CN117904535A - 一种≥420hb高抗热损伤性弹性车轮用轮箍及其热处理方法和生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍及其热处理方法和生产方法，所述轮箍包括以下化学成分：C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Zr、Nb、V、La、[N]、Al；其具有强度高、硬度高、耐蚀性高以及抗热损伤性高的特点，呈现出良好的强度韧性配合性能，其抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、‑60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，0℃时轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级。
Description
技术领域
本发明属于车轮轮箍技术领域，具体涉及一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍及其热处理方法和生产方法。
背景技术
随着城市轻轨交通的发展，轻轨车辆在市区地面或高架桥上运行时产生的噪声已成为轻轨交通的突出问题。为解决这一问题，世界各国的轻轨车辆广泛地使用弹性车轮。弹性车轮的轮心和轮箍之间装有一个弹性单元，轮箍弹性地支撑在车轮上，从而能有效地降低曲线噪声、减小轨道冲击、降低轮轨磨耗和提高线路车辆使用寿命。采用弹性车轮作为有效降低曲线噪声的措施，在轻轨车低地板有轨电车、城间列车、地铁车辆上得到广泛应用。
从运输系统和全寿命周期的角度看具有经济性，弹性车轮在国内外有轨电车、城轨、高速线路均有实际应用，可靠性已得到充分验证，随着城市轨道交通向低噪音方向发展，弹性组合车轮的需求越来越大，同时对弹性组合车轮的质量要求也越来越高，既要保证形状、尺寸和各个部件装配精度，又要保证轮箍、轮芯的内在质量，轮箍的抗热损伤性以及耐磨性能尤其重要。
随着轨道交通车辆轴重和速度的增加，使得所需制动力增大，制动热负荷随之增加，车轮制动导致的热损伤不断加重，当踏面与闸瓦摩擦形成的热量通过摩擦接触面分别传入车轮和闸瓦内部。由于车轮温升导致的热膨胀的加剧而引发的车轮高热应力导致的热损伤问题越来越突出。
目前弹性车轮轮毂主要采用ER9、LG61等材质，均为碳素钢，最终组织状态为珠光体+铁素体，材料抵抗热损伤、内部疲劳裂纹扩展的能力需要进一步改善，因此，迫切需要开发一种高抗热损伤性弹性车轮用轮箍。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其具有强度高、硬度高、耐蚀性高以及抗热损伤性高的特点，呈现出良好的强度韧性配合性能。
本发明还提供了一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的热处理方法及生产方法。
本发明采取的技术方案如下：
本发明提供的一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.44～0.49％，Si：0.80～0.90％，Mn：1.00～1.20％，Cr：0.55～0.75％，Ni：0.15～0.30％，Mo：0.45～0.55％，Co：0.55～0.75％，Zr：0.040～0.060％，La：0.002～0.003％，V：0.20～0.30％，Nb：0.055～0.075％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.0080～0.010％，[H]≤0.0001％，Al：0.025～0.045％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其中，5.0≤F≤9.9，F＝(2.0Mo+1.2Cr)/(V+1.3Nb)。
优选为包括以下重量百分比的化学成分：C：0.45～0.48％，Si：0.82～0.88％，Mn：1.05～1.15％，Cr：0.60～0.70％，Ni：0.20～0.28％，Mo：0.46～0.53％，Co：0.60～0.70％，Zr：0.045～0.058％，La：0.002～0.003％，V：0.22～0.28％，Nb：0.060～0.070％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0008％，[N]：0.0085～0.0095％，[H]≤0.00008％，Al：0.028～0.040％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足临界淬火直径DI≥8.0，DI＝(0.54C)×(1.00+3.3333Mn)×(1.00+0.7Si)×(1.00+0.363Ni)×(1.00+2.16Cr)×(1.00+3.00Mo)×(1.00+1.73V)。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足A值≥11，A＝20(0.21Cr+0.19Si2+0.27Mo+0.51Zr+0.35Co)。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足磨耗极限布氏硬度Y值≥420，Y＝3.3×(100C-100(C-0.4)/3+10Si+25Mo+30Mn+6Ni+20Cr+60(V+Nb))。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的金相组织为马氏体的回火组织和下贝氏体组织。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的轮辋抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、-60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，0℃时轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级。
