一种大尺寸铁路车辆用辗钢整体车轮及其生产方法
【专利摘要】本发明提供一种大尺寸铁路用辗钢整体车轮用钢，其化学成分质量百分比为：C0.46～0.55%、Si0.20～0.37%、Mn0.70～0.85%、Ni0.10～0.25%、Cr0.24～0.32%，Als0.020～0.040%、P≤0.008%、S≤0.008%。其热处理工序为：将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860～880℃，保温3～3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840～860℃，保温3.5～4h后，出炉立即冷却到550℃以下后空冷至室温，冷却速度2℃/s～5℃/s，然后将冷却后的车轮放入480～500℃炉中，保温4.5～5h后，出炉空冷。
【专利说明】一种大尺寸铁路车辆用辗钢整体车轮及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属铁道车辆用辗钢车轮制造领域，适用于铁路用大尺寸辗钢整体车轮，尤其涉及外径为1250_的辗钢整体车轮及其生产方法。
【背景技术】
[0002]铁路车轮具有载重、导向、传递牵引力和制动力的功能，工作条件十分恶劣，对行车安全具有重要影响。随着我国铁路运输高速、重载化的发展，对铁路车轮质量的要求不断提高。因此对车轮钢的生产制备方法要求越来越高。
[0003]我国现广泛使用的使用的TB/T2708-1996铁路快速客车辗钢整体车轮技术条件和TB/T2817-1997铁道车辆用辗钢整体车轮技术条件，均对车轮制造过程(炼钢、热成型、热处理)做出相关规定，特别对轮辋金相组织提出明确要求，车轮辋进行淬火与回火处理后，其组织应为细珠光体和少量铁素体，实际晶粒度应优于6级。
[0004]由于车轮属于热成型工序多，变形复杂的产品，在锻压-轧制过程中各部位受力不同，金属流动位移不同且冷却速度不一，导致轧后车轮不同部位组织存在明显差异，靠近边部组织较细，中部组织较粗大，这种组织差异在随后的热处理过程中由于组织遗传(即将粗晶有序组织加热到高于Ac3可能导致形成的奥氏体晶粒与原始晶粒具有相同的形态、大小和取向，这种现象称为钢的组织遗传)，在热处理后组织中亦存在不同程度差异。因此，车轮轧态组织的均匀性，直接影响其热处理后组织的均匀性。
[0005]一般轧后车轮采用常规热处理，目的是通过热处理改善组织均匀性、提高其机械性能，采用常规热处理的普通车轮均能满足标准和使用性能要求。但对于外径尺寸为1250mm的大尺寸车轮而言，热成型过程中金属流动位移较大，各部位冷速差距较大，热加工后不同部位组织差异较大，均匀性较差、晶粒严重不均匀，常规热处理工艺不能有效改善不良组织遗传，消除轧制产生 的不均匀组织，从而导致外径尺寸为1250_的大尺寸车轮力学性能一直不能稳定满足相关技术条件要求，尤其是被日益重视的韧性要求。
[0006]在大尺寸车轮相关技术条件中对轮辋强度、硬度及断裂韧性和低温冲击性均有明确要求，在保持较高强硬度的同时必须均被相当的韧性，但是对于碳素钢来说，强度、硬度的提高势必会降低韧性，对大尺寸机车轮而言不仅存在韧性偏低，且存在低温冲击韧性和断裂韧性单值波动较大、不能稳定满足要求的问题，严重影响大尺寸车轮产品合格率及使用安全性能。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种大尺寸铁路车辆用辗钢整体车轮及其生产方法，本发明在保持车轮强度的基础上，显著提高了断裂韧性和低温冲击韧性，改善了大尺寸车轮整体性能稳定性，提高其使用安全性能。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供了一种大尺寸铁路用辗钢整体车轮用钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为:c 0.46~0.55%、Si0.20~0.37%、Mn0.70~0.85%、Ni0.1O ~0.25%、Cr0.24 ~0.32%,Als0.020 ~0.040%、P ( 0.008%、S ( 0.008%、其余为
Fe和不可避免的杂质元素。
[0009]本发明还提供大尺寸铁路用辗钢整体车轮钢的生产方法，包括冶炼工序、切锭轧制工序、热处理工序，其特征在于，所述热处理工序为:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860~880°C，保温3~3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840~860°C，保温3.5~4h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以2°C /s~5°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入480~500°C炉中，保温4.5~5h后，出炉空冷。
[0010]下面具体说明本发明技术方案的内容:
(I)化学成分设定
铁素体-珠光体组织在硬度水平相当时，不仅具有最好的耐磨性，更具有一定的韧性，目前为止，国内外火车车轮用钢均为该种组织，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。
[0011]C是车轮钢中最重要的合金元素，对车轮的材料特性起着关键影响，C对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，在明显改善强硬度的同时，会大幅降低车轮钢的韧性，为兼顾强硬度与韧性，因此本发明将C的范围定为0.46~0.55%之间。
[0012]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、韧性能，应实施复合微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的S1、Mn、Cr、N1、Als含量进行了设计。
[0013]Si在车轮钢中不仅能提高其强度，同时有助于提高材料抗热损伤性能，但是Si含量的增加会提高材料的热敏 感性和脆性，不利于提高韧性，因此本发明将Si的范围确定为
0.20 ~0.37% 之间。
