專利名稱：：一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬鐵道車輛車輪用鋼及其制備方法，尤其涉及25噸軸重以上120千米/小時(shí)以下鐵路貨車車輪用鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
：火車車輪是列車的關(guān)鍵部件之一，在列車運(yùn)行中具有承載、導(dǎo)向、向鋼軌傳遞動(dòng)力和制動(dòng)等功能。它不僅承受著火車全部載重量，更重要的是它在高速滾動(dòng)，承受交變、動(dòng)態(tài)的機(jī)械載荷和巨大的慣性力、沖擊力，以及剎車制動(dòng)力和因?yàn)閯x車摩擦溫升產(chǎn)生的熱損傷；并且，以車輪為中心，車輪是唯一與鋼軌、閘瓦、車軸同時(shí)存在三對(duì)摩擦副的部件。車輪運(yùn)行從北到南、從冬到夏、面臨線路條件不同，這些也嚴(yán)重影響車輪的力學(xué)性能。隨著車輛軸重的加大，車輪承受載荷相應(yīng)提高，車輪的使用條件必然會(huì)發(fā)生顯著變，工況變得更加惡劣。在這種情況下，以前認(rèn)為是安全的或是允許存在的車輪材質(zhì)問(wèn)題現(xiàn)在也極易引發(fā)車輪的失效。重載鐵路車輪以北美AAR為主要代表，其中AAR-C級(jí)鋼車輪已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于北美鐵路貨運(yùn)方面。其化學(xué)成分為0.67%-0.77%C，0.60/0-0.9%Mn，0.15%-1.0%Si，Cr《0.25%，P《0.03%，0.005%-0.04%S，其余為鐵和參與元素，它是一種中高碳素鋼車輪鋼，組織狀態(tài)為鐵素體-珠光體，這種鋼的顯著特點(diǎn)是碳含量高，耐磨性好、抗接觸疲勞強(qiáng)度高，但抵抗熱損傷、內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較差。日本SSW-3R材質(zhì)主要用于載重量高的車輪上，其化學(xué)成分控制范圍0.60-0.75%C，0.15-0.35%Si，0.50-0.90%Mn，S《0.050%，P《0.045%，Cu《0.30%。其性能為輪輞抗拉強(qiáng)度970-1077MPa，硬度311-363HB，A5。/。^12，常溫輪輞斷裂韌性《50Mpa.11^2。這種材質(zhì)用于25T軸重以上，特別是35T軸重以上的重載3車輪上時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常磨耗、踏面剝離和韌性差等問(wèn)題。我國(guó)車輪鋼CL60鋼的化學(xué)成分為0.55-0.65%C.，0.17-0.37%Si，'0.50-0.80%Mn，S《0.035%,P《0.0德，用于25噸軸重火車時(shí)，使用1年左右踏面磨耗超過(guò)3mm，2年左右貨車車輪踏面磨耗量已達(dá)到7-10mm，踏面磨耗量過(guò)高。從這三種鋼比較看，SSW-3R和CL60碳含量較低，故其韌性好，但其耐磨性較差，而AAR-C由于碳含量高，故其耐磨性好，但其韌性抵，抗熱損傷、內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較差。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼及其制備方法，該車輪鋼既有良好的耐磨性、抗接觸疲勞性能，又有較好的抗熱損傷、抗內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展性能。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼，由下列合金元素按質(zhì)量百分比(％)組成C:0.5263Q/q，Si:0.500.1.0%，Mn:0.801.20。/(>，Cr《0.70%，S:0.0050.020%,P《0.030%，其余為鐵和雜質(zhì)元素。優(yōu)選方案為C:0.5863°/。，Si:0.750.85%，Mn:0.801.00%，Cr:0.300.40%，S:0.0050.020%,P《0.030%，其余為鐵和雜質(zhì)元素。以下是本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而提出的更詳盡的技術(shù)方案耐磨是鐵路車輪應(yīng)具備的基本功能。硬度水平相當(dāng)時(shí)，鐵素體-珠光體材料具有最好的耐磨性，因而，本發(fā)明的車輪材料應(yīng)具有鐵素體-珠光體組織狀態(tài)。根據(jù)鐵素體-珠光體鋼組織一性能關(guān)系，c對(duì)強(qiáng)、硬度貢獻(xiàn)最大、對(duì)韌性的損害最大，Si則次之，若要保證韌性，降低C含量是最有效的，此時(shí)可通過(guò)Si彌補(bǔ)強(qiáng)度損失，從而獲得較好的強(qiáng)韌配合。