一种中碳铁路货车用车轮钢及其制备方法

摘要

本发明公开了一种中碳铁路货车用车轮钢及其制备方法，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.62～0.68％、Si 0.70～1.10％、Mn 0.70～0.90％、Cr≤0.15％、V 0.07‑0.15％、P≤0.012％、S≤0.012％、N 0.006～0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其制备方法为：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。该方法能够有效改善23t‑30t轴重、运行速度≤160km/h的车轮钢的断裂力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中碳铁路货车用车轮钢及其制备方法，尤其涉及23t-30t轴重、运行速度≤160km/h的中碳铁路货车用车轮刚及其制备方法。

背景技术

早在20世纪的20年代，Griffith就提出了著名的裂纹体的脆断强度理论。但由于当时工业中使用的金属结构材料的强度较低、塑形和韧性很好，因而构件发生脆断的情况很少。第二次世界大战后，在相当多的工业部门，尤其是航空航天工业中，广泛使用高强度材料，引起了一系列的脆断事故。

因此，防止构件裂纹萌生、抵抗裂纹失稳扩展能力是断裂力学认为能够真实反映材料的重要性能指标，对构件的强度设计具有十分重要的意义。既然是材料本身所固有的力学性能，它就由材料的成分，组织和结构决定。成分不同，材料的抗裂纹萌生、抗裂纹扩展能力会有明显的不同。若对同一成分的材料，如采用不同的制备、加工和热处理工艺，则也会获得不同的断裂力学性能。

为尽快解决铁路运力不足问题，原铁道部早在2003年6月就提出重载运输的铁路货运发展战略，近几年来通过不断的技术进步，国内30t轴重重载货运技术已取得突破性进展，同时，160km/h运行速度的快捷货运也提到了议事日程，可以预见在不远的将来，快速重载货运在国内必然会得到迅猛发展。但是，货运快速重载的发展对现有常规CL60车轮材料提出了挑战性要求，这是因为速度和轴重的增加不可避免的会引起车轮的使用条件恶化，冲击力加剧，轮轨接触应力状态明显恶化，不仅磨损、接触疲劳等机械损伤将成为车轮使用过程中的突出问题，同时也对车轮材料的抗裂纹萌生和抗裂纹扩展能力也提出了越来越高的要求。

为了适应货运快速重载的发展，目前国内已基本开发成功常规CL65材质货车车轮，其服役性能明显优于现有的CL60材质货车轮，但是随着速度的进一步增加，可以预见，将会使车轮的使用条件进一步恶化，因此，为未来快捷货运做准备，极有必要开发出有效改善断裂力学性能的车轮材质，在稳定车轮的强硬度性能水平的基础上，进一步提高车轮抗裂纹萌生和抵抗裂纹扩展能力，使其能够更好的适应未来货运快速重载的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种中碳铁路货车用车轮钢及其制备方法，该方法能够有效改善23t-30t轴重、运行速度≤160km/h的车轮钢的断裂力学性能。

本发明采取的技术方案为：

一种中碳铁路货车用车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.62～0.68％、Si 0.70～1.10％、Mn 0.70～0.90％、Cr≤0.15％、V 0.07-0.15％、P≤0.012％、S≤0.012％、N 0.006～0.009％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述化学成分及重量百分比优选为：C 0.63～0.67％、Si 0.72～1.05％、Mn 0.76～0.85％、Cr 0.04～0.13％、V 0.08-0.14％、P 0.004～0.006％、S 0.006～0.010％、N 0.006～0.0087％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述化学成分及重量百分比优选为：C 0.63％、Si 0.72％、Mn 0.76％、Cr 0.004％、V 0.08％、P 0.004％、S 0.006％、N 0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述化学成分及重量百分比优选为：C 0.67％、Si1.05％、Mn 0.85％、Cr 0.13％、V 0.14％、P 0.006％、S 0.010％、N 0.0087％，其余为Fe和不可避免的杂质元素

本发明还提供了所述中碳铁路货车用车轮钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：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；

所述的热处理工序为：首先在850-870℃保温2.0-2.5小时后，空冷至室温，然后加热至870-890℃保温2.5-3小时，轮辋喷水冷却，然后在500-520℃回火处理4.0小时。

轮辋喷水冷却使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到560℃以下。

进一步地，所述的热处理工序为：首先在855-865℃保温2.0-2.5小时后，空冷至室温，然后加热至875-885℃保温2.5-3小时，轮辋喷水冷却，然后在500-520℃回火处理4.0小时。

进一步地，所述的热处理工序为：首先在855℃保温2.0小时后，空冷至室温，然后加热至875℃保温3小时，轮辋喷水冷却，然后在520℃回火处理4.0小时。

进一步地，所述的热处理工序为：首先在865℃保温2.0小时后，空冷至室温，然后加热至885℃保温3小时，轮辋喷水冷却，然后在500℃回火处理4.0小时。

所述中碳铁路货车用车轮钢的金相组织为细珠光体+少量铁素体。

对于重载货运车轮来说，首要考虑是耐磨性，C对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮的强度硬度指标，改善车轮的耐磨性能，但其含量过高将降低车轮的韧性和塑性，因此本发明将C的范围确定为0.62-0.68％之间。

