分满足：0.90≤A值≤0.95，A值
＝[C+Mn/3+Si/4+(Cr+V)/10]；0.90≤A值≤0.95是机车车轮强度的成分保证，但过高的会增加车轮淬硬性，带来不利的影响，容易发生冷裂纹。
所述抗热损伤机车车轮，其成分满足：0＜B值＜0.01，B值＝Al-2.15×[N]；
所述抗热损伤机车车轮的组织为：晶粒度尺寸均在10.1-15.2μm，组织为细珠光体和面积占比小于5％的铁素体，珠光体片间距0.10-0.14μm。
所述抗热损伤机车车轮的性能：所述抗热损伤机车车轮的性能：轮辋屈服强度＞645Mpa且屈强比不低于63％，断面收缩率Z≥47％；踏面下35mm硬度≥310HBW；-20℃冲击＞20J，断裂韧性＞90Mpa·m1/2，残余应力零点位置距踏面下达47mm以上，1100MPa下白层厚度≤180μm；1500MPa下白层厚度≤220μm；裂纹扩展长度≤1.9μm、裂纹扩展深度≤0.35μm；相变点AC3温度在815℃以上且马氏体转变温度不低于290℃。在同等应力下白层厚度降低40％，裂纹扩展速率降低45％以上。
本发明提供的一种抗热损伤机车车轮的生产方法，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-热处理-加工。
所述加热：钢坯在加热炉的均热温度控制在1200～1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h～8.0h。
所述轧制：开轧温度1050～1110℃、终轧温度870～900℃。
轧制后进行缓冷，缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至500～600℃入坑缓冷，缓冷时间≥10h。
所述热处理：毛坯车轮加热充分奥氏体化，淬火、回火。
所述毛坯车轮加热充分奥氏体化具体为：将轧制成形的毛坯车轮装炉，采用900-920℃的温度进行充分奥氏体化；
所述淬火，以1-2℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位以5-8℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；
当辐板冷却速度＜1℃/s时，在冷却初期，车轮辐板表层温度明显降低，持续一定时间后，由于轮辋、轮毂热量的补充，未达到加速冷却的目的，残余应力归零点的位置外移；当冷却速度＞2℃/s时，辐板表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织。
所述回火，经500-540℃回火处理≥4小时；
最后，进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
本发明提供的一种抗热损伤机车车轮的应用，用于踏面制动牵引功率≥7200Kw的大功率机车。
本发明设计思路如下：
C：碳含量对材料的相变点温度和马氏体转变温度影响最大，同时影响强硬度，低的C含量可明显提高相变点温度和马氏体转变温度，提高抗擦伤能力，但过低的C含量会导致强硬度偏低，导致车轮服役时磨耗加快，且不利于行车安全，兼顾性能和相变温度、马氏体转变温度，故确定C含量为0.45～0.50％。
Si：Si不仅是脱氧剂，而且能增加材料的相变点，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0.40％，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0.95％。Si含量控制在0.40～0.95％。
Mn：Mn可溶于铁素体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但Mn同时会降低相变点温度和马氏体转变温度，且Mn会降低钢的塑性，钢在热轧时韧性变坏。综合考虑其有利和不利因素，Mn含量控制在0.45～0.60％。
Si和Mn的加入可以起到固溶强化的作用，同时提高车轮钢的热稳定性，从而降低车轮材料对滚动接触疲劳和棘轮效应的敏感性，而减缓疲劳裂纹的萌生。硅元素是非碳化物形成元素，不存在于渗碳体中而主要固溶于体心立方晶格的铁素体中，和铁原子较大的尺寸差使铁素体晶格产生强烈的畸变，形成固溶强化。这种固溶强化作用不仅体现在车轮钢的先共析铁素体中，还存在于珠光体铁素体中。车轮钢显微组织以珠光体组织为主，因此，硅元素的加入会增加车轮钢的总体强度，且较碳元素相比，对材料塑性的降低较小。
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0.40％，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0.50％。Cr含量控制在0.40-0.50％。Cr是碳化物的形成元素。在珠光体形成过程中存在着合金元素在铁素体与渗碳体交界面及在铁素体与渗碳体之间的扩散和重新分布，渗碳体的化学成分可以在很宽范围内变化，并能与其他元素形成合金渗碳体。虽然不改变渗碳体的晶体结构，但由于合金元素具有很低的扩散系数，从而能降低碳在奥氏体中的扩散系数，因此推迟渗碳体的形成和奥氏体均匀化，这将显著增加珠光体向奥氏体转变的温度，推迟奥氏体向珠光体的转变，从而使珠光体片层间距减小。