在上述化學(xué)成分中，C是關(guān)鍵元素，它能提高車輪鋼的力學(xué)性能，具有優(yōu)異的抗磨耗性能，但過(guò)高的碳會(huì)降低鋼的沖擊特性、斷裂韌性和抗熱裂損性能。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著碳含量的降低，材料的抗磨耗性能及耐接觸疲勞性能降低，但材料的耐熱疲勞性能顯著提高，因此本發(fā)明將C的范圍確定為0.520.63%之間，優(yōu)選O.580.63%。.Si含量的確定Si是本發(fā)明中最重要的固溶強(qiáng)化元素，硅在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中，具有提高它們的硬度和強(qiáng)度的作用，在常見(jiàn)元素中，僅次于磷，而較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等為強(qiáng)。這對(duì)于提高本發(fā)明的抗磨耗性能是極為有利的。同時(shí)，硅是封閉v相區(qū)的元素之一，能夠提高鋼的Acl、Ac3點(diǎn)的溫度，這意味著Si會(huì)使材質(zhì)奧氏體化的溫度升高，因此會(huì)使車輪在受到強(qiáng)烈的熱輸入時(shí)發(fā)生相變的幾率減小，有利于緩解熱致剝離、熱裂紋等熱損傷型缺陷的發(fā)生。但過(guò)高的Si會(huì)增加材料的熱敏感性和脆性。因此本發(fā)明將Si的范圍確定為0.501.0%之間，優(yōu)選0.750.85%。Mn能降低鋼的共析轉(zhuǎn)變溫度，并使其共析轉(zhuǎn)變向低碳方向轉(zhuǎn)移，增加了珠光體體積分?jǐn)?shù)，減少了珠光體片層間距，從而提高了車輪鋼的強(qiáng)度、塑性及耐磨性。試驗(yàn)表明，鋼的強(qiáng)度明顯隨著錳含量的增加而增加，但錳含量大于1.2%時(shí)，由于鋼的粗化趨勢(shì)明顯，使鋼的塑性、韌性明顯降低。本發(fā)明碳含量較低，為彌補(bǔ)碳含量的不足，適當(dāng)提高錳含量，故Mn含量控制在0.80-1.2%之間，優(yōu)選O.801.0%。Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，加入Cr可減少碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，從而細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，減少了珠光體片層間距，使車輪鋼強(qiáng)度、硬度、耐磨性升高，但會(huì)降低鋼的塑性。從Cr元素對(duì)完全珠光體臨界冷卻速度的影響規(guī)律看，為使鐵素體-珠光體組織易于獲得，Cr含量應(yīng)該控制在不超過(guò)0.70%，優(yōu)選0.30.45%。P和S是雜質(zhì)元素，故其含量應(yīng)該控制在不超過(guò)0.040%。為了實(shí)現(xiàn)與上述技術(shù)方案相同的發(fā)明目的，本發(fā)明所要解決的另一個(gè)問(wèn)題是還提供了上述車輪鋼的制備方法。制備方法包括轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序，所述的熱處理工序?yàn)樵?45—855。C加熱處理2—2.5小時(shí)，噴水淬火200—300S，再在500_55(TC回火處理3—4小時(shí)。本發(fā)明通過(guò)降低碳含量來(lái)提高車輪鋼的韌性、塑性、抗熱損傷性、抗內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展性能，由于碳含量建設(shè)導(dǎo)致的強(qiáng)度、硬度、耐磨耗性能的降低可通過(guò)提高硅、錳的含量及加入適量的鉻來(lái)彌補(bǔ)。上述技術(shù)方案具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，并在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，解決了本領(lǐng)域長(zhǎng)期未能解決的技術(shù)難題，充分體現(xiàn)了本發(fā)明的新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明獲得了以下有益效果本發(fā)明制成的車輪在不同的加熱速率下，相變溫度Acl和Ac3點(diǎn)明顯升高，從而使車輪重新發(fā)生奧氏體相變的幾率減小，提高了車輪抗熱損傷性能。本發(fā)明制成的車輪在高溫(550—65(TC)狀態(tài)下，能夠繼續(xù)保持較高的硬度水平，提高了車輪使用的穩(wěn)定性。本發(fā)明制成的車輪在保持原有車輪韌性、塑性的基礎(chǔ)上使強(qiáng)度、硬度性能顯著增加，獲得了更良好的綜合力學(xué)性能，從而有效增強(qiáng)了車輪的耐磨性能。同時(shí)，本發(fā)明制成的車輪能夠保持原有車輪的金相組織狀態(tài)，不增大車輪制備的難度。