一種車輪用車輪鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車輪用車輪鋼及其制備方法，按照重量百分比含有：C 0.70～0.75％、Si 0.20～0.50％、Mn 0.80～1.0％、Cr≤0.35％、Nb 0.02～0.04％、Als 0.01～0.02％、P≤0.015％、S≤0.015％、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。制備方法，包括如下步驟：(1)依照上述組分和配比進(jìn)行冶煉；(2)軋制；(3)粗加工；(4)將車輪隨爐升溫并保溫；(5)輪輞噴水冷卻；(6)回火處理。本發(fā)明制備的車輪的拉伸性能與AAR M107標(biāo)準(zhǔn)新增D級車輪相當(dāng)，且在具有與常規(guī)CL60車輪相當(dāng)塑性的同時，具有明顯較高的強硬度。本發(fā)明在不改變車輪常規(guī)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上顯著提高了產(chǎn)品綜合性能，未增加車輪制造難度，可實現(xiàn)性強，具有良好的發(fā)明效果和經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】一種車輪用車輪鋼及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路輾鋼車輪的制造領(lǐng)域，具體涉及涉及軸重> 40t、運行速度 < lOOkm/h的高硬度、高強度、高塑性鐵路貨車用高碳低合金鋼車輪合金化設(shè)計及其制備 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路90%的運力用于確保關(guān)系國計民生的煤炭、冶煉、石油、糧食等重點物資運 輸，承擔(dān)了學(xué)生、農(nóng)資等大量公益性運輸任務(wù)，保障了國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運行和人民群眾生產(chǎn)生 活需要。
[0003] 《鐵路"十二五"發(fā)展規(guī)劃》中鐵路貨運發(fā)展目標(biāo)是大能力區(qū)際干線和煤運通道進(jìn) 一步優(yōu)化完善，煤炭運輸能力達(dá)30億噸以上，重點物資和跨區(qū)域貨運服務(wù)能力顯著增強， 大幅提升鐵路對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐和保障能力。到2015年貨運量由2010年的36. 3億噸提 升至55億噸。在目前鐵路資源條件下，解決貨運能力的當(dāng)務(wù)之急是重載運輸。
[0004] 通過"十一五"將貨車軸重由21t提高到25t，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，國內(nèi)30t、 35t乃至40t軸重重載貨運必然會得到迅猛發(fā)展。但是，貨運重載的發(fā)展對現(xiàn)有車輪材料將 提出挑戰(zhàn)性要求，這是因為軸重的增加不可避免的會引起車輪的使用條件惡化，使車輪受 到的機械載荷大幅度增大，磨損、接觸疲勞、輾寬等機械損傷將成為車輪使用過程中的突出 問題。
[0005] 因此，一直以來重載車輪的研發(fā)均側(cè)重于高碳車輪鋼，通過提高車輪的強度和硬 度來提高車輪的耐磨性能。而對于碳素鋼來說，強度、硬度的提高勢必會降低塑性和韌性， 從而降低材料的抗裂紋萌生和擴展能力，導(dǎo)致車輪斷裂等失效現(xiàn)象的發(fā)生，影響了車輪的 使用安全性能。因此，如果不能很好的協(xié)調(diào)車輪的強、硬度性能和塑、韌性能，將會嚴(yán)重制約 鐵路重載運輸?shù)陌l(fā)展。國外已經(jīng)開始重視重載車輪的塑性問題，如美國AAR M-107標(biāo)準(zhǔn)中 專門增加了 AAR-D車輪鋼種，該鋼種成分要求與AAR-C相同，但允許采用微合金化手段來提 高車輪的硬度和強塑性指標(biāo)，且對硬度和強塑性等指標(biāo)都有明確的要求。
[0006] 近幾年來通過不斷的技術(shù)進(jìn)步，國內(nèi)30t軸重重載貨運技術(shù)已取得突破性進(jìn)展， 馬鋼已成功開發(fā)并批量生產(chǎn)出常規(guī)CL70材質(zhì)貨車車輪，其服役性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的CL60 材質(zhì)貨車輪。但隨著軸重的增加、使用頻率的上升，車輪使用條件更加惡化，對車輪綜合力 學(xué)性能特別是強、硬度與塑性匹配的要求勢必越來越高，因此必須在提高重載車輪強、硬度 的同時兼顧其塑性，以滿足未來重載車輪發(fā)展需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種車輪用車輪鋼及其制備方法，尤其是一種提高鐵路貨 車用高碳鋼車輪塑性塑性的合金化設(shè)計方法，具體技術(shù)方案如下：
[0008] 一種車輪用車輪鋼，按照重量百分比含有：C 0.70?0.75%、Si 0.20?0.50%、 Mn 0? 80 ?L 0%、Cr 彡 0? 35%、Nb 0? 02 ?0? 04%、Als 0? 01 ?0? 02%、P 彡 0? 015%、 S < 0. 015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0009] 進(jìn)一步地，其具有鐵素體-珠光體組織狀態(tài)。
[0010] 進(jìn)一步地，其為一種高碳鐵路貨車車輪合金。
[0011] 上述車輪用車輪鋼的制備方法，包括如下步驟：
[0012] (1)依照上述組分和配比進(jìn)行冶煉；
[0013] (2)軋制；
[0014] ⑶粗加工；
[0015] (4)將車輪隨爐升溫并保溫；
[0016] (5)輪輞噴水冷卻；
