CN117448700A

CN117448700A - 一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法和车轮的生产方法

Info

Publication number: CN117448700A
Application number: CN202311430073.XA
Authority: CN
Inventors: 邹强; 刘学华; 毛亚男; 高伟; 姚三成; 宫彦华; 万志健; 余亚东; 胡青凤
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2023-10-31
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2024-01-26

Abstract

本发明公开了一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法和车轮的生产方法，所述车轮钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.55‑0.60％，Si：0.30‑0.50％，Mn：0.70‑0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.10‑0.20％；Cr：0.10‑0.20％，Als：≤0.020％，Mo：≤0.01％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.10％，T.O：≤20×10^‑6％，[N]：≤80×10^‑6％，[H]：≤1.5×10^‑6％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；与现有技术相比，本发明提供的重载和谐电力机车用车轮，屈强比≥0.66％，轮辋踏面下硬度梯度变化小，在剥离、磨耗表现上均有比较好的优势，可有效改善和谐电力机车剥离频率高、异常磨耗，减少车轮非计划镟修频次，延长车轮使用寿命。

Description

一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法和车轮的生产方法

技术领域

本发明属于车轮钢技术领域，具体涉及一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法和车轮的生产方法。

背景技术

在铁路机车上，车轮起传递牵引动力的作用，服役条件极为严苛，是能对铁路运输安全、效率、成本产生直接影响的关键零部件。

我国幅员辽阔，内陆深广，地区间的气候、环境、地形差异大，机车车轮的服役条件多样、复杂。为适应货运重载、提速需求，以牵引功率≥7200KW的和谐电力型机车为代表的大功率重载机车的大规模投入运用，其牵引力和牵引吨位显著高于原有车型，因承受的载荷显著增大，车轮踏面异常磨耗、疲劳剥离等损伤成为铁路普发性问题，高发、频发使得铁路机务部门疲于车轮镟修、维护，一方面机车周转不开而扰乱正常运输秩序，另一方面导致车轮使用寿命显著缩短而显著增大机车运维成本。

从踏面剥离调研情况看，和谐电力机车用既有材质车轮与重载运输条件存在明显的不适应性。与其他用途车轮相比，机车车轮服役条件的最大差异是轮轨间牵引系数大，轮轨间最大接触剪应力位于轮轨接触表面，因而，机车车轮踏面剥离的本质是表面滚动接触疲劳产生疲劳裂纹进而扩展所致，这与车轮材料的屈服强度、硬度水平有较强的关联性。

中国专利CN 113528967A公开了一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法，并具体公开了车轮钢成分：C 0.60～0.67％、Si 0.15～1.00％、Mn0.60～0.90％、V0.04～～0.15％、Cr 0.10～0.25％、Al≤0.040％、Als≤0.015％、N(70～100)×10^-4％、Ti≤0.003％、P≤0.020％、S≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。所述车轮的生产方法包括：将轧制成形的毛坯车轮装炉，加热进行充分奥氏体化，将加热进行充分奥氏体化后的车轮出炉转运至淬火台，采用踏面大流量喷水完成热处理冷却。该专利车轮虽然可以有效改善重载机车车轮表面接触疲劳，但其属于高碳钢等级，这就使得车轮在重载机车牵引条件下存在制动热敏感性风险。本发明中的车轮钢属于中碳等级，相比而言，低一等级的碳含量，降低了制动裂纹产生，同时具备抗表面接触疲劳，综合性能更优。

中国专利CN 115341150 A公开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，具体公开了成分：C0.45-0.58％，Si0.30-0.55％，Mn0.80-1.2％，Cr0.10-0.15％，A10.010-0.040％，P≤0.010％，S0.005-0.020％，V 0.20-0.30％，Nb0.005-0.01％，Ni0.01-0.05％，Mo0.01-0.05％；T.0≤10ppm，[H≤1.5ppm，[N]80-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该专利虽然可以生产得到抗疲劳裂纹机车车轮用钢，但是其主要通过提升车轮硬度水平来提升抗疲劳裂纹的萌生能力，但硬度提升后也降低了车轮表面裂纹在运行中的自我消除，一旦有雨雪浸入裂纹，即扩展了疲劳裂纹。而本发明中通过提升屈强比来提升抗疲劳裂纹性能，同时提升了车轮抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力。