[0014]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，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0.70~0.85%之间。
[0015]Ni不仅可以提高钢的强度，同时可以一定程度提高钢的韧性，通过综合考虑Ni性能贡献与含量之间关系，Ni含量应控制在0.10~0.25%。
[0016]Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高工件强硬度性能，但是从Cr元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体-珠光体组织易于获得，Cr含量应该控制在 0.24-0.32%。
[0017]Als可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，故Als含量控制在
0.020-0.040% 之间。
[0018]P和S是钢中难以避免的杂质元素，这两个元素对韧性尤其是断裂韧性是有害的。为了获得较高塑性的车轮钢，因此P和S含量应控制在尽可能低的水平，故其含量控制在不超过 0.008%。
[0019](2)热处理制度设定
本发明采用一种改善大尺寸铁路车轮轧态组织均匀性的热处理方法，对按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮工件先进行正火预处理，细化并均匀化原始轧态组织，然后采用与一次正火温度相匹配的淬火加热温度，淬火加热温度控制在小于一次正火温度20~400C (相当于二次正火热处理)，保证细晶粒组织不粗化的基础上，进一步细化、均匀化原始组织，为热处理后车轮获得足够的强硬度和韧性创造条件。淬火时采用较强的冷却速度，以保证车轮具有较高韧性的同时，具有相当的硬度。
[0020]( 3 )具体技术方案内容
为了实现发明目的，本发明提供了用设定化学成分的车轮钢制备外径为1250mm大尺寸车轮的方法，包括转炉炼钢工序、LF炉精炼工序、VD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，其特征在于:所述的热处理工序为:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860~880°C，保温3~3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840~860°C，保温3.5~4h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以20C /s~5°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放Λ 480~500°C炉中，保温4.5~5h后，出炉空冷。
[0021]本发明在现有技术的基础上取得了显著技术进步，解决了本领域长期未能解决的技术难题，充分体现了本发明的新颖性、创造性和实用性。本发明获得了以下有益效果:采用本发明制备的外径尺寸为1250mm的车轮在保持车轮强硬度的基础上，断裂韧性和低温冲击性能显著增加，有效提高了大尺寸车轮的整体稳定性，并具有较高的使用安全性能。同时，本发明制成的外径为1250mm的大尺寸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。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1:实施例1、2、3轮辋边部轧态组织图 图1中实际晶粒度3级。
[0023]图2:实施例1、2、3轮辋中部轧态组织图 图2中实际晶粒度I级。
[0024]图3:对比例轮辋组织图 图3中实际晶粒度8-6.5级，其中晶粒度为8级的区域占80-85%，晶粒度8级以下至
6.5级的区域占15-20%。
[0025]图4:实施例1轮辋组织图 图4中实际晶粒度8.5级。
[0026]图5:实施例2轮辋组织图 图5中实际晶粒度8.5级。
[0027]图6:实施例3轮辋组织图 图6中实际晶粒度8.5级。
[0028]上述6个金相组织图放大倍数为100。
【具体实施方式】
[0029]下面结合实施例对本发明做详细的说明。
[0030]实施例1、2、3中的车轮钢化学成分质量百分比如表1所示，实施例1、2、3均采用120吨氧顶底复吹转炉冶炼经LF+VD精炼真空脱气后直接连铸成Φ 380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成外径为1250mm的大尺寸整体辗钢车轮。所述的热处理工序为:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860~880°C，保温3~3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840~860°C，保温3.5~4h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以2°C /s~5°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入480~500°C炉中，保温4.5~5h后，出炉空冷。实施例1、2、3车轮钢化学成分见表1。
[0031]实施例1:
将化学成分如表1实施例1的钢水经过转炉炼钢工序、LF炉精炼工序、VD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。其中对比例按照常规热处理进行，实施例1按照本发明提出的热处理方案进行:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860°C，保温3h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840°C，保温3.5h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以2°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入480°C炉中，保温4.5h后，出炉空冷。金相组织如图1、2所示，均为细珠光体+少量铁素体组织。如图1、2所示，轮辋边部轧态组织实际晶粒度3级，轮辋中部轧态组织实际晶粒度I级，轮辋不同部位的轧态组织晶粒度差异较大，轮辋整体组织均匀性较差。如图3所示，按照常规热处理的车轮轮辋组织晶粒度8-6.5级，即在同一块试样中晶粒度为8级的区域占80-85%，晶粒度8级以下至6.5级的区域占15-20%，这说明轮辋晶粒还不均匀。如图4所示，按照本发明热处理的车轮轮辋组织晶粒度8.5级，组织状态趋于一致，组织均匀细小，与常规热处理的车轮相比，不仅明显改善轧态组织的均匀性且使其显著细化。由表2、3可以看出实施例1和对比例的力学性能大致相同，但_20°C冲击功和KQ不同，_20°C冲击功平均值高于对比例9.6J，KQ平均值高于对比例15.4MPa.m1/2。KQ单值如表3所示，实施例1的KQ单值差最大为21.2 MPa.m1/2，而对比例KQ单值差最大为则高达50.3 MPa.m1/2，这说明实施例1有效改善了大尺寸车轮轧态组织的均匀性，韧性水平显著提高。
