车轮用钢的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种车轮用钢，其以质量％计含有C:0.65～0.84％、Si:0.4～1.0％、Mn:0.50～1.40％、Cr:0.02～0.13％、S:0.04％以下、V:0.02～0.12％、由下述式(1)表示的Fn1为32～43、并且由式(2)表示的Fn2为25以下，余量包含Fe以及杂质，杂质中的P、Cu以及Ni分别为P:0.05％以下、Cu:0.20％以下以及Ni:0.20％以下。该钢的耐磨耗性、耐滚动疲劳性以及耐剥落性的平衡优异，具备高高温屈服强度和高延展性。Fn1＝2.7+29.5×C+2.9×Si+6.9×Mn+10.8×Cr+30.3×Mo+44.3×V···(1)Fn2＝exp(0.76)×exp(0.05×C)×exp(1.35×Si)×exp(0.38×Mn)×exp(0.77×Cr)×exp(3.0×Mo)×exp(4.6×V)···(2)
【专利说明】车轮用钢
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车轮用钢，详细而言，涉及适宜作为耐磨耗性、耐滚动疲劳性以及耐剥 落性优异的铁道用高硬度车轮的原材料的车轮用钢。
[0002] 所谓剥落，是指由于紧急制动等导致车轮被加热骤冷的部分相变为称作白色层的 脆马氏体，并以该白色层为起点发展裂纹、脆性破坏，从而剥离的现象。有时也称为"热裂 纹"。
【背景技术】
[0003] 近年来，伴随世界性的移动距离的增加以及载重荷重的增加，与以往相比增加谋 求具有长寿命的铁道用车轮（以下也称为"车轮"）。
[0004] 车轮的损伤要素主要有：⑴磨耗、（ii)滚动疲劳以及（iii)剥落这三个现象，特 别是近年来，伴随移动距离的增加的磨耗以及伴随载重荷重的增加的滚动疲劳而导致损伤 的车轮正在增加。滚动疲劳有时称为"剥离（shelling)"。由剥落形成的裂纹有时也称为 "剥离"，本说明书中，将由白色层的形成引起的裂纹的产生定义为"剥落"。
[0005] 伴随制动时车轮温度上升所产生的高温滚动疲劳（Thermal mechanical shelling，以下称为"TMS"）初步认为是车轮损伤的原因。与之相伴，谋求确保高温强度 的车轮。例如在 AAR (Association of American Railroads)的 Class-D 规格中，规定 538°C (1000° F)下的屈服强度YS为345MPa以上。
[0006] 最近为了抑制车轮踏面的裂纹产生，谋求确保最低限的延展性，在各国存在各种 规定。例如，俄罗斯GOST 1079lGrade3规格中为8%以上、中国TB/T2708CL60规格中为10% 以上、欧州EN13262ER9规格中为12%以上、AAR的Class-D规格中伸长率E1为14%以上 等。
[0007] 经验上已知耐磨耗性以及耐滚动疲劳性与耐剥落性为相反的性质。当务之急是开 发出耐磨耗性、耐滚动疲劳性以及耐剥落性的平衡优异且进一步兼具高温强度与高延展性 的、能够赋予车轮长寿命的车轮用钢。
[0008] 例如，专利文献1?11中公开了关于车轮的技术。
[0009] 专利文献1中公开了添加 V的"高韧性铁道车轮用钢"。
[0010] 专利文献2中公开了耐磨耗性、耐裂损性以及耐热裂纹性优异的"用于铁道车辆 的轮组的轮圈（rim)或一体车轮"。
[0011] 专利文献3中公开了降低C的含量且踏面部制成贝氏体组织、回火马氏体组织、或 贝氏体与回火马氏体的混合组织从而兼具耐剥离性与作为耐热裂纹性的耐平坦剥离性的 "铁道车辆用车轮"。
[0012] 专利文献4中公开了将C的含量提高至0. 85?1. 20%的"耐磨耗性以及耐热裂 纹性优异的高碳铁道车辆用车轮"。
[0013] 专利文献5中公开了一种"耐磨耗性以及耐热龟裂性优异的铁道车辆用车轮" 及其制造方法，其特征在于，其为由含有C :0. 4?0. 75%、Si :0. 4?0. 95%、Μη :0. 6? 1. 2%、Cr :0?不足0. 2%、P :0. 03%以下以及S :0. 03%以下且余量包含Fe以及杂质的化 学组成的钢而构成的一体型的铁道车辆用车轮，至少距车轮踏面的表面深度为50mm的区 域包含珠光体组织。
[0014] 专利文献6以及专利文献7中分别公开了通过含有0.01?0. 12%以及0.009? 0. 013%的Nb从而高强度化且提高耐滚动疲劳性以及耐剥落性的"铁道车轮用钢"。
