一種中碳低合金地鐵用車輪鋼及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中碳低合金地鐵用車輪鋼及其制造方法,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.50-0.60%、Si0.80-1.20%、Mn0.90-1.10%、Cr0.15-0.35%、Als0.010-0.030%、P≤0.015%、S≤0.015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。制造方法包括如下步驟:電爐冶煉工序--切錠軋制工序--熱處理工序。本發(fā)明制備的車輪在輪輞韌性基本保持不變的前提下,強(qiáng)硬度顯著增加,有效提高了車輪的耐磨性能,減小車輪在使用過(guò)程中剝離、磨耗發(fā)生的幾率。同時(shí),本發(fā)明制成的車輪能夠保持原有車輪的鐵素體-珠光體組織狀態(tài),不增大車輪制備的難度。
【專利說(shuō)明】一種中碳低合金地鐵用車輪鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,具體涉及一種中碳低合金地鐵用車輪鋼及其制造方法,尤其涉及高硬度要求地鐵用車輪及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加速,地鐵作為便捷、環(huán)保的交通工具在全國(guó)各大城市得到快速發(fā)展。但隨著載客量和運(yùn)輸速度的提高,地鐵用普通ER8、ER9車輪在使用過(guò)程中因強(qiáng)硬度偏低,存在踏面剝離、磨耗嚴(yán)重等問(wèn)題,這不僅會(huì)增加車輛檢修頻率和維護(hù)成本,同時(shí)影響乘坐舒適度,甚者影響到行車安全性??梢?,要提高地鐵用車輪的使用性能,應(yīng)在不降低其韌性指標(biāo)以確保車輪使用安全性的基礎(chǔ)上,提高車輪強(qiáng)硬度指標(biāo),改善車輪使用性能。傳統(tǒng)的方法采用增加C元素含量提高車輪強(qiáng)硬度指標(biāo),但會(huì)對(duì)車輪塑性、韌性帶來(lái)?yè)p害,對(duì)車輪使用安全性不利。
[0003]提高車輪強(qiáng)硬度指標(biāo)的同時(shí),必須確保其塑性、韌性指標(biāo),首先要從成分設(shè)計(jì)上加以改進(jìn),同時(shí)在后期熱處理過(guò) 程中匹配相應(yīng)的工藝確保車輪獲得較好的強(qiáng)韌性匹配關(guān)系,以此來(lái)提高車輪的耐磨性、抗接觸疲勞性、安全性等綜合使用性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種中碳低合金地鐵用車輪鋼及其制造方法,車輪鋼中C元素參照EN13236標(biāo)準(zhǔn)中ER8、ER9車輪制定,通過(guò)微合金化,在不影響車輪韌性基礎(chǔ)上,顯著提高車輪強(qiáng)度、硬度性能,獲得了更良好的綜合性能,從而有效增強(qiáng)車輪的耐磨性能和抗接觸疲勞性能,提高車輪的使用安全性。具體技術(shù)方案如下:
[0005]一種中碳低合金地鐵用車輪鋼,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.50-0.60 %,Si0.80-1.20 Mn0.90-1.10 Cr0.15-0.35 Als0.010-0.030 P ^ 0.015
S < 0.015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0006]進(jìn)一步地,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.57%, Sil.10%, Mnl.00%, Cr0.25%、Als0.023%, P0.01%, S0.01 %、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0007]進(jìn)一步地,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.52%, Si0.88%, Mn0.91%, Cr0.18%,Als0.013%, P0.01%, S0.012%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0008]上述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法包括如下步驟:電爐冶煉工序一切錠軋制工序一熱處理工序。
[0009]進(jìn)一步地,電爐冶煉工序與切錠軋制工序之間還包括如下步驟:LF爐精煉工序一RH真空處理工序一圓坯連鑄工序。
[0010]進(jìn)一步地,熱處理工序后還包括如下步驟:加工--成品檢測(cè)工序。
[0011]進(jìn)一步地,所述的熱處理工序包括:
[0012]加熱至840_860°C保溫 2.0-2.5 小時(shí);
[0013]輪輞噴水冷卻;[0014]在500-520°C 回火處理 4.0-5.0 小時(shí)。
[0015]進(jìn)一步地,輪輞噴水冷卻時(shí)冷卻到550°C以下。
[0016]與目前現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明制備的車輪在輪輞韌性基本保持不變的前提下,強(qiáng)硬度顯著增加,有效提高了車輪的耐磨性能,減小車輪在使用過(guò)程中剝離、磨耗發(fā)生的幾率。同時(shí),本發(fā)明制成的車輪能夠保持原有車輪的鐵素體-珠光體組織狀態(tài),不增大車輪制備的難度。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1 (a)為實(shí)施例1車輪輪輞金相組織為珠光體+少量鐵素體;
[0018]圖1 (b)為實(shí)施例2車輪輪輞金相組織為珠光體+少量鐵素體;
[0019]圖2 (a)為ER8車輪硬度;
[0020]圖2(b)為實(shí)施例1的車輪硬度;
[0021]圖2 (C)為實(shí)施例2的車輪硬度;
[0022]圖3為不同 屈服強(qiáng)度車輪安定圖(較ER8、ER9車輪,實(shí)施例中車輪屈服強(qiáng)度接近于彈性安定區(qū),可減小接觸應(yīng)力和踏面表面區(qū)域金屬塑性變形,減緩車輪踏面剝離、裂紋的出現(xiàn)。)