[0032]实施例2:
将化学成分如表1实施例2的钢水经过转炉炼钢工序、LF炉精炼工序、VD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。其中对比例按照常规热处理进行，实施例2按照本发明提出的热处理方案进行:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至870°C，保温3.2h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至850°C，保温3.8h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以3.50C /s的冷却速度加速冷却到 550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入490°C炉中，保温4.8h后，出炉空冷。金相组织如图1、2所示，均为细珠光体+少量铁素体组织。如图1、2所示，轮辋边部轧态组织实际晶粒度3级，轮辋中部轧态组织实际晶粒度I级，轮辋不同部位的轧态组织晶粒度差异较大，轮辋整体组织均匀性较差。如图3所示，按照常规热处理的车轮轮辋组织晶粒度8-6.5级，即在同一块试样中晶粒度为8级的区域占80-85%，晶粒度8级以下至6.5级的区域占15-20%，这说明轮辋晶粒还不均匀。如图5所示，按照本发明热处理的车轮轮辋组织晶粒度8.5级，组织状态趋于一致，组织均匀细小，与常规热处理的车轮相比，不仅明显改善轧态组织的均匀性且使其显著细化。由表2、3可以看出实施例2和对比例的力学性能大致相同，但_20°C冲击功和KQ不同，_20°C冲击功平均值高于对比例8.2J，KQ平均值高于对比例13.8MPa.m1/2.KQ单值如表3所示，实施例1的KQ单值差最大为20 MPa.m1/2，而对比例KQ单值差最大为则高达50.3 MPa.m1/2，这说明实施例2有效改善了大尺寸车轮轧态组织的均匀性，韧性水平显著提高。[0033]实施例3:
将化学成分如表4实施例3的钢水经过转炉炼钢工序、LF炉精炼工序、VD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。其中对比例按照常规热处理进行，实施例3按照本发明提出的热处理方案进行:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至880°C，保温3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至860°C，保温4h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以5°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入500°C炉中，保温5h后，出炉空冷。金相组织如图1、2所示，均为细珠光体+少量铁素体组织。如图1、2所示，轮辋边部轧态组织实际晶粒度3级，轮辋中部轧态组织实际晶粒度I级，轮辋不同部位的轧态组织晶粒度差异较大，轮辋整体组织均匀性较差。如图3所示，按照常规热处理的车轮轮辋组织晶粒度8-6.5级，即在同一块试样中晶粒度为8级的区域占80-85%，晶粒度8级以下至6.5级的区域占15-20%，这说明轮辋晶粒还不均匀。如图6所示，按照本发明热处理的车轮轮辋组织晶粒度
8.5级，组织状态趋于一致，组织均匀细小，与常规热处理的车轮相比，不仅明显改善轧态组织的均匀性且使其显著细化。由表2、3可以看出实施例3和对比例的力学性能大致相同，但-20°C冲击功和KQ不同，-20°C冲击功平均值高于对比例7.4J，KQ平均值高于对比例10.8MPa.m1/2。KQ单值如表3所示，实施例1的KQ单值差最大为22.4 MPa.m1/2，而对比例KQ单值差最大为则高达50.3 MPa.m1/2，这说明实施例3有效改善了大尺寸车轮轧态组织的均匀性，韧性水平显著提高。
[0034]
表1实施例1、2、3及对比例车轮化学成分(质量百分数，wt-%)
【权利要求】
1.一种大尺寸铁路用辗钢整体车轮用钢，其特征在于，其化学成分质量百分比为:C 0.46 ~0.55%、Si0.20 ~0.37%、Mn0.70 ~0.85%、Ni0.10 ~0.25%、Cr0.24 ~0.32%,Als0.020~0.040%、P≤0.008%、S≤0.008%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种如权利要求1所述大尺寸铁路用辗钢整体车轮钢的生产方法，包括冶炼工序、切锭轧制工序、热处理工序，其特征在于，所述热处理工序为:将按照常规工艺轧制并缓冷处理后的车轮随炉升温至860~880°C，保温3~3.5h后出炉空冷至室温，再将车轮随炉升温至840~860°C，保温3.5~4h后，出炉立即冷却，使轮辋内部金属以2°C /s~5°C /s的冷却速度加速冷却到550°C以下后空冷至室温，然后将冷却后的车轮放入480~500°C炉中，保温4.5~5h后，出炉空冷。
【文档编号】C21D9/34GK103469091SQ201310368850
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】孙曼丽, 陈刚, 江波, 赵海, 钟斌, 王世付, 程德利, 李翔, 张弘, 丛韬 申请人:马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山钢铁股份有限公司