[0015] 专利文献8中公开了含有V或Nb的车轮用钢。根据该发明，可以在非调质下确保 耐滚动疲劳特性。
[0016] 专利文献9中公开了使用利用Ti脱氧将珠光体颗粒微细化的钢的高强度导轨。根 据该发明，可以提高延展性以及韧性。
[0017] 专利文献10中公开了规定氧化错簇（Alumina Cluster)的尺寸，从而提高耐滚动 疲劳特性的材料。
[0018] 专利文献11中公开了增加 Si、Cr以及Mo量从而提高高温强度的、耐TMS性高的 车轮用钢。
[0019] 现有技术文献 [0020] 专利文献
[0021] 专利文献1 :日本特开昭50-104717号公报
[0022] 专利文献2 :日本特开2001-158940号公报
[0023] 专利文献3 :日本特开2005-350769号公报
[0024] 专利文献4 :日本特开2004-315928号公报
[0025] 专利文献5 :日本特开平9-202937号公报
[0026] 专利文献6 :美国专利第7559999号公报
[0027] 专利文献7 :美国专利第7591909号公报
[0028] 专利文献8 :日本特开昭57-143469号公报
[0029] 专利文献9 :日本特开平6-279927号公报
[0030] 专利文献10 :日本特开平6-279918号公报
[0031] 专利文献11 :美国专利第6783610号公报
【发明内容】
[0032] 发明要解决的问是页
[0033] 专利文献1中所公开的钢的C的含量低至0. 50?0. 60%，因此耐磨耗性低。因 此，该钢不能对应近年来的载重荷重的增加。
[0034] 专利文献2中所公开的钢的C的含量低至0.45?0.55%，因此耐磨耗性低。因 此，该钢也不能对应近年来的载重荷重的增加。
[0035] 专利文献3中所公开的车轮的踏面部包含贝氏体组织、回火马氏体组织、或贝氏 体与回火马氏体的混合组织。因此，尽管具有高强度，但与踏面部包含珠光体组织的情况相 t匕，耐磨耗性低，难以得到常用货车用车轮用钢以上的耐磨耗性。即，与珠光体组织相比，贝 氏体组织以及回火马氏体组织的磨耗量变多，该珠光体组织的加工硬化特性优异，进而伴 随磨耗的进行而表现出珠光体组织的层片（lamellae)平行地再排列于表面的行为（例如， 参照山本定弘："组织制御^ A 3钢〇耐磨耗性上升技术-溶接性&備λ &耐磨耗钢Q组 织制御技术"、第161 · 162回西山記念技术講座、平成8年、日本鉄钢協会編、p. 221)。
[0036] 专利文献4中所公开的车轮的原材料钢难以在利用称为"踏面淬火法"的车轮独 特的处理而制造出的车轮中应用。作为车轮的一个例子，在图1中示出"一体车轮"的示意 图。车轮的情况下，为了在加热整体之后对轮圈部赋予压缩残留应力，实施自车轮的外周开 始冷却轮圈部的热处理。对于该冷却处理，在轮圈部附近骤冷，但轮毂部的冷却速度慢。因 此，用踏面淬火法对该文献中所记载的车轮的原材料钢进行热处理时，存在在轮毂部的奥 氏体晶界析出超共析渗碳体的可能性。超共析渗碳体发挥与粗大的夹杂物同样的作用，导 致韧性以及疲劳寿命极度地降低（例如，参照村上敬宜：微小欠陥i夹杂物〇影响（2004)、 P. 182[養賢堂])。
[0037] 专利文献5中所公开的车轮存在硬度不充分的情况。因此，未必可以对应近年来 的载重荷重的增加。
[0038] 专利文献6中所公开的铁道车轮用钢中含有多至0. 20?0. 30%的Mo。因此，容易 产生称为贝氏体组织或擬似珠光体组织的耐磨耗性低的组织，难以得到良好的耐磨耗性。 而且，上述的钢中必须含有0.01?0. 12%的Nb。存在包含Nb的钢中形成粗大的夹杂物的 情况，其与上述的超共析渗碳体同样地导致韧性以及疲劳寿命极度地降低。
[0039] 专利文献7中所公开的铁道车轮用钢中也必须包含0. 009?0. 013%的Nb。如上 所述，存在包含Nb的钢中形成粗大的夹杂物的情况，其与超共析渗碳体同样地极度降低韧 性以及疲劳寿命。
[0040] 专利文献8中所公开的铁道用车轮钢中含有0. 15%以上的Cr。Cr含量多的钢 在冷却速度快时，容易形成贝氏体组织等耐磨耗性低的组织。该发明中，对在热锻造后自 700°C?500°C的温度区域进行强制风冷（air blast cooling)等冷却速度慢的冷却速度， 从而防止这些组织的形成。然而，该缓慢冷却时不能得到足够的硬度，不能对应近年来的载 重荷重的增加。此外，冷却速度快时，贝氏体组织形成于轮圈部，耐磨耗性劣化。