[0017] (6)回火處理。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟（4)中，將車輪隨爐升溫至850-880°C保溫2. 0-2. 5小時。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟（5)中，使輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s?5°C /s的冷卻速度加速冷卻 到550°C以下。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟（6)中，在490±101：回火處理4.0-5.0小時。
[0021] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，采用電爐冶煉經(jīng)LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成 380mm的圓述。
[0022] 進(jìn)一步地，步驟（2)和（3)中，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后形成直徑為860mm的車 輪。
[0023] 進(jìn)一步地，步驟（1)中，鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、 圓坯連鑄工序。
[0024] 與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明車輪力學(xué)性能與AAR M107標(biāo)準(zhǔn)新增D級車輪性能 相當(dāng)，且在具有與常規(guī)CL60車輪相當(dāng)塑性的同時，具有明顯較高的強硬度，提高了鐵路貨 車用高碳鋼車輪的安全使用性能，獲得了以下有益效果：本發(fā)明制備的車輪的拉伸性能與 AARM107標(biāo)準(zhǔn)新增D級車輪相當(dāng)，且在具有與常規(guī)CL60車輪相當(dāng)塑性的同時，具有明顯較高 的強硬度。本發(fā)明在不改變車輪常規(guī)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上顯著提高了產(chǎn)品綜合性能，未增加 車輪制造難度，可實現(xiàn)性強，具有良好的發(fā)明效果和經(jīng)濟(jì)效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為常規(guī)CL60車輪輪輞金相圖
[0026] 圖2為本發(fā)明車輪輪輞金相組織圖

【具體實施方式】
[0027] 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其為本發(fā)明多種實施方式中的一種優(yōu)選實 施例。
[0028] -種高碳鐵路貨車車輪合金化設(shè)計方法，化學(xué)成分百分比為：C 0. 70?0. 75%、 Si 0.20 ?0.50 %、Mn 0.80 ?1.0 %、Cr 彡 0.35 %、Nb 0.02 ?0.04 %、Als 0.01 ? 0. 02%、P彡0. 015%、S彡0. 015%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0029] 到目前為止，國內(nèi)外火車車輪用鋼均為鐵素體-珠光體組織的中、高碳碳素鋼，這 種組織在硬度水平相當(dāng)時，具有最好的耐磨性，因此，本發(fā)明的車輪用鋼應(yīng)具有鐵素體-珠 光體組織狀態(tài)。
[0030] C對強、硬度貢獻(xiàn)最大，隨著碳含量的提高，將會明顯提高車輪的強度硬度指標(biāo)，但 其含量過高將降低車輪的韌性和塑性，因此本發(fā)明將C的范圍確定為0. 70?0. 75%之間。
[0031] 從合金元素對性能的影響規(guī)律看，為獲得高的強度硬度性能和高的塑性性能，應(yīng) 實施復(fù)合微合金化。因此，本發(fā)明重點對車輪鋼中的Si、Mn、Cr、Als含量進(jìn)行了設(shè)計。
[0032] Si是車輪鋼中重要強化元素，作為置換原子發(fā)揮固溶強化作用。Si在提高鋼強度 的同時，還提高其淬透性和耐磨性，但Si含量的增加會提高材料的熱敏感性和脆性，不利 于提高韌性，因此本發(fā)明將Si的范圍確定為0. 20?0. 50%之間。
[0033] Mn是車輪鋼中重要強化元素，一般大部分作為置換原子發(fā)揮固溶強化作用，少量 形成碳化物。Mn在提高鋼強度的同時，還提高其淬透性，但也增加了鋼的過熱敏感性和回火 脆性傾向，故Mn含量控制在0.80?1.0%之間。
[0034] Cr是次要的固溶強化元素，一般一部分作為置換原子發(fā)揮固溶強化作用，一部分 形成碳化物。Cr不僅能增加鋼的淬透性，而且能在提高高碳鋼硬度和耐磨性性的同時而不 使鋼變脆，還能提高鋼的高溫機械性能。但Cr的增加會導(dǎo)致塑韌性的降低，Cr含量應(yīng)該控 制在不大于0. 35%。
[0035] Als在車輪鋼中以AlN的形式存在，細(xì)小彌散分布的AlN可以通過細(xì)化晶粒以使車 輪獲得較好的塑性和韌性，但故Als的增加會導(dǎo)致AlN長大，不僅不能發(fā)揮改善塑韌性的作 用，反而會導(dǎo)致塑韌性降低，Als的含量控制在0.01?0.02%之間。
[0036] P和S是雜質(zhì)元素，故其含量應(yīng)該控制在不超過0.015 %。
[0037] 還提供了一種熱處理工藝方法，具體方案是：將上述成分的車輪鋼按照常規(guī)車輪 鋼煉鋼工藝進(jìn)行冶煉、乳制、粗加工后，將車輪隨爐升溫至850-880°C保溫2. 0-2. 5小時后， 輪輞噴水冷卻（使輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s?5°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下）， 最后在490± KTC回火處理4. 0-5. 0小時。
[0038] 下面結(jié)合附圖1-2及實施例1-2對本發(fā)明做詳細(xì)的說明。
[0039] 實施例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380mm的圓坯，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后 形成直徑為860mm的車輪。