中国专利CN 112126856 A公开了铁路机车用抗擦伤车轮钢及车轮的制备方法，具体公开了，其化学成分重量百分比为：C 0.42-0.44％，Si 0.40-0.60％，Mn 0.80-1.20％，V0.10-0.15％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，该专利虽然改善了车轮擦伤损伤，但是对改善车轮表面疲劳裂纹剥离损伤未见说明。

中国专利CN 111270154A公开了一种适用于高寒地区货车的中碳车轮钢及利用其生产车轮的方法，具体公开了所述适用于高寒地区货车的中碳车轮钢包括以下重量百分比的成分：C 0.55-0.63％、Si 0.25-0.45％、Mn 0.65-0.90％、P≤0.030％、S≤0.025％、V≤0.10％、Cr≤0.30％、Ni≤0.30％、N 0.0050-0.0100％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；该专利公开的中碳车轮钢主要用于货运车辆，并非机车，车轮增强了低温服役条件下车轮抗断裂能力，但是对改善车轮表面疲劳裂纹剥离损伤未见说明。

中国专利CN111560562 A公开了一种含Cr、Mo的中碳钢车轮及其热处理方法，具体公开了所述含Cr、Mo的中碳钢车轮含有以下质量百分比成分：C0.52-0.60％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.60-0.90％、Cr 0.15-0.30％、V 0.02-0.05％、Mo 0.03-0.05％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。该专利虽然使车轮具有高强度和高韧性等综合力学性能，但是对改善车轮表面疲劳裂纹剥离损伤未见说明。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法，所述重载和谐电力机车用车轮钢具有抗表面接触疲劳剥离的同时兼顾磨耗性能，有利于铁路运转的提质增效。

本发明还提供了重载和谐电力机车用车轮的生产方法，该方法生产出来的车轮在宏观力学性能上屈服强度、屈强比较高；在抗剥离性能上，与既有的和谐电力机车车轮相比，抗磨损、抗剥离性能显著提升。

本发明采取的技术方案如下：

一种重载和谐电力机车用车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.55-0.59％，Si：0.30-0.50％，Mn：0.70-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.10-0.20％；Cr：0.10-0.20％，Als：≤0.020％，Mo：≤0.01％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.10％，T.O：≤20×10^-6％，[N]：≤80×10^-6％，[H]：≤1.5×10^-6％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

所述重载和谐电力机车用车轮钢的金相组织为细珠光体+铁素体所述重载和谐电力机车用车轮钢的屈服强度≥620MPa，抗拉强度≥900MPa，屈强比≥0.66，踏面滚动圆下35mm处硬度≥260HBW，且车轮周向在该位置的硬度差波动范围≤10HBW，在踏面滚动圆下5～35mm范围，硬度梯度变化≤15HBW。

本发明还提供了所述重载和谐电力机车用车轮钢的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：加热保温→淬火→回火；所述淬火采用弱冷+强冷的方式进行，先以7-9L/min的喷水流量弱冷90-110s，使毛坯车轮中对应成品车轮踏面位置的冷却速度低于8℃/s，保证机加工后的成品车轮轮辋为一致的铁素体-珠光体组织，弱冷结束后，毛坯车轮中对应成品车轮踏面位置附近温度应超过Ac3，保证机加工后的成品车轮轮辋强度、硬度不明显降低，然后进行强冷。

所述加热保温步骤中，加热炉均热段温度控制在A_c3+(100～130)℃范围内，均热段保温时间控制在1.5-2.0h，总加热时间控制在3.5-4.5h，保证车轮充分奥氏体化。

所述强冷时以40-50L/min的喷水流量强冷400-450s。

车轮出炉后转运至周向均匀分布喷嘴的淬火台上进行淬火，启动淬火台驱动电机使车轮转动起来，车轮转速控制在7-9r/min，使得冷却在车轮周向踏面上能够均匀实施，从而保证最终的车轮周向组织、力学等性能基本一致。