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述,其為本發(fā)明多種實(shí)施方式中的一種優(yōu)選實(shí)施例。
[0024]一種中碳低合金地鐵用車輪合金化設(shè)計(jì)方法,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.50-0.60 Si0.80-1.20 Mn0.90-1.10 Cr0.15-0.35 Als0.010-0.030P^0.015%, S ( 0.015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。還提供中碳低合金地鐵用車輪的制備方法,包括電爐冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序,進(jìn)一步地:所述的熱處理工序?yàn)?加熱至840-860°C保溫2.0-2.5小時(shí),輪輞噴水冷卻(冷卻到550°C以下),然后在500-520°C回火處理4.5-5.0小時(shí)。
[0025]下面具體說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容:
[0026]目前為止,國(guó)內(nèi)外地鐵用車輪主要是EN13262標(biāo)準(zhǔn)中ER8、ER9材質(zhì),其組織為鐵素體-珠光體,同時(shí)車輪輪輞韌性有明確要求,以確保車輪使用安全性。因此,本發(fā)明的車輪用鋼應(yīng)確保車輪為鐵素體-珠光體組織狀態(tài),并且輪輞韌性指標(biāo)不低于ER8、ER9材質(zhì)。
[0027]ENl3262標(biāo)準(zhǔn)中的ER8、ER9材質(zhì)車輪C含量上限分別是0.56wt%,0.60wt%,考慮到C含量提高會(huì)降低韌性指標(biāo),本發(fā)明對(duì)車輪C控制要求在0.50-0.60wt%,可保證在鐵素體+珠光體組織的同時(shí)不損害韌性指標(biāo)。
[0028]從合金元素對(duì)性能的影響規(guī)律看,為獲得高的強(qiáng)度硬度性能采用微合金化。因此,本發(fā)明重點(diǎn)對(duì)車輪鋼中的S1、Mn、Cr、Als含量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
[0029]提高Si含量使車輪受熱、冷卻時(shí)不易發(fā)生奧氏體相變、馬氏體轉(zhuǎn)變,有助于改善車輪材料抗熱損傷性能,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0.80-1.20wt%之間。
[0030]Mn是本發(fā)明中重要的強(qiáng)化元素,能夠有效提高車輪強(qiáng)度硬度性能,從而提高車輪的耐磨性能,但過(guò)高M(jìn)n對(duì)車輪的綜合機(jī)械性能和加工性能有不良影響,故Mn含量控制在
0.90-1.10wt%之間。
[0031]Cr是次要的固溶強(qiáng)化元素,能夠有效提高工件強(qiáng)硬度性能,從而提高工件的耐磨性能,但是從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0.15-0.35wt%。
[0032]Als可以通過(guò)細(xì)化晶粒以使車輪獲得較好的塑性和韌性,故Als含量控制在
0.010-0.030wt%之間。
[0033]P和S是雜質(zhì)元素,故其含量應(yīng)該控制在不超過(guò)0.015wt %。
[0034]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)題是提供了采用上述車輪鋼制備車輪的方法,包括電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測(cè)工序,進(jìn)一步地:所述的熱處理工序?yàn)?加熱至840-860°C保溫2.0-2.5小時(shí),輪輞噴水冷卻(冷卻到550°C以下),然后在500-520°C回火處理4.0-5.0小時(shí)。
[0035]結(jié)合附圖1-3及實(shí)施例1-2對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0036]實(shí)施例1-2中的車輪鋼的化學(xué)成分重量百分比如表1所示,實(shí)施例1-2均采用電爐冶煉經(jīng)LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成Φ 380mm的圓坯,經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理、精加工后形成直徑為860mm的地鐵車輪。 [0037]實(shí)施例1:
[0038]將化學(xué)成分如表1實(shí)施例1的鋼水經(jīng)過(guò)電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、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)?加熱至845°C保溫2小時(shí),輪輞噴水冷卻(冷卻到550°C以下),然后在510°C回火處理5小時(shí)。
[0039]如圖1所示,本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體。本實(shí)施例車輪輪輞機(jī)械性能如表2及圖2所示,輪輞韌性較ER8、ER9車輪基本保持不變,強(qiáng)度和硬度較ER8、ER9車輪明顯提高。
[0040]同時(shí),車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)表明,隨車輪材料屈服強(qiáng)度的提高(550N/mm2至700N/mm2范圍內(nèi)),車輪有向彈性安定區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì),從而改變輪軌接觸狀態(tài),減小接觸應(yīng)力和踏面表面區(qū)域金屬塑性變形,減緩車輪踏面剝離、裂紋的出現(xiàn)。