[0041] 专利文献9所公开的钢可以通过制造工序而形成包含Ti的粗大的夹杂物。其与 上述的超共析渗碳体同样地导致韧性以及疲劳寿命极度地降低。
[0042] 专利文献10中所公开的钢虽然被认为具有足够的硬度与高耐滚动疲劳特性，却 没有注意到耐剥落性。
[0043] 专利文献11中所公开的车轮钢因为包含0.08%以上的Mo,所以高温强度高、耐 TMS性优异，但未考虑到延展性。此外，过度的Mo添加存在使珠光体的层片组织崩塌，耐磨 耗性降低的倾向。进而，在包含过度的Mo的钢的情况下，如果冷却速度快，则贝氏体组织形 成于轮圈部，因此难以确保耐磨耗性。
[0044] 本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于，提供耐磨耗性、耐滚动疲劳性 以及耐剥落性的平衡优异且进一步兼具高的高温屈服强度与高延展性的能够使车轮具备 长寿命的车轮用钢。
[0045] 用于解决问题的方案
[0046] 本发明人等对于耐磨耗性、耐滚动疲劳性、耐剥落性、高温强度以及延展性进行各 种研究，结果明确下述（a)?（e)的事项。
[0047] (a)对于耐磨耗性，是将钢材的组织制成珠光体组织，并且硬度越高越上升。
[0048] (b)对于耐滚动疲劳性，与组织无关，是硬度越高越上升。
[0049] (c)对于耐剥落性，是淬火性越低越上升。
[0050] ⑷对于高温强度，是Si以及V的含量越多越上升。
[0051] (e)对于延展性，是Si含量越多、V的含量越少越上升。
[0052] 由此，本发明人等为了解决前述的课题，从而得到的结论是：若开发通过热处理能 够得到珠光体组织，并且高硬度、淬火性低，将Si以及V的含量进行了最优化的钢即可。
[0053] 以下，对本发明人等研究的内容的一个例子，进行详细说明。
[0054] 首先，本发明人等利用实际车轮的踏面淬火和热处理条件类似的顶端淬火式一端 淬火试验（以下，称为"顶端淬火试验"）来评价涉及硬度与淬火性的各元素的影响。
[0055] 用真空熔化炉将具有表1中示出的化学组成的钢1?24以实验室规模熔化制作 铸锭，由各铸锭进行热锻造从而制作直径35mm的圆棒、直径160mm的圆棒以及直径70mm的 圆棒。对于钢1，为了制作后述的滚动疲劳试验的"导轨试验片"，也制作直径220mm的圆棒。
[0056] 需要说明的是，表 1 中的钢 1 相当于 AAR(Association of American Railroads) 的M-107/M-207规格中的"Class C"的铁道车轮用钢。
[0057] 表 1
[0058]
【权利要求】
1. 一种车轮用钢，其以质量％计含有 C :0. 65 ?0. 84%、 Si :0· 4 ?1. 0%、 Μη :0. 50 ?1. 40%、 Cr :0. 02 ?0. 13% 以及 S :0. 04% 以下， 且含有V :0.02?0· 12%， 由下述式⑴表示的Fnl为32?43,并且由式⑵表示的Fn2为25以下， 余量包含Fe以及杂质， 杂质中的P、Cu以及Ni分别为 P :0. 05% 以下、 Cu :0. 20%以下以及Ni :0. 20%以下， Fnl = 2. 7+29. 5XC+2. 9XSi+6. 9XMn+10. 8XCr+30. 3XMo+44. 3XV (1) Fn2 = exp(0. 76) Xexp(0. 05 XC) Xexp(l. 35XSi) Xexp(0. 38XMn) Xexp(0. 77XCr )X exp (3. OX Mo) X exp (4. 6 XV) (2) 其中，所述式（1)以及式（2)中的各元素符号意味着该元素的含量（质量％)。
2. 根据权利要求1所述的车轮用钢，代替Fe的一部分，以质量％计含有Mo :0. 07%以 下，并且V以及Mo的总含量为0.02?0. 12%。
3. 根据权利要求1或2所述的车轮用钢，代替Fe的一部分，以质量％计含有A1 :0.20% 以下。
【文档编号】C22C38/00GK104254631SQ201380021860
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年4月8日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】山本雄一郎, 竹下幸辉, 桐山健太郎, 加藤孝宪 申请人:新日铁住金株式会社