本发明还提供了所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：
1)预备热处理，包括去应力退火和奥氏体均匀化高温正火；
2)性能热处理，包括高温淬火、双液亚温淬火、高温回火和低温回火。
步骤1)中，所述去应力退火具体为：将毛坯轮箍按照加热速度为180～210℃/h加热至温度580～640℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按2.8～3.2min/mm计算，随后炉冷。轮箍在锻造后冷却过程中，因表面和心部冷却速度不同造成内外温差会产生残余内应力，这种内应力和后续工艺因素产生的内引力叠加，在后续性能热处理中畸变或开裂。为了消除这种内应力需进行内应力退火处理，同时内应力退火还可以降低硬度，提高尺寸稳定性。
步骤1)中，所述奥氏体均匀化高温正火具体为：毛坯轮箍以加热速度为200～230℃/h加热至温度960～990℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按0.9～1.3min/mm计算，随后空冷。对于含有V、Cr、Nb、Zr等碳化物形成元素的钢，为了使正火过程中碳化物充分溶解，必须采用更高的加热温度，因此本次正火温度设定为960～990℃。经正火后不仅细化了晶粒,而且改善了组织的不均匀性，为随后的最终性能热处理做好组织准备。
步骤2)中，所述高温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为150～180℃/h加热至温度1050～1080℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.8～1.2min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.35～0.55s/mm进行油冷，冷至150℃以下空冷至室温。1050～1080℃高温加热后难溶的合金碳化物可以充分溶入高温奥氏体中，因而获得了成分均匀化的奥氏体，再经后续调质处理后碳化物呈细小的球状弥散分布，这种形态的碳化物分布，一方面在基体中起弥散强化作用，另一方面，能使裂纹扩展的路径曲折,阻止裂纹扩展,因而使钢的强度、塑性及韧性都得到提高。
步骤2)中，所述双液亚温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为170～200℃/h加热至温度830～860℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.9～1.1min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.15～0.25s/mm进入5％Na2CO3水溶液进行冷却，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。这样可以满足轮箍在高温区冷速达到临近冷速，在珠光体和贝氏体转变区等奥氏体最不稳定区域快速冷却，以防止其分解，在马氏体转变时缓慢冷却，降低奥氏体转变成马氏体时的组织应力，避免轮箍产生畸变和开裂。同时又保证获得细小的板条状马氏体组织。
所述Na2CO3水溶液的质量浓度为5％。
步骤2)中，所述高温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为120～150℃/h加热至温度600～630℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.5～1.8min/mm计算，随后水冷至室温，避免钢的第二回火脆性。经过回火，可获得均匀细密的马氏体的回火金相组织，从而可获得良好的韧塑性及合适的强度指标。
步骤2)中，所述低温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为50～80℃/h加热至温度160～190℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.3～1.5min/mm计算，随后空冷至室温。经过低温回火，降低了高温回火水冷过程中轮箍产生的脆性和内应力，提高了稳定性。
本发明还提供了所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用本发明所述的热处理方法进行。
本发明提供的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分中，各成分的作用及控制如下：
C：C元素是钢获得高的强度、硬度所必需的。传统轮箍钢中的C含量较高。高的C含量虽然对钢的强度、硬度等有利，但对钢的塑性和韧性极为不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，改善钢的塑韧性，但过低的C含量会影响钢的强度，结合DI值的要求及其他元素的添加，因此将其控制在C：0.44～0.49％，进一步优选为0.45～0.48％。
Si：Si是钢中主要的脱氧元素，具有很强的固溶强化作用，同时可以提高钢的相变点，提高轮箍的抗热损伤性能，因此控制Si含量为0.80～0.90％，进一步优选为0.82～0.88％。