弱冷向强冷过渡的时间控制在2s之内。

所述回火的温度为480-510℃，总加热时间为4-4.5h。

本发明还提供了一种重载和谐电力机车用车轮的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸→钢坯锯切→钢坯加热→车轮轧制→车轮缓冷→车轮热处理→车轮机加工→车轮成品检测出厂；所述连铸步骤中，连铸出如本发明所述重载和谐电力机车用车轮钢的铸坯；所述车轮热处理采用本发明所述的热处理方法进行。

本发明提供的重载和谐电力机车用车轮钢的成分中，各主要成分的控制及作用如下：

碳是钢中最基础最重要的元素，直接关系到钢的基本性能水平，目前和谐电力机车车轮钢的碳含量按照现行标准、技术要求等均要求控制在0.60％以下，本发明要应用在和谐电力机车上，也应符合基本要求，并按上限0.55-0.59％进行控制，保证碳含量水平是显著提高屈服强度的基础条件。

钒是本发明的关键元素，通过V微合金化，实现预定的既明显提高屈服强度、又明显增多铁素体含量的技术目标。其作用原理：热处理加热过程中，钒在钢中以未溶碳氮化钒和固溶钒两种形态存在，前者钉扎奥氏体晶界，起细化奥氏体晶粒作用；后者在过冷奥氏体转变过程中以碳氮化钒形式在先共析铁素体和珠光体中铁素体沉淀析出，产生析出强化作用而使屈服强度明显提高。本发明通过热处理加热制度控制而合理调节钒在奥氏体中的溶解比例，可使钢的强韧配合关系显著改善；其次，钒是很强的铁素体稳定元素，在过冷奥氏体转变过程中，能增大铁素体转变的驱动力、增高铁素体析出速度，使铁素体含量增多；再次，热处理过程中，晶界或基体上未溶的碳氮化钒，其周围基体贫碳，形成碳浓度梯度，降低了铁素体形核的界面能，成为铁素体形核优先场所，促进铁素体析出。

铬可提高钢的淬透性，本发明中Cr含量控制在0.10-0.20％，既保证车轮整体的强度水平，提升材料的耐磨性，又不会明显降低材料的韧性。

本发明基于机车车轮表面剥离失效机理，以协调磨损-接触疲劳竞争关系为出发点，通过提高车轮屈服强度，增强接触表面裂纹萌生抗力的途径，开发出一种抗表面剥离的重载和谐电力机车用车轮钢。

本发明的技术原理：在确认和谐电力机车车轮踏面剥离主导类型为“表面滚动接触疲劳损伤”的前提下，基于失效机理，以协调磨损-接触疲劳竞争关系为出发点，通过提高车轮屈服强度增强接触表面裂纹萌生抗力，通过减少硬度增量、增加铁素体含量适度提高磨损速率而降低已萌生裂纹扩展概率，达到提高车轮抗剥离性能的目的。采用钒微合金化技术，利用钒的析出强化作用显著提高屈服强度、显著提高屈强比的作用减小硬度增量、促进先共析铁素体析出的作用增多铁素体含量，开发出具有屈服强度增量大、硬度增量小、铁素体增量多的特殊特性的重载和谐电力机车用车轮钢及其车轮。

利用钒的析出强化作用，在微观组织上促进铁素体析出并强化铁素体；在宏观力学性能上车轮屈服强度、屈强比显著提升；在抗剥离性能上，与既有的和谐电力机车车轮相比，抗磨损、抗剥离性能具有比较优势。

本发明配合钒合金化设计，发明出弱-强组合热处理冷却技术，可有效消除传统工艺下车轮踏面表层必然存在的异常组织(即非铁素体-珠光体组织)，减小硬度梯度，保证周向硬度均匀性，提高车轮全寿命周期的服役可靠性。

与现有技术相比，本发明提供的重载和谐电力机车用车轮在剥离、磨耗表现上均有比较好的优势，可有效改善和谐电力机车剥离频率高、异常磨耗，减少车轮非计划镟修频次，延长车轮使用寿命。且本发明工艺简单易行，便于工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中的车轮踏面下15mm处的显微组织；