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例中的車輪鋼均采用120噸氧頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉經(jīng)LF+VD精煉真空脫氣后直接連鑄成&380mm的圓坯，經(jīng)切錠加熱軋制、熱處理后形成直徑為840mm的車輪。實(shí)施例1:將鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。所述的熱處理工序?yàn)樵?50'C加熱處理2.5小時(shí)，噴水淬火200S，再在500"C回火處理4小時(shí)，控制鋼水中的各種元素重量百分濃度見(jiàn)表l。本實(shí)施例制成的車輪輪輞金相組織狀態(tài)同現(xiàn)有技術(shù)制成的車輪一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體，這表明本發(fā)明的材質(zhì)具有好的耐磨性，同時(shí)也未給車輪的制備增加任何難度。按本實(shí)施例獲得的不同加熱速率下相變溫度Acl和Ac3點(diǎn)的變化見(jiàn)表2，表明本發(fā)明獲得的樣品奧氏體化溫度要明顯高于現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品，這意味著本實(shí)施例制成的車輪在受到較大熱輸入的情況下，會(huì)減小車輪重新發(fā)生奧氏體相變的幾率，提高了車輪抗熱損傷性能。按本實(shí)施例獲得的機(jī)械性能如表3—5所示，表明本發(fā)明獲得的樣品在與現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品其韌性、塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度性能明顯提高，獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。制動(dòng)過(guò)程中，車輪踏面硬度如果因受熱而大幅降低，可能使磨損、踏面輾寬問(wèn)題加劇，為此，對(duì)本實(shí)施例制成的未回火態(tài)車輪進(jìn)行了不同溫度的回火處理后，測(cè)定了踏面下30mm處硬度，本實(shí)施例制備的車輪在不同溫度下硬度均明顯高于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明當(dāng)受到長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，本實(shí)施例制成的車輪能夠繼續(xù)保持較高的硬度水平，提高了車輪使用的穩(wěn)定性。本實(shí)施例制備的車輪磨耗失重明顯小于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明本實(shí)施例具有更良好的耐磨性能。實(shí)施例2:將鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。所述的熱處理工序?yàn)樵?5(TC加熱處理2.5小時(shí)，噴水淬火200S，再在50(TC回火處理4小時(shí)，控制鋼水中的各種元素重量百分濃度見(jiàn)表l。本實(shí)施例制成的車輪輪輞金相組織狀態(tài)同現(xiàn)有技術(shù)制成的車輪一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體，這表明本發(fā)明的材質(zhì)具有好的耐磨性，同時(shí)也未給車輪的制備增加任何難度。按本實(shí)施例獲得的不同加熱速率下相變溫度Acl和Ac3點(diǎn)的變化見(jiàn)表2，表明本發(fā)明獲得的樣品奧氏體化溫度要明顯高于現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品，這意味著本實(shí)施例制成的車輪在受到較大熱輸入的情況下，會(huì)減小車輪重新發(fā)生奧氏體相變的幾率，提高了車輪抗熱損傷性能。按本實(shí)施例獲得的機(jī)械性能如表3—5所示，表明本發(fā)明獲得的樣品在與現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品其韌性、塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度性能明顯提高，獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。制動(dòng)過(guò)程中，車輪踏面硬度如果因受熱而大幅降低，可能使磨損、踏面輾寬問(wèn)題加劇，為此，對(duì)本實(shí)施例制成的未回火態(tài)車輪進(jìn)行了不同溫度的回火處理后，測(cè)定了踏面下30ran處硬度，本實(shí)施例制備的車輪在不同溫度下硬度均明顯高于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明當(dāng)受到長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，本實(shí)施例制成的車輪能夠繼續(xù)保持較高的硬度水平，提高了車輪使用的穩(wěn)定性。