一种车轮用车轮钢及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种车轮用车轮钢及其制备方法，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％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。制备方法，包括如下步骤：(1)依照上述组分和配比进行冶炼；(2)轧制；(3)粗加工；(4)将车轮随炉升温并保温；(5)轮辋喷水冷却；(6)回火处理。本发明制备的车轮的拉伸性能与AAR M107标准新增D级车轮相当，且在具有与常规CL60车轮相当塑性的同时，具有明显较高的强硬度。本发明在不改变车轮常规生产工艺的基础上显著提高了产品综合性能，未增加车轮制造难度，可实现性强，具有良好的发明效果和经济效益。
【专利说明】一种车轮用车轮钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路辗钢车轮的制造领域，具体涉及涉及轴重> 40t、运行速度 < lOOkm/h的高硬度、高强度、高塑性铁路货车用高碳低合金钢车轮合金化设计及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 铁路90%的运力用于确保关系国计民生的煤炭、冶炼、石油、粮食等重点物资运 输，承担了学生、农资等大量公益性运输任务，保障了国民经济平稳运行和人民群众生产生 活需要。
[0003] 《铁路"十二五"发展规划》中铁路货运发展目标是大能力区际干线和煤运通道进 一步优化完善，煤炭运输能力达30亿吨以上，重点物资和跨区域货运服务能力显著增强， 大幅提升铁路对经济发展的支撑和保障能力。到2015年货运量由2010年的36. 3亿吨提 升至55亿吨。在目前铁路资源条件下，解决货运能力的当务之急是重载运输。
[0004] 通过"十一五"将货车轴重由21t提高到25t，可以预见在不远的将来，国内30t、 35t乃至40t轴重重载货运必然会得到迅猛发展。但是，货运重载的发展对现有车轮材料将 提出挑战性要求，这是因为轴重的增加不可避免的会引起车轮的使用条件恶化，使车轮受 到的机械载荷大幅度增大，磨损、接触疲劳、辗宽等机械损伤将成为车轮使用过程中的突出 问题。
[0005] 因此，一直以来重载车轮的研发均侧重于高碳车轮钢，通过提高车轮的强度和硬 度来提高车轮的耐磨性能。而对于碳素钢来说，强度、硬度的提高势必会降低塑性和韧性， 从而降低材料的抗裂纹萌生和扩展能力，导致车轮断裂等失效现象的发生，影响了车轮的 使用安全性能。因此，如果不能很好的协调车轮的强、硬度性能和塑、韧性能，将会严重制约 铁路重载运输的发展。国外已经开始重视重载车轮的塑性问题，如美国AAR M-107标准中 专门增加了 AAR-D车轮钢种，该钢种成分要求与AAR-C相同，但允许采用微合金化手段来提 高车轮的硬度和强塑性指标，且对硬度和强塑性等指标都有明确的要求。
[0006] 近几年来通过不断的技术进步，国内30t轴重重载货运技术已取得突破性进展， 马钢已成功开发并批量生产出常规CL70材质货车车轮，其服役性能明显优于现有的CL60 材质货车轮。但随着轴重的增加、使用频率的上升，车轮使用条件更加恶化，对车轮综合力 学性能特别是强、硬度与塑性匹配的要求势必越来越高，因此必须在提高重载车轮强、硬度 的同时兼顾其塑性，以满足未来重载车轮发展需求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种车轮用车轮钢及其制备方法，尤其是一种提高铁路货 车用高碳钢车轮塑性塑性的合金化设计方法，具体技术方案如下：
[0008] 一种车轮用车轮钢，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%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。
[0009] 进一步地，其具有铁素体-珠光体组织状态。
[0010] 进一步地，其为一种高碳铁路货车车轮合金。
[0011] 上述车轮用车轮钢的制备方法，包括如下步骤：
[0012] (1)依照上述组分和配比进行冶炼；
[0013] (2)轧制；
[0014] ⑶粗加工；
[0015] (4)将车轮随炉升温并保温；
[0016] (5)轮辋喷水冷却；
[0017] (6)回火处理。
[0018] 进一步地，步骤（4)中，将车轮随炉升温至850-880°C保温2. 0-2. 5小时。
[0019] 进一步地，步骤（5)中，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。
[0020] 进一步地，步骤（6)中，在490±101：回火处理4.0-5.0小时。
[0021] 进一步地，步骤（1)中，采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成 380mm的圆述。
[0022] 进一步地，步骤（2)和（3)中，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为860mm的车 轮。
[0023] 进一步地，步骤（1)中，钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、 圆坯连铸工序。
[0024] 与目前现有技术相比，本发明车轮力学性能与AAR M107标准新增D级车轮性能 相当，且在具有与常规CL60车轮相当塑性的同时，具有明显较高的强硬度，提高了铁路货 车用高碳钢车轮的安全使用性能，获得了以下有益效果：本发明制备的车轮的拉伸性能与 AARM107标准新增D级车轮相当，且在具有与常规CL60车轮相当塑性的同时，具有明显较高 的强硬度。本发明在不改变车轮常规生产工艺的基础上显著提高了产品综合性能，未增加 车轮制造难度，可实现性强，具有良好的发明效果和经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为常规CL60车轮轮辋金相图
[0026] 图2为本发明车轮轮辋金相组织图
【具体实施方式】
[0027] 下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实 施例。
[0028] -种高碳铁路货车车轮合金化设计方法，化学成分百分比为：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%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。
[0029] 到目前为止，国内外火车车轮用钢均为铁素体-珠光体组织的中、高碳碳素钢，这 种组织在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠 光体组织状态。
[0030] C对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮的强度硬度指标，但 其含量过高将降低车轮的韧性和塑性，因此本发明将C的范围确定为0. 70?0. 75%之间。