[0040] 優(yōu)選實施例1 :
[0041] 將化學(xué)成分如表1實施例1的鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、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、成品檢測工序而形成。所述的熱 處理工序為：首先將車輪隨爐升溫至855-875°C保溫2. 0-2. 5小時后，輪輞噴水冷卻（使輪 輞內(nèi)部金屬以2°C /s?5°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下），最后在490±10°C回火 處理4.0-5. 0小時。
[0042] 如圖1、2所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織與常規(guī)CL60鋼車輪基本一致， 均為細(xì)珠光體+少量鐵素體，但本發(fā)明車輪輪輞金相組織比常規(guī)CL60鋼細(xì)化且均勻。本實 施例車輪機械性能如表2所示，由表2可以看出實施例1和常規(guī)CL60鋼塑性基本相當(dāng)，但 強度、硬度均顯著增加，另由表2還可以看出實施例1的強度、硬度和塑性均滿足AAR M107 標(biāo)準(zhǔn)中D級鋼要求。
[0043] 由此可見，實施例1在保持與對比例相當(dāng)?shù)乃苄郧疤嵯?，具有較高的強度和硬度 水平，發(fā)明取得了預(yù)期效果。
[0044] 優(yōu)選實施例2 :
[0045] 將化學(xué)成分如表1實施例2的鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、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、成品檢測工序而形成。所述的 熱處理工序為：首先將車輪隨爐升溫至860-880°C保溫2. 0-2. 5小時后，在825-845°C保溫 2. 0-2. 5小時，輪輞噴水冷卻（使輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s?5°C /s的冷卻速度加速冷卻到 550°C以下），最后在490±10°C回火處理4. 0-5. 0小時。
[0046] 本實施例車輪機械性能如表2所示，由表2可以看出實施例2和常規(guī)CL60鋼塑性 基本相當(dāng)，但強度、硬度均顯著增加，另由表2還可以看出實施例2的強度、硬度和塑性均滿 足AAR M107標(biāo)準(zhǔn)中D級鋼要求。
[0047] 由此可見，實施例2在保持與對比例相當(dāng)?shù)乃苄郧疤嵯?，具有較高的強度和硬度 水平，發(fā)明取得了預(yù)期效果。
[0048] 表1實施例1 一 2及常規(guī)CL60鋼所采用的火車車輪的合金成分（重量百分比％ )
[0049]

【權(quán)利要求】
1. 一種車輪用車輪鋼，其特征在于，按照重量百分比含有：c 0.70?0.75 %、Si 0. 20 ?0. 50%、Mn 0. 80 ?1. 0%、Cr 彡 0. 35%、Nb 0. 02 ?0. 04%、Als 0. 01 ?0. 02%、 P彡0. 015%、S彡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所述的車輪用車輪鋼，其特征在于，其具有鐵素體-珠光體組織狀態(tài)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的車輪用車輪鋼，其特征在于，其為一種高碳鐵路貨車車輪合 金。
4. 如權(quán)利要求1-3所述車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 依照權(quán)利要求1所述組分和配比進(jìn)行冶煉； (2) 軋制； (3) 粗加工； (4) 將車輪隨爐升溫并保溫； (5) 輪輞噴水冷卻； (6) 回火處理。
5. 如權(quán)利要求4所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟⑷中，將車輪隨 爐升溫至850-880°C保溫2. 0-2. 5小時。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（5)中，使輪 輞內(nèi)部金屬以2°C /s?5°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下。
7. 如權(quán)利要求4-6中任一項所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（6) 中，在490±10°C回火處理4. 0-5. 0小時。
8. 如權(quán)利要求4-7中任一項所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1) 中，采用電爐冶煉經(jīng)LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成$ 380mm的圓坯。
9. 如權(quán)利要求4-8中任一項所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（2)和 (3)中，經(jīng)切錠、加熱軋制、熱處理后形成直徑為860mm的車輪。
10. 如權(quán)利要求4-9中任一項所述的車輪用車輪鋼的制備方法，其特征在于，步驟（1) 中，鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序。
【文檔編號】C22C33/04GK104451401SQ201410805275
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】陳剛, 孫曼麗, 江波, 趙海, 鐘斌, 鄒強, 王世付, 李翔 申請人:馬鋼(集團(tuán))控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司