Mn：Mn是钢中主要合金化元素，脱氧和脱硫的有效元素，Mn具有提高钢中奥氏体稳定性、提高钢的淬透性和强度。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在1.00～1.20％，进一步优选为1.05～1.15％。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时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。但含量过高会恶化钢的韧性，因而控制Cr含量为0.55～0.75％，进一步优选为0.60～0.70％。
Ni：钢中主要合金化元素，Ni能提高钢的强度及韧性，在低温化境下强化晶界，是获得高韧性和低温韧性必不可少的合金元素，并降低冲击韧性转变温度，Ni可提高钢的淬透性、耐蚀性和保证钢在低温下的韧性，应控制Ni含量为0.15～0.30％，进一步优选为0.20～0.28％。
Mo：Mo是置换式固溶体合金元素，固溶于奥氏体中时能提高钢的淬透性，同时提高回火抗力及防止回火脆性。Mo含量过低则上述作用有限，Mo含量过高，则上述作用饱和，且提高钢的成本。因此，控制Mo含量为0.45～0.55％，进一步优选为0.46～0.53％。
Co：Co是非碳化物形成元素，在钢中可强化铁素体。同时Co具有抗氧化性能，可显著提高了钢的热稳定性和耐热性。过量的Co添加会导致材料韧性下降，同时增加钢的脱碳敏感性。Co含量控制在0.55～0.75％，进一步优选为0.60～0.70％。
Zr：Zr是强碳化物形成元素，生产细小弥散碳化物，与基体共格钉扎位错，阻碍枝晶长大及晶界迁移，生成晶须和细化晶粒。此外Zr可固溶于奥氏体中，对淬透性的增加有显著作用。此外Zr和Mo一样，在易在晶界处析出，在高温时具有显著的晶界强化作用。但过多的Zr元素会导致生成脆性夹杂。Zr含量控制在0.040～0.060％。进一步优选为0.045～0.058％。
La：钢中添加适量的La元素，可使MnS、A12O3等夹杂变质为稀土夹杂，有良好的脱氧、脱硫作用。La元素微小的固态质点提供了异质晶核，或在结晶界面上偏聚，阻碍了晶胞长大，提高钢的常温力学性能。过量的La作用不再明显。La含量控制在0.002～0.003％。
V：V对钢的强韧化效果主要表现为析出强化，首先可以在锻轧时析出V(C,N)细化奥氏体晶粒，其次在热处理再加热时析出大量V(CN)纳米第二相细化再加热奥氏体的晶粒尺寸，过高的V含量会导致V(CN)析出温度过高、析出量过多、粒子尺寸容易粗大，不利于细化奥氏体晶粒，对钢的强度、韧性等不利。过低的V以上综合作用不明显。因此V含量控制在0.20～0.30％，进一步优选为0.22～0.28％。
Nb：Nb对车轴钢的强韧化效果主要表现为晶粒细化、析出强化和相变强化。Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，对再结晶具有强烈的阻止作用，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。但其价格昂贵。综合考虑，Nb的范围可控制在0.055～0.075％，进一步优选为0.060～0.070％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.010以下，进一步优选为0.008％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在0.008％以下，进一步优选为0.005％以下。
T[O]：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0010％以下，进一步优选为0.0008％以下。
[N]：N在钢中与V、Al会形成碳氮化物，可以有效的抑制奥氏体晶粒长大，但过多的N含量会导致钢的韧性和抗疲劳性能恶化，因此N含量的控制范围为0.0080～0.010％，进一步优选为0.0085～0.0095％。Al：除了降低钢液中的溶解氧之外，铝还可以起到细化晶粒的作用。但过多的Al含量一方面还原钢中Ti等有害元素，连铸时还容易二次氧化造成钢水污染，因此Al含量应控制0.025～0.045％，进一步优选为0.028～0.040％。
本发明提供的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍与LG61相比：(1)适当降低了C元素含量，改善钢的塑韧性，(2)适当提高了Si元素含量，提高钢的Ac1/Ac3相变点，改善服役过程中出现的热损伤问题，(3)加入微量的V、N等元素，发挥V(CN)析出强化作用，细化晶粒，提高钢的韧性以及屈服强度，从而提高钢的抗疲劳性能以及抗剥离性能；(4)钢中添加适当Ni元素，Ni能提高钢的强度及韧性，在低温条件强化晶界，能获得高的低温韧性，并降低冲击韧性转变温度，进一步提高轮箍在低温条件下的安全性；(5)加入微量Nb、Cr、Mo强碳化物形成元素，不仅细化原奥氏体晶粒尺寸，在回火过程中，第二相析出物M(C,N)相保持了相对较细小尺寸，可作为氢陷阱，抑制氢致延迟断裂。(6)加入微量Zr、Co对钢的耐热性能增强元素，提高钢的耐热损伤性能，(7)严格控制钢中杂质元素T[O]、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。
本发明为了使轮箍热处理后整个截面获得均匀细粒状渗碳体和多边形化铁素体基体组成的马氏体的回火组织+少量下贝氏体，结合轮箍轮辋有效截面尺寸(最大高度为200mm(7.87in)，最大厚度为170mm(6.69.in))以及性能要求，为了使该轮箍具有合适的淬透性，设定该钢临界淬火直径DI：≥8.0，DI＝(0.54C)×(1.00+3.3333Mn)×(1.00+0.7Si)×(1.00+0.363Ni)×(1.00+2.16Cr)×(1.00+3.00Mo)×(1.00+1.73V)。