本實(shí)施例制備的車輪磨耗失重明顯小于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明本實(shí)施例具有更良好的耐磨性能。實(shí)施例3:將鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。所述的熱處理工序?yàn)樵?5(TC加熱處理2.5小時(shí)，噴水淬火200S，再在500'C回火處理4小時(shí)，控制鋼水中的各種元素重量百分濃度見(jiàn)表l。本實(shí)施例制成的車輪輪輞金相組織狀態(tài)同現(xiàn)有技術(shù)制成的車輪一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體，這表明本發(fā)明的材質(zhì)具有好的耐磨性，同時(shí)也未給車輪的制備增加任何難度。按本實(shí)施例獲得的不同加熱速率下相變溫度Acl和Ac3點(diǎn)的變化見(jiàn)表2，表明本發(fā)明獲得的樣品奧氏體化溫度要明顯高于現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品，這意味著本實(shí)施例制成的車輪在受到較大熱輸入的情況下，會(huì)減小車輪重新發(fā)生奧氏體相變的幾率，提高了車輪抗熱損傷性能。按本實(shí)施例獲得的機(jī)械性能如表3—5所示，表明本發(fā)明獲得的樣品在與現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品其韌性、塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度性能明顯提高，獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。制動(dòng)過(guò)程中，車輪踏面硬度如果因受熱而大幅降低，可能使磨損、踏面輾寬問(wèn)題加劇，為此，對(duì)本實(shí)施例制成的未回火態(tài)車輪進(jìn)行了不同溫度的回火處理后，測(cè)定了踏面下30mm處硬度，本實(shí)施例制備的車輪在不同溫度下硬度均明顯高于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明當(dāng)受到長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，本實(shí)施例制成的車輪能夠繼續(xù)保持較高的硬度水平，提高了車輪使用的穩(wěn)定性。本實(shí)施例制備的車輪磨耗失重明顯小于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明本實(shí)施例具有更良好的耐磨性能。實(shí)施例4:將鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序而形成。所述的熱處理工序?yàn)樵?50。C加熱處理2.5小時(shí)，噴水淬火200S，再在500。C回火處理4小時(shí)，控制鋼水中的各種元素重量百分濃度見(jiàn)表l。本實(shí)施例制成的車輪輪輞金相組織狀態(tài)同現(xiàn)有技術(shù)制成的車輪一致，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體，這表明本發(fā)明的材質(zhì)具有好的耐磨性，同時(shí)也未給車輪的制備增加任何難度。按本實(shí)施例獲得的不同加熱速率下相變溫度Acl和Ac3點(diǎn)的變化見(jiàn)表2，表明本發(fā)明獲得的樣品奧氏體化溫度要明顯高于現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品，這意味著本實(shí)施例制成的車輪在受到較大熱輸入的情況下，會(huì)減小車輪重新發(fā)生奧氏體相變的幾率，提高了車輪抗熱損傷性能。按本實(shí)施例獲得的機(jī)械性能如表3—5所示，表明本發(fā)明獲得的樣品在與現(xiàn)有技術(shù)獲得的樣品其韌性、塑性保持同等水平，而強(qiáng)度、硬度性能明顯提高，獲得了更良好的綜合力學(xué)性能。制動(dòng)過(guò)程中，車輪踏面硬度如果因受熱而大幅降低，可能使磨損、踏面輾寬問(wèn)題加劇，為此，對(duì)本實(shí)施例制成的未回火態(tài)車輪進(jìn)行了不同溫度的回火處理后，測(cè)定了踏面下30mm處硬度，本實(shí)施例制備的車輪在不同溫度下硬度均明顯高于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明當(dāng)受到長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)時(shí)，本實(shí)施例制成的車輪能夠繼續(xù)保持較高的硬度水平，提高了車輪使用的穩(wěn)定性。