图2为对比例1车轮踏面下15mm处的显微组织；

图3为对比例2车轮踏面下15mm处的显微组织；

图4为实施例1车轮材料在滚动接触疲劳试验后，试样解剖的纵向截面中表面疲劳裂纹形态；

图5为对比例1车轮材料在滚动接触疲劳试验后，试样解剖的纵向截面中表面疲劳裂纹形态；

图6为对比例2车轮材料在滚动接触疲劳试验后，试样解剖的纵向截面中表面疲劳裂纹形态。

具体实施方式

本发明提供了一种重载和谐电力机车用车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.55-0.59％，Si：0.30-0.50％，Mn：0.70-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.10-0.20％；Cr：0.10-0.20％，Als：≤0.020％，Mo：≤0.01％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.10％，T.O：≤20×10^-6％，[N]：≤80×10^-6％，[H]：≤1.5×10^-6％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

所述重载和谐电力机车用车轮钢的热处理方法，包括以下步骤：加热保温→淬火→回火；所述淬火采用弱冷+强冷的方式进行，先以7-9L/min的喷水流量弱冷90-110s，然后进行强冷。

所述加热保温步骤中，加热炉均热段温度控制在A_c3+(100～130)℃范围内，均热段保温时间控制在1.5-2.0h，总加热时间控制在3.5-4.5h。

所述强冷时以40-50L/min的喷水流量强冷400-450s。

车轮出炉后转运至周向均匀分布喷嘴的淬火台上进行淬火，启动淬火台驱动电机使车轮转动起来，车轮转速控制在7-9r/min。

弱冷向强冷过渡的时间控制在2s之内。

所述所述回火的温度为480-510℃，总加热时间为4-4.5h。本发明还提供了一种重载和谐电力机车用车轮的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸→钢坯锯切→钢坯加热→车轮轧制→车轮缓冷→车轮热处理→车轮机加工→车轮成品检测出厂；所述连铸步骤中，连铸出如本发明所述重载和谐电力机车用车轮钢的铸坯；所述车轮热处理采用本发明所述的热处理方法进行。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

各实施例及对比例中的车轮钢的化学成分及重量百分比如表1所示，余量为铁及不可避免的杂质。

表1

成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	V
								实施例1	0.58	0.31	0.75	0.011	0.002	0.13	0.13
对比例1	0.53	0.28	0.73	0.009	0.003	0.25	0.00
								对比例2	0.59	0.28	0.69	0.008	0.002	0.14	0.00
类别	Als	Mo	Cu	Ni	T.O	[N]	[H]
								实施例1	0.012	0.01	0.01	0.02	5.3×10^-6	75×10^-6	0.7×10^-6
对比例1	0.019	0.03	0.01	0.03	12×10^-6	53×10^-6	1.0×10^-6
								对比例2	0.022	0.01	0.03	0.02	8.8×10^-6	60×10^-6	0.6×10^-6

各实施例及对比例中的车轮钢的热处理方法如表2所示。

表2

上述各实施例及对比例中的车轮的各性能表征如下：

(1)宏观力学性能对比

力学性能对比见表3。可见，本发明提供的车轮具有较高的屈强比，此外，硬度及周向硬度均匀性、径向硬度梯度均具有优势。

表3车轮力学性能对比

(2)微观组织形貌与力学性能对比

上述实施例1及对比例1、2中的车轮踏面下15mm处的显微组织对比见图1-图3，实施例1车轮显微组织为细珠光体(其片间距136nm)+4.6％铁素体，晶粒度9.0级；对比例1车轮显微组织为细珠光体(其片间距190nm)+4.0％铁素体，晶粒度8.0级；对比例2车轮显微组织为细珠光体(其片间距163nm)+3.1％铁素体，晶粒度8.0级。可见本发明能够促进车轮钢铁素体的形成，铁素体作为组织中的“软相”，可以适度提高磨损速率而降低裂纹萌生的概率。

为确认本发明V微合金化的析出强化作用及程度，采用纳米压痕试验机测试了实施例1与对比例1、对比例2中的先共析铁素体的力学性能，三种车轮试样中先共析铁素体的纳米压痕硬度测试结果见表4。可见，本发明采用V微合金化提升了先共析铁素体的强硬度，这种对铁素体力学性能的提升，有益于车轮在服役应用过程中阻止裂纹在萌生后的扩展。