本发明为了使该轮箍具有高抗热损伤性能：控制A值≥11，A＝20(0.21Cr+0.19Si2+0.27Mo+0.51Zr+0.35Co)。A值是将Cr、Si、Mo、Zr、Co对钢的耐热性能产生影响的程度以及对于各元素的影响度进行加权并相加的方式进行评价的指标，Cr、Si、Mo、Zr、Co是本发明钢种主要的提高耐热性能的元素。
本发明为了使轮箍在合适的热处理工艺下获得高强高韧的性能，满足高抗热损伤服役条件，因此根据合金元素在钢中的作用，轮辋磨耗极限布氏硬度为Y值≥420，Y＝3.3×(100C-100(C-0.4)/3+10Si+25Mo+30Mn+6Ni+20Cr+60(V+Nb))。Y是各元素对调质钢的布氏硬度的影响度进行加权并相加的方式进行评价的指标。
本发明提供的高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的轮辋抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa，属于高强钢，随着钢的强度的升高，其氢致延迟断裂问题逐渐突出，采用V、Nb、Cr、Mo强碳化物形成元素耦合设计，复合微合金化不仅细化原奥氏体晶粒尺寸，在回火过程中，第二相析出物M(C,N)相保持了相对较细小尺寸，可作为氢陷阱，抑制氢致延迟断裂。需满足(2.0Mo+1.2Cr)/(V+1.3Nb)＝F，5.0≤F≤9.9。
上述公式中，各元素所指数值为上述成分对应元素的含量×100；
本发明提供的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的热处理方法，采用“预备热处理(去应力退火+高温正火)+高温淬火+双液亚温淬火+高温回火+低温回火”整体调质热处理，使轮箍整个截面获得均匀细粒状渗碳体和多边形化铁素体基体组成的马氏体回火组织+少量下贝氏体痕迹，获得高硬度高强度的同时，还具有较强的韧性以及屈强比，进一步提高轮箍的抗滚动接触疲劳性能、耐热损伤性和耐磨性。
本发明的关键之处在于将成分优化调整与热处理工艺优化有机地结合起来，与传统的表面喷淬碳素钢轮箍相比，在获得高强度、高硬度的同时，获得优异的抗热损伤性能和耐磨性，减少抗剥离、脱落现象，进一步提高轮箍全寿命周期服役稳定性，同时具有低温条件下服役的性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
采用本发明的化学成分、工艺流程和热处理工艺参数生产的弹性车轮轮箍，测定轮辋抗拉强度(Rm)≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、-60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW(50/750)，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级；热处理后钢的组织为细密的马氏体回火组织+少量下贝氏体痕迹；其中，近表面马氏体回火组织含量为100％及以上，近表面是指踏面下0到40mm。
(1)与传统的“珠光体+铁素体”轮箍相比，具有强度高、硬度高、耐蚀性高以及抗热损伤性高的特点，呈现出良好的强度韧性配合性能。
(2)轮辋抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、-60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW(50/750)，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级。
(3)轮箍热处理后钢的组织为细密的马氏体回火组织+少量下贝氏体痕迹；其中，近表面马氏体回火组织含量为100％，近表面是指踏面下0到40mm。具有更为优异的抗热损伤性能和耐磨性，从而减少抗剥离、脱落现象，进一步提高轮箍全寿命周期服役稳定性。
附图说明
图1为实施例1中的轮辋踏面下50mm金相组织，为100％马氏体的回火组织；
图2为对比例1中的轮辋踏面下50mm金相组织，为珠光体+铁素铁组织。
具体实施方式
本发明提供了一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.44～0.49％，Si：0.80～0.90％，Mn：1.00～1.20％，Cr：0.55～0.75％，Ni：0.15～0.30％，Mo：0.45～0.55％，Co：0.55～0.75％，Zr：0.040～0.060％，La：0.002～0.003％，V：0.20～0.30％，Nb：0.055～0.075％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.0080～0.010％，[H]≤0.0001％，Al：0.025～0.045％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其中，5.0≤F≤9.9，F＝(2.0Mo+1.2Cr)/(V+1.3Nb)。