本實(shí)施例制備的車輪磨耗失重明顯小于現(xiàn)有技術(shù)制備的車輪，這表明本實(shí)施例具有更良好的耐磨性能。表1實(shí)施例l一4及常規(guī)CL60鋼所采用的火車車輪的合金成分。(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)％)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2不同加熱速率條件下實(shí)施例1—4和常規(guī)CL60鋼的相變溫度Acl和Ac3。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3實(shí)施例1_4和常規(guī)CL60鋼制造的車輪輪輞拉伸性能<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表4實(shí)施例l一4和常規(guī)CL60鋼制造的車輪輔板拉伸性能<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>CL60車輪進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)用車軸重25t，試驗(yàn)速度80-120Km/h，試驗(yàn)里程20萬(wàn)Km，三種車輪的磨耗量分別為1.8iran、1.5mm、〉10mm、〉12mm，本發(fā)明鋼車輪的磨損性能明顯好于CL60車輪和SSW-3R，與AARC級(jí)車輪基本持平。試驗(yàn)過(guò)程中定期檢査踏面損傷情況，本發(fā)明和CL60和SSW-3R車輪的狀態(tài)基本相同，踏面上可能出現(xiàn)少量"熱斑"和細(xì)微熱裂紋，而在AARC級(jí)車輪的踏面上，"熱斑"和熱裂紋則經(jīng)常出現(xiàn)，且"熱斑"數(shù)量多、熱裂紋開(kāi)口度大。權(quán)利要求1、一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼，其特征在于由以下合金元素按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)組成C0.52～63％，Si0.50～0.1.0％，Mn0.80～1.20％，Cr≤0.70％，S0.005～0.020％，P≤0.030％，其余為鐵和雜質(zhì)元素。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼，其特征在于所述的合金元素按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)組成為C0.5863%，Si0.750.85%，Mn0.801.00%，Cr0.300.40%，S:0.0050.020%，P《0.030%,其余為鐵和雜質(zhì)元素。3、一種權(quán)利要求1或2所述的用于重載鐵路貨車的車輪鋼的制備方法，包括轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序，其特征在于所述的熱處理工序?yàn)樵?80—900。C加熱處理2.0—2.5小時(shí)，噴水淬火200-300S，再在500—550"C回火處理3—4小時(shí)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種用于重載鐵路貨車的車輪鋼，由以下合金元素按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)組成C0.52～63％，Si0.50～0.1.0％，Mn0.80～1.20％，Cr≤0.70％，S0.005～0.020％，P≤0.030％，其余為鐵和雜質(zhì)元素；其制備方法包括轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD真空處理工序、連鑄成圓坯工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序，所述的熱處理工序?yàn)樵?80-900℃加熱處理2.0-2.5小時(shí)，噴水淬火200-300S，再在500-550℃回火處理3-4小時(shí)。本發(fā)明制成的車輪在保持原有車輪韌性、塑性的基礎(chǔ)上使強(qiáng)度、硬度性能顯著增加。文檔編號(hào)C21D1/18GK101314833SQ200810018590公開(kāi)日2008年12月3日申請(qǐng)日期2008年2月29日優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日發(fā)明者付秀琴,吳江淮,吳耀光,濤安,崔銀會(huì),弘張,斌張,翔李,李小宇,波江,王世付,剛陳申請(qǐng)人:馬鞍山鋼鐵股份有限公司;鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所