从综合对比微观组织的数据看，本发明提供的车轮钢在抗疲劳裂纹萌生，以及裂纹扩展两方面具有明显的优势。

表4材料纳米压痕对比

参数指标	实施例	对比例1	对比例2
				微观纳米硬度/GPa	4.89	4.02	3.61

(3)车轮钢棘轮行为对比

踏面表面滚动接触疲劳裂纹是由于车轮材料承受非对称应力、产生棘轮效应而萌生的，因而，由棘轮行为差异可能从本质上评价车轮材料抗剥离性能的差异。

在实施例1、对比例1、对比例2三种车轮上取样，在恒平均应力下进行3个应力幅的轴向循环拉压疲劳试验，对比见表5。对比数据看，本发明车轮钢具有明显的抗疲劳性能优势。

表5棘轮效应对比

(4)滚动接触条件下抗剥离性能对比

通过干态-水润滑组合接触试验对比分析车轮应用服役条件的抗剥离性能。

该试验基于表面接触疲劳的产生条件而对应设计，可有效进行抗剥离性能的评价，原理如下：

1)表面裂纹的萌生条件为摩擦系数>0.25，为此，模拟表面接触疲劳的过程，必须先进行干态接触试验，以使表面产生裂纹；

2)液态润滑是已萌生表面裂纹扩展的条件，否则，已萌生表面裂纹的扩展只导致“疲劳磨损”，而非裂纹向深度扩展而导致剥离。

评价试验完毕后，对实施例1、对比例1、对比例2车轮材料试样的裂纹形态(密度、深度)的差异进行比较分析，从而达到综合评价车轮材料抗裂纹萌生、扩展能力。

评价结果见图4-图6、表6，从图中可见，本发明实施例1中的车轮裂纹密度、深度均为最佳，故抗剥离性能与对比例1、对比例2相比，在抗剥离性能上有明显优势。

表6滚动接触条件对比

上述参照实施例对一种重载和谐电力机车用车轮钢及其热处理方法和车轮的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

1.一种重载和谐电力机车用车轮钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.55-0.59％，Si：0.30-0.50％，Mn：0.70-0.80％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.10-0.20％；Cr：0.10-0.20％，Als：≤0.020％，Mo：≤0.01％，Cu：≤0.10％，Ni：≤0.10％，T.O：≤20×10^-6％，[N]：≤80×10^-6％，[H]：≤1.5×10^-6％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的重载和谐电力机车用车轮钢，其特征在于，所述重载和谐电力机车用车轮钢的屈服强度≥620MPa，抗拉强度≥900MPa，屈强比≥0.66，踏面滚动圆下35mm处硬度≥260HBW，且车轮周向在该位置的硬度差波动范围≤10HBW，在踏面滚动圆下5-35mm范围，硬度梯度变化≤15HBW。

3.如权利要求1或2所述重载和谐电力机车用车轮钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：加热保温→淬火→回火；所述淬火采用弱冷+强冷的方式进行，先以7-9L/min的喷水流量弱冷90-110s，然后进行强冷。

4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述加热保温步骤中，加热炉均热段温度控制在A_c3+(100～130)℃范围内，均热段保温时间控制在1.5-2.0h，总加热时间控制在3.5-4.5h。

5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述强冷时以40-50L/min的喷水流量强冷400-450s。

6.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，车轮出炉后转运至周向均匀分布喷嘴的淬火台上进行淬火，启动淬火台驱动电机使车轮转动起来，车轮转速控制在7-9r/min。

7.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，弱冷向强冷过渡的时间控制在2s之内。

8.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于，所述回火的温度为480-510℃，总加热时间为4-4.5h。

9.一种重载和谐电力机车用车轮的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸→钢坯锯切→钢坯加热→车轮轧制→车轮缓冷→车轮热处理→车轮机加工→车轮成品检测出厂；所述连铸步骤中，连铸出如权利要求1或2所述重载和谐电力机车用车轮钢的铸坯；

所述车轮热处理采用权利要求3-8任意一项所述的热处理方法进行。