优选为包括以下重量百分比的化学成分：C：0.45～0.48％，Si：0.82～0.88％，Mn：1.05～1.15％，Cr：0.60～0.70％，Ni：0.20～0.28％，Mo：0.46～0.53％，Co：0.60～0.70％，Zr：0.045～0.058％，La：0.002～0.003％，V：0.22～0.28％，Nb：0.060～0.070％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0008％，[N]：0.0085～0.0095％，[H]≤0.00008％，Al：0.028～0.040％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足临界淬火直径DI≥8.0，DI＝(0.54C)×(1.00+3.3333Mn)×(1.00+0.7Si)×(1.00+0.363Ni)×(1.00+2.16Cr)×(1.00+3.00Mo)×(1.00+1.73V)。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足A值≥11，A＝20(0.21Cr+0.19Si2+0.27Mo+0.51Zr+0.35Co)。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足磨耗极限布氏硬度Y值≥420，Y＝3.3×(100C-100(C-0.4)/3+10Si+25Mo+30Mn+6Ni+20Cr+60(V+Nb))。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的金相组织为马氏体的回火组织和下贝氏体组织。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的轮辋抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、-60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的热处理方法，包括以下步骤：
1)预备热处理，包括去应力退火和奥氏体均匀化高温正火；
2)性能热处理，包括高温淬火、双液亚温淬火、高温回火和低温回火。
步骤1)中，所述去应力退火具体为：将毛坯轮箍按照加热速度为180～210℃/h加热至温度580～640℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按2.8～3.2min/mm计算，随后炉冷。
步骤1)中，所述奥氏体均匀化高温正火具体为：毛坯轮箍以加热速度为200～230℃/h加热至温度960～990℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按0.9～1.3min/mm计算，随后空冷。
步骤2)中，所述高温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为150～180℃/h加热至温度1050～1080℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.8～1.2min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.35～0.55s/mm进行油冷，冷至150℃以下空冷至室温。
步骤2)中，所述双液亚温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为170～200℃/h加热至温度830～860℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.9～1.1min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.15～0.25s/mm进入5％Na2CO3水溶液进行冷却，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
所述Na2CO3水溶液的质量浓度为5％。
步骤2)中，所述高温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为120～150℃/h加热至温度600～630℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.5～1.8min/mm计算，随后水冷至室温。
步骤2)中，所述低温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为50～80℃/h加热至温度160～190℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.3～1.5min/mm计算，随后空冷至室温。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，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。
实施例1
一种具有良好抗疲劳性能的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的实施例1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为160mm、外径直径为690mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
去应力退火：以180℃/h加热至温度640℃，加热保温时间600min，炉冷至100℃以下。
奥氏体均匀化高温正火：以230℃/h加热至温度960℃，加热保温时间180min，空冷至200℃以下。
高温淬火：以170℃/h加热至温度1050℃，加热保温时间200min，淬火油中冷却70s冷至150℃以下空冷至室温。