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0.10％～0.20％，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。此外，晶界上V的碳氮化物强烈钉扎晶界而细化晶粒，从而改善先共析铁素体的形态、数量及分布，且细化奥氏体晶粒尺寸使得裂纹更容易在晶粒边界或珠光体边界弯折和钝化，增加裂纹的扩展阻力，进而在改善强韧配合关系上也能发挥作用。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.005％时，作用不明显，高于0.015％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0.005-0.020％。
[N]：能与Al形成化合物，细化晶粒，合理的Al/[N]对晶粒细化明显作用，而过高的[N]会形成气泡等连铸缺陷。因此，[N]含量应控制在30-80ppm。并且满足0＜Al％-2.15×[N]％＜0.01；如果小于0，则捕获N的Al含量不足，导致N仍然会在凝固过程中形成气孔，如果在0.01以上，则Al含量过高，在捕获N的Al之外，还有相当部分的Al游离存在于熔融区中，这部分Al与氧结合形成氧化铝夹杂，恶化强度和韧性。
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：0.015～0.035％。
控制0.90≤[C+Mn/3+Si/4+(Cr+V)/10]≤0.95，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0.9％时，回火热处理之后使强度的降低。
T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，作为有害元素控制，尽量降低。
与现有技术相比，本发明获得了以下有益效果：本发明制备的车轮，较C含量0.45-0.50％的碳素钢车轮，具有均匀细小的晶粒，珠光体片间距紧密保证了车轮韧性。铁素体含量低于5％，保证了强硬度。残余应力零点位置距踏面下达47mm以上。通过成分匹配，所用钢坯的相变点温度和马氏体转变温度明显提高，抗马氏体白层生成的能力提高，从而减少车轮擦伤的生成能力，并通过调整车轮淬火的方式，残余应力零点位置距踏面下达47mm以上。提高车轮的断裂韧性和残余应力裂纹的扩展速率，进而提高车轮抗热损伤能力。
附图说明
图1为实施例1车轮踏面应力测试曲线；踏面应力为-142.7MPa，零应力点在踏面以下47.3mm处；
图2为实施例2车轮踏面应力测试曲线；踏面应力为-134.6Mpa，零应力点在踏面以下49.3mm处；
图3为实施例3车轮踏面应力测试曲线；踏面应力为-145.4Mpa，零应力点在踏面以下48.8mm处；
图4为对比例1车轮踏面应力测试曲线；踏面应力为-124.0Mpa；零应力点在踏面以下39.9mm处；
图5为对比例2踏面应力测试曲线；踏面应力为-100.7Mpa；零应力点在踏面以下41.5mm处；
图6为对比例3踏面应力测试曲线；踏面应力为-124.0Mpa；零应力点在踏面以下35.2mm处。
图7为对比例4踏面应力测试曲线；踏面应力为-106.4Mpa；零应力点在踏面以下39.8mm处。
图8为对比例5踏面应力测试曲线；踏面应力为-109.2Mpa；零应力点在踏面以下41.4mm处。
具体实施方式
实施例1-实施例3
一种抗热损伤机车车轮，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，T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm。
表1各实施例和对比例的车轮钢(wt％,[N]为ppm)
表中数据下有下划线的数据是不满足本发明要求的数据。
以上各实施例和对比例的车轮的生产方法，按照以下工艺流程进行：
电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-锯切-加热-轧制-热处理-加工。
具体为：钢坯在加热炉的均热温度控制在1200～1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h～8.0h。开轧温度1050～1110℃、终轧温度870～900℃。轧后经过冷床冷却至500～600℃入坑缓冷，缓冷时间≥10h，车轮钢的热处理工艺：将轧制成形的毛坯车轮装炉，采用900-920℃的温度进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得车轮出炉转运至淬火台，在进行淬火时，以1-2℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位以5-8℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；当辐板冷却速度＜1℃/s时，在冷却初期，车轮辐板表层温度明显降低，持续一定时间后，由于轮辋、轮毂热量的补充，未达到加速冷却的目的，残余应力归零点的位置外移；当冷却速度＞2℃/s时，辐板表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织。加速冷却到480℃以下，再经回500-540℃回火处理≥4小时，后进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
具体生产工艺参数如表2、表3所示。
表2各实施例和对比例的生产工艺参数
表3各实施例和对比例热处理工艺参数
各实施例和对比例车轮获得拉伸力学性能测试与布氏硬度测试的屈服强度与磨耗处平均硬度，见表4。