[0041]將實(shí)例I材質(zhì)車輪、ER8車輪、ER9車輪加工成磨耗試驗(yàn)試樣,并分別與鋼軌試樣進(jìn)行磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)分別為:鋼軌試樣轉(zhuǎn)速200rpm,車輪試樣轉(zhuǎn)速180rpm,轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率10% ;試驗(yàn)觸應(yīng)力為1000N/mm2,試驗(yàn)時(shí)間為20h,鋼軌試樣循環(huán)次數(shù)為2.4X 105。實(shí)例I車輪磨耗面質(zhì)量?jī)?yōu)于ER8、ER9車輪。
[0042]實(shí)施例2:
[0043]將化學(xué)成分如表1實(shí)施例2的鋼水經(jīng)過(guò)電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、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)?加熱至850°C保溫2.5小時(shí),輪輞噴水冷卻(冷卻到550°C以下),再在515°C回火處理4.5小時(shí)。
[0044]如圖1所示,本實(shí)施例制備的車輪輪輞金相組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體。本實(shí)施例車輪機(jī)械性能如表2及圖2所示,輪輞韌性較ER8、ER9車輪基本保持不變,強(qiáng)度和硬度較ER8、ER9車輪明顯提高。
[0045]同時(shí),車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)表明,隨車輪材料屈服強(qiáng)度的提高(550N/mm2至700N/mm2范圍內(nèi)),車輪有向彈性安定區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì),從而改變輪軌接觸狀態(tài),減小接觸應(yīng)力和踏面表面區(qū)域金屬塑性變形,減緩車輪踏面剝離、裂紋的出現(xiàn)。
[0046]將實(shí)例2材質(zhì)車輪、ER8車輪、ER9車輪加工成磨耗試驗(yàn)試樣,并分別與鋼軌試樣進(jìn)行磨耗試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)分別為:鋼軌試樣轉(zhuǎn)速200rpm,車輪試樣轉(zhuǎn)速180rpm,轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率10%;試驗(yàn)觸應(yīng)力為1000N/mm2,試驗(yàn)時(shí)間為20h,鋼軌試樣循環(huán)次數(shù)為2.4X 105。實(shí)例2車輪磨耗面質(zhì)量?jī)?yōu)于ER8、ER9車輪。
[0047]表1實(shí)施例1-2及地鐵用ER8、ER9車輪的化學(xué)成分(wt% )
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種中碳低合金地鐵用車輪鋼,其特征在于,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.50-0.60 Si0.80-1.20 %、Mn0.90-1.10 Cr0.15-0.35 %、Als0.010-0.030P≤0.015%, S ≤ 0.015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.如權(quán)利要求1所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼,其特征在于,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.57%, Sil.10%, Mnl.00%, Cr0.25%, Als0.023%, P0.01%, S0.01 %、其余為 Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
3.如權(quán)利要求1所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼,其特征在于,其化學(xué)成分重量百分比為:C0.52%,Si0.88%,Mn0.91%,Cr0.18%,Als0.013%,P0.01%,S0.012%、其余為 Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
4.如權(quán)利要求1-3所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法,其特征在于,包括如下步驟:電爐冶煉工序一切錠軋制工序一熱處理工序。
5.如權(quán)利要求4所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法,其特征在于,電爐冶煉工序與切錠軋制工序之間還包括如下步驟:LF爐精煉工序一RH真空處理工序一圓坯連鑄工序。
6.如權(quán)利要求4或5所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法,其特征在于,熱處理工序后還包括如下步驟:加工一成品檢測(cè)工序。
7.如權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法,其特征在于,所述的熱處理工序包括: 加熱至840-860°C保溫2.0-2.5小時(shí); 輪輞噴水冷卻; 在500-520°C回火處理4.0-5.0小時(shí)。
8.如權(quán)利要求7所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼的制造方法,其特征在于,輪輞噴水冷卻時(shí)冷卻到550°C以下。
9.一種地鐵用車輪,其特征在于,采用如權(quán)利要求1-3所述的中碳低合金地鐵用車輪鋼所制造。
【文檔編號(hào)】C22C38/18GK104018082SQ201410247587
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】江波, 趙海, 陳剛, 鐘斌, 李翔, 魯松, 鄒強(qiáng), 孫曼麗 申請(qǐng)人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司