双液亚温淬火：以170℃/h加热至温度860℃，加热保温时间210min，进入5％Na2CO3水溶液中冷却26s，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
高温回火：以130℃/h加热至温度620℃，加热保温时间300min，水冷至室温。
低温回火：以60℃/h加热至温度160℃，加热保温时间270min，空冷至室温。
实施例2
一种具有良好抗疲劳性能的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的实施例2所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为170mm、外径直径为650mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
去应力退火：以190℃/h加热至温度630℃，加热保温时间620min，炉冷至100℃以下。
奥氏体均匀化高温正火：以220℃/h加热至温度970℃，加热保温时间200min，空冷至200℃以下。
高温淬火：以180℃/h加热至温度1080℃，加热保温时间190min，淬火油中冷却60s冷至150℃以下空冷至室温。
双液亚温淬火：以180℃/h加热至温度850℃，加热保温时间220min，进入5％Na2CO3水溶液中冷却30s，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
高温回火：以120℃/h加热至温度600℃，加热保温时间360min，水冷至室温。
低温回火：以50℃/h加热至温度170℃，加热保温时间260min，空冷至室温。
实施例3
一种具有良好抗疲劳性能的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的实施例3所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为165mm、外径直径为690mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
去应力退火：以210℃/h加热至温度580℃，加热保温时间640min，炉冷至100℃以下。
奥氏体均匀化高温正火：以200℃/h加热至温度990℃，加热保温时间260min，空冷至200℃以下。
高温淬火：以160℃/h加热至温度1070℃，加热保温时间200min，淬火油中冷却80s冷至150℃以下空冷至室温。
双液亚温淬火：以200℃/h加热至温度830℃，加热保温时间190min，进入5％Na2CO3水溶液中冷却41s，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
高温回火：以140℃/h加热至温度630℃，加热保温时间340min，水冷至室温。
低温回火：以80℃/h加热至温度180℃，加热保温时间300min，空冷至室温。
实施例4
一种具有良好抗疲劳性能的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的实施例4所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为169mm、外径直径为695mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
去应力退火：以200℃/h加热至温度610℃，加热保温时间630min，炉冷至100℃以下。
奥氏体均匀化高温正火：以210℃/h加热至温度980℃，加热保温时间220min，空冷至200℃以下。
高温淬火：以150℃/h加热至温度1060℃，加热保温时间220min，淬火油中冷却90s冷至150℃以下空冷至室温。
双液亚温淬火：以190℃/h加热至温度840℃，加热保温时间180min，进入5％Na2CO3水溶液中冷却38s，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
高温回火：以150℃/h加热至温度610℃，加热保温时间330min，水冷至室温。
低温回火：以70℃/h加热至温度190℃，加热保温时间280min，空冷至室温。
对比例1
一种弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的对比例1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为168mm、外径直径为690mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
淬火：以200℃/h加热至温度865℃，加热保温时间200min，水冷至室温。
回火：以210℃/h加热至温度610℃，加热保温时间300min，空冷至室温。
对比例2
一种弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的对比例2所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为165mm、外径直径为700mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行：
淬火：以220℃/h加热至温度855℃，加热保温时间210min，水冷至室温。
回火：以200℃/h加热至温度620℃，加热保温时间310min，空冷至室温。
对比例3