从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强度硬度性能和高的塑性性能，应实施复合微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的Si、Mn、V含量进行了设计。

由化学成分与Ac1、Ac3点的关系看，提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料抗热损伤性能，但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此本发明将Si的范围确定为0.70-1.10％之间。

Mn是本发明中重要的强化元素，能够有效提高车轮强度硬度性能，从而提高车轮的耐磨性能，但过高Mn对车轮的综合机械性能和加工性能有不良影响，故Mn含量控制在0.70-0.90％之间。

V是固溶强化元素，同时可以与N结合形成VN达到细化晶粒的作用，在合理的热处理条件下可同时提高车轮的强硬度和韧性综合性能。但V含量过高，会明显提高车轮钢的淬透性能，诱发非铁素体-珠光体组织的形成，因此，V含量应该控制在0.07-0.15％，同时，为确保细化晶粒的效果，N含量应该控制在0.006-0.009％。

P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.012％。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：本发明制备的车轮相比CL65材质车轮钢，在强硬度水平基本相当的条件下，能够有效提高车轮的裂纹扩展门槛值和断裂韧性，从而有效增强了车轮的抗裂纹萌生和裂纹扩展能力。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度。

附图说明

图1为常规CL65材质车轮轮辋金相组织；

图2为实施例1-2车轮轮辋金相组织。

具体实施方式

下面结合附图1-2及实施例1-2对本发明进行详细的说明。

实施例1

一种中碳铁路货车用车轮钢，包括如表1中实施例1所示的重量百分比的化学成分。其制备方法为：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的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为1098mm的车轮，具体为：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855℃保温2.0小时后，空冷至室温，在875℃保温3小时，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到560℃以下，最后在520℃回火处理4小时。

如图1、2所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与CL65材质车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示，其强硬度指标与CL65材质车轮相当，但塑性指标上升。

在Zwick HFP 300kN高频疲劳试验机上进行了裂纹扩展门槛值对比试验，试样为直通型CT30mm，均取自CL65材质车轮和本实施例车轮轮辋相同部位处，试验结果如表3所示，相比于CL65材质车轮，本实施例的裂纹扩展门槛值更好，阻止裂纹萌生的能力更强。

按GB/T 4161-2007标准，采用CT50mm直通型缺口紧凑拉伸试样在MTS试验机上进行轮辋断裂韧性K_IC测试试验，试样均取自CL65材质车轮和本实施例车轮轮辋相同部位处。试验结果如表4所示，本实施例断裂韧性试验结果优于对比例，阻止裂纹扩展能力更强。

实施例2

一种中碳铁路货车用车轮钢，包括如表1中实施例2所示的重量百分比的化学成分。其制备方法为：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的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为1098mm的车轮，具体为：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865℃保温2.0小时后，空冷至室温，在885℃保温3小时，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/s～5℃/s的冷却速度加速冷却到560℃以下，最后在500℃回火处理4小时。

如图1、2所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与CL65材质车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2所示，其强硬度指标与CL65材质车轮相当，但塑性指标上升。

在Zwick HFP 300kN高频疲劳试验机上进行了裂纹扩展门槛值对比试验，试样为直通型CT30mm，均取自对比例和本实施例车轮轮辋相同部位处，试验结果如表3所示，相比于CL65材质车轮，本实施例的裂纹扩展门槛值更好，阻止裂纹萌生的能力更强。

按GB/T 4161-2007标准，采用CT50mm直通型缺口紧凑拉伸试样在MTS试验机上进行轮辋断裂韧性K_IC测试试验，试样均取自CL65材质车轮和本实施例车轮轮辋相同部位处。试验结果如表4所示，本实施例断裂韧性试验结果优于CL65材质车轮，阻止裂纹扩展能力更强。

可见，本发明制备的车轮相比CL65材质车轮钢，在强硬度水平基本相当的条件下，能够显著提高车轮的裂纹扩展门槛值和断裂韧性，从而有效增强了车轮的抗裂纹萌生和裂纹扩展能力。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度。

表1实施例1-2及常规CL65材质所采用的车轮合金成分(重量百分比％)

CSiMnPSCrVN实施例10.630.720.760.0040.0060.040.080.006实施例20.671.050.850.0060.0100.130.140.0087CL65材质0.540.300.780.0090.0140.250.0040.0047

表2实施例1-2和常规CL65材质制造的车轮轮辋机械性能

Rm(MPa)A％Z％踏面下30mm处硬度(HB)实施例110481642.6299实施例210661739.3305CL65材质10471640.5301

表3实施例1-2和CL65材质制造的车轮轮辋裂纹扩展门槛值试验结果

表4实施例1-2和CL65材质制造的车轮轮辋断裂韧性试验结果

上述参照实施例对一种中碳铁路货车用车轮钢及其制备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。