表4各实施例和对比例的性能
表5实施例和对比例碳素钢材料相变点及马氏体转变温度
表6实施例和对比例碳素钢车轮白层试验情况
残余应力测试方法是根据pr.EN 13262，该方法通过几道切割工序使轮辋中存在的残余应力连续释放，同时利用应变片在每一道切割工序中测出表面的局部变形，来测得残余应力状态的变化，最后通过应力的叠加得出总的表面应力。结果如表7。
表7各实施例和对比例残余应力测试结果
表8珠光体片间距和晶粒度尺寸测试结果
| 热处理后组织 | 珠光体片间距(μm) | 平均晶粒尺寸(μm) | |
| 实施例1 | 细珠光体和3.8％铁素体 | 0.106 | 10.14 |
| 实施例2 | 细珠光体和4.2％铁素体 | 0.130 | 14.85 |
| 实施例3 | 细珠光体和4.9％铁素体 | 0.132 | 15.14 |
| 对比例1 | <![CDATA[<u>细珠光体和6.3％铁素体</u>]]> | <![CDATA[<u>0.202</u>]]> | <![CDATA[<u>20.34</u>]]> |
| 对比例2 | <![CDATA[<u>细珠光体和5.7％铁素体</u>]]> | <![CDATA[<u>0.195</u>]]> | <![CDATA[<u>23.21</u>]]> |
| 对比例3 | <![CDATA[<u>细珠光体和12.1％铁素体</u>]]> | <![CDATA[<u>0.214</u>]]> | <![CDATA[<u>19.81</u>]]> |
| 对比例4 | <![CDATA[<u>细珠光体和13.2％铁素体</u>]]> | <![CDATA[<u>0.308</u>]]> | <![CDATA[<u>26.5</u>]]> |
| 对比例5 | <![CDATA[<u>细珠光体和8.6％铁素体</u>]]> | <![CDATA[<u>0.271</u>]]> | <![CDATA[<u>35.5</u>]]> |
表8中，铁素体的比例是面积占比。
以上各表中画横线的数据为不满足本发明要求的数据。
Claims (10)
1.一种抗热损伤机车车轮，其特征在于，所述抗热损伤机车车轮包括以下质量百分比成分：
C：0.45～0.50％，Si：0.40～0.95％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.40～0.50％，Al：0.005～0.020％，P：≤0.010％，S：0.015～0.035％，V:0.10～0.20％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：30-80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的抗热损伤机车车轮，其特征在于，所述抗热损伤机车车轮，其成分满足：0＜B值＜0.01，B值＝Al-2.15×[N]。
3.根据权利要求1所述的抗热损伤机车车轮，其特征在于，所述抗热损伤机车车轮，其成分满足：0.90≤A值≤0.95，A值＝[C+Mn/3+Si/4+(Cr+V)/10]。
4.根据权利要求1-3任一项所述的抗热损伤机车车轮，其特征在于，所述抗热损伤机车车轮的组织为：晶粒度尺寸均在10.1-15.2μm，组织为细珠光体和面积占比小于5％的铁素体，珠光体片间距0.10-0.14μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的抗热损伤机车车轮，其特征在于，所述抗热损伤机车车轮的性能：所述抗热损伤机车车轮的性能：轮辋屈服强度＞645Mpa且屈强比不低于63％，断面收缩率Z≥47％；踏面下35mm硬度≥310HBW；-20℃冲击＞20J，断裂韧性＞90Mpa·m1/2，残余应力零点位置距踏面下达47mm以上，1100MPa下白层厚度≤180μm；1500MPa下白层厚度≤220μm；裂纹扩展长度≤1.9μm、裂纹扩展深度≤0.35μm；相变点AC3温度在815℃以上且马氏体转变温度不低于290℃。
6.一种权利要求1-5任一项所述的抗热损伤机车车轮的生产方法，其特征在于，所述生产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-热处理-加工。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述加热：钢坯在加热炉的均热温度控制在1200～1240℃、预热、加热和均热总时间控制5.0h～8.0h。
8.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述轧制：开轧温度1050～1110℃、终轧温度870～900℃。
9.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述热处理：将轧制成形的毛坯车轮装炉，采用900-920℃的温度进行充分奥氏体化；再进行淬火，以1-2℃/s的冷却速度对车轮辐板进行风冷；同时，车轮轮辋部位以5-8℃/s的冷却速度对车轮踏面进行水冷，同时以0.5-1.5℃/s的冷却速度对车轮外辋面进行水冷；经500-540℃回火处理≥4小时。
10.一种权利要求1-5任一项所述的抗热损伤机车车轮的应用，其特征在于，用于踏面制动牵引功率≥7200Kw的大功率机车。
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