一种弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的对比例3所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述弹性车轮用轮箍的生产方法如下：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造，锻造为高度为200mm，厚度为170mm、外径直径为650mm的毛坯轮箍→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用以下热处理方法进行去应力退火：以210℃/h加热至温度580℃，加热保温时间640min，炉冷至100℃以下。
奥氏体均匀化高温正火：以200℃/h加热至温度990℃，加热保温时间260min，空冷至200℃以下。
高温淬火：以160℃/h加热至温度1070℃，加热保温时间200min，淬火油中冷却80s冷至150℃以下空冷至室温。
双液亚温淬火：以200℃/h加热至温度830℃，加热保温时间190min，进入5％Na2CO3水溶液中冷却41s，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
高温回火：以140℃/h加热至温度660℃，加热保温时间340min，水冷至室温，避免二次回火脆性。
低温回火：以80℃/h加热至温度180℃，加热保温时间300min，空冷至室温。
对比例4
一种弹性车轮用轮箍，其化学成分及重量百分比如表1中的对比例4所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
所述弹性车轮用轮箍的生产方法同实施例2。
表1
各实施例和对比例中的轮箍的机械性能如表2所示。
表2实施例及对比例机械性能
各实施例和对比例中的轮箍的金相组织及轮辋断面硬度值及偏差如表3所示。
表3实施例及对比例金相组织及轮辋断面硬度值及偏差
各实施例和对比例中的轮箍的抗接触疲劳性能如表4所示。
表4实施例及对比例车轮抗接触疲劳性能
| 接触应力/MPa | 循环次数(次) | 转速(r/min) | 润滑条件 | 是否疲劳掉块 | |
| 实施例1 | 2000 | 6×106 | 1500 | 油润滑 | 否 |
| 实施例2 | 2000 | 6×106 | 1500 | 油润滑 | 否 |
| 实施例3 | 2000 | 6×106 | 1500 | 油润滑 | 否 |
| 实施例4 | 2000 | 6×106 | 1500 | 油润滑 | 否 |
| 对比例1 | 1200 | 7.0×105 | 1500 | 油润滑 | 是 |
| 对比例2 | 1200 | 7.0×105 | 1500 | 油润滑 | 是 |
| 对比例3 | 2000 | 4.5×106 | 1500 | 油润滑 | 是 |
| 对比例4 | 2000 | 4.0×106 | 1500 | 油润滑 | 是 |
上述组织和性能检测方法如下：
参照GB/T 13299、GB/T 6394、GB/T 228、GB/T 229、GB/T231、GB/T 21143、GB/T19746进行性能试验。
实施例1～4的钢化学成分组成、生产方法均得到适当控制，其化学成分保证了DI：≥8.0.in，N值≥11，B≥420，5.0≤F≤9.9，钢的强度、塑性、韧性、抗接触疲劳性能、耐热损伤性能均较好。对比例1、对比例2是化学成分以及热处理工艺不合适，对比例3的热处理工艺不合适，对比例4是Y值设计不合适。对比例1、对比例2化学成分以及热处理工艺控制不当，造成钢的强度、截面硬度过低，低温冲击韧性较低，抗热损伤性能低。对比例3虽然化学成分同实施例3，但热处理工艺不合理，回火温度偏高导致强度和截面硬度较低，最终导致抗热损伤性能较差。对比例4与实施例2热处理工艺相同，化学成分设计符合要求，但Y值设计不符合设定公式要求，导致强度和截面硬度较低，最终导致接触疲劳性能较差。
上述参照实施例对一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍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 (15)
1.一种≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.44～0.49％，Si：0.80～0.90％，Mn：1.00～1.20％，Cr：0.55～0.75％，Ni：0.15～0.30％，Mo：0.45～0.55％，Co：0.55～0.75％，Zr：0.040～0.060％，La：0.002～0.003％，V：0.20～0.30％，Nb：0.055～0.075％，P≤0.010％，S≤0.008％，T[O]≤0.0010％，[N]：0.0080～0.010％，[H]≤0.0001％，Al：0.025～0.045％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其中，5.0≤F≤9.9，F＝(2.0Mo+1.2Cr)/(V+1.3Nb)。
2.根据权利要求1所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.45～0.48％，Si：0.82～0.88％，Mn：1.05～1.15％，Cr：0.60～0.70％，Ni：0.20～0.28％，Mo：0.46～0.53％，Co：0.60～0.70％，Zr：0.045～0.058％，La：0.002～0.003％，V：0.22～0.28％，Nb：0.060～0.070％，P≤0.008％，S≤0.005％，T[O]≤0.0008％，[N]：0.0085～0.0095％，[H]≤0.00008％，Al：0.028～0.040％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足临界淬火直径DI≥8.0，DI＝(0.54C)×(1.00+3.3333Mn)×(1.00+0.7Si)×(1.00+0.363Ni)×(1.00+2.16Cr)×(1.00+3.00Mo)×(1.00+0.365Cu)×(1.00+1.73V)。
4.根据权利要求1所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足A值≥11，A＝20(0.21Cr+0.19Si2+0.27Mo+0.51Zr+0.35Co)。
5.根据权利要求1所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的成分满足磨耗极限布氏硬度Y值≥420，Y＝3.3×(100C-100(C-0.4)/3+10Si+25Mo+30Mn+6Ni+20Cr+60(V+Nb))。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的金相组织为马氏体的回火组织和下贝氏体组织。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍，其特征在于，所述≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的轮辋抗拉强度≥1300MPa、屈服强度≥1150MPa、-60℃冲击功KV2≥100J，轮辋磨耗极限布氏硬度≥400HBW，单个车轮轮辋断面硬度值变动在15HBW之内，0℃时的轮辋断裂韧性≥120MPa.m1/2，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级。
8.如权利要求1-7任意一项所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：
1)预备热处理，包括去应力退火和奥氏体均匀化高温正火；
2)性能热处理，包括高温淬火、双液亚温淬火、高温回火和低温回火。
9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤1)中，所述去应力退火具体为：将毛坯轮箍按照加热速度为180～210℃/h加热至温度580～640℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按2.8～3.2min/mm计算，随后炉冷。
10.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤1)中，所述奥氏体均匀化高温正火具体为：毛坯轮箍以加热速度为200～230℃/h加热至温度960～990℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按0.9～1.3min/mm计算，随后空冷。
11.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述高温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为150～180℃/h加热至温度1050～1080℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.8～1.2min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.35～0.55s/mm进行油冷，冷至150℃以下空冷至室温。
12.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述双液亚温淬火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为170～200℃/h加热至温度830～860℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，按0.9～1.1min/mm计算，随后以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较小值为基准，按照0.15～0.25s/mm进入Na2CO3水溶液进行冷却，冷却至400℃时转入油槽继续进行冷却，冷至100℃以下空冷至室温。
13.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述高温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为120～150℃/h加热至温度600～630℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.5～1.8min/mm计算，随后水冷至室温。
14.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述低温回火具体为：将毛坯轮箍以加热速度为50～80℃/h加热至温度160～190℃，在该温度段的加热保温时间以毛坯轮箍的最大高度与最大厚度中的较大值为基准，保温时间按1.3～1.5min/mm计算，随后空冷至室温。
15.如权利要求1-7任意一项所述的≥420HB高抗热损伤性弹性车轮用轮箍的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→连铸→铸坯加热炉加热→热轧圆钢轧制→轮箍毛坯锻造→热处理→粗车加工→精车加工→探伤；其中，热处理采用权利要求8-14任意一项所述的热处理方法进行。
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