[0031] 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性性能，应 实施复合微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的Si、Mn、Cr、Als含量进行了设计。
[0032] Si是车轮钢中重要强化元素，作为置换原子发挥固溶强化作用。Si在提高钢强度 的同时，还提高其淬透性和耐磨性，但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. 50%之间。
[0033] Mn是车轮钢中重要强化元素，一般大部分作为置换原子发挥固溶强化作用，少量 形成碳化物。Mn在提高钢强度的同时，还提高其淬透性，但也增加了钢的过热敏感性和回火 脆性倾向，故Mn含量控制在0.80?1.0%之间。
[0034] Cr是次要的固溶强化元素，一般一部分作为置换原子发挥固溶强化作用，一部分 形成碳化物。Cr不仅能增加钢的淬透性，而且能在提高高碳钢硬度和耐磨性性的同时而不 使钢变脆，还能提高钢的高温机械性能。但Cr的增加会导致塑韧性的降低，Cr含量应该控 制在不大于0. 35%。
[0035] Als在车轮钢中以AlN的形式存在，细小弥散分布的AlN可以通过细化晶粒以使车 轮获得较好的塑性和韧性，但故Als的增加会导致AlN长大，不仅不能发挥改善塑韧性的作 用，反而会导致塑韧性降低，Als的含量控制在0.01?0.02%之间。
[0036] P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015 %。
[0037] 还提供了一种热处理工艺方法，具体方案是：将上述成分的车轮钢按照常规车轮 钢炼钢工艺进行冶炼、乳制、粗加工后，将车轮随炉升温至850-880°C保温2. 0-2. 5小时后， 轮辋喷水冷却（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）， 最后在490± KTC回火处理4. 0-5. 0小时。
[0038] 下面结合附图1-2及实施例1-2对本发明做详细的说明。
[0039] 实施例1-2中的车轮钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1-2均采用电 炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后 形成直径为860mm的车轮。
[0040] 优选实施例1 :
[0041] 将化学成分如表1实施例1的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH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。所述的热 处理工序为：首先将车轮随炉升温至855-875°C保温2. 0-2. 5小时后，轮辋喷水冷却（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），最后在490±10°C回火 处理4.0-5. 0小时。
[0042] 如图1、2所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织与常规CL60钢车轮基本一致， 均为细珠光体+少量铁素体，但本发明车轮轮辋金相组织比常规CL60钢细化且均匀。本实 施例车轮机械性能如表2所示，由表2可以看出实施例1和常规CL60钢塑性基本相当，但 强度、硬度均显著增加，另由表2还可以看出实施例1的强度、硬度和塑性均满足AAR M107 标准中D级钢要求。
[0043] 由此可见，实施例1在保持与对比例相当的塑性前提下，具有较高的强度和硬度 水平，发明取得了预期效果。
[0044] 优选实施例2 :
[0045] 将化学成分如表1实施例2的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH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。所述的 热处理工序为：首先将车轮随炉升温至860-880°C保温2. 0-2. 5小时后，在825-845°C保温 2. 0-2. 5小时，轮辋喷水冷却（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），最后在490±10°C回火处理4. 0-5. 0小时。
[0046] 本实施例车轮机械性能如表2所示，由表2可以看出实施例2和常规CL60钢塑性 基本相当，但强度、硬度均显著增加，另由表2还可以看出实施例2的强度、硬度和塑性均满 足AAR M107标准中D级钢要求。
[0047] 由此可见，实施例2在保持与对比例相当的塑性前提下，具有较高的强度和硬度 水平，发明取得了预期效果。
[0048] 表1实施例1 一 2及常规CL60钢所采用的火车车轮的合金成分（重量百分比％ )
[0049]
【权利要求】
1. 一种车轮用车轮钢，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%、其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2. 如权利要求1所述的车轮用车轮钢，其特征在于，其具有铁素体-珠光体组织状态。
3. 如权利要求1或2所述的车轮用车轮钢，其特征在于，其为一种高碳铁路货车车轮合 金。
4. 如权利要求1-3所述车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 依照权利要求1所述组分和配比进行冶炼； (2) 轧制； (3) 粗加工； (4) 将车轮随炉升温并保温； (5) 轮辋喷水冷却； (6) 回火处理。
5. 如权利要求4所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤⑷中，将车轮随 炉升温至850-880°C保温2. 0-2. 5小时。
6. 如权利要求4或5所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤（5)中，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。
7. 如权利要求4-6中任一项所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤（6) 中，在490±10°C回火处理4. 0-5. 0小时。
8. 如权利要求4-7中任一项所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤（1) 中，采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成$ 380mm的圆坯。
9. 如权利要求4-8中任一项所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤（2)和 (3)中，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为860mm的车轮。
10. 如权利要求4-9中任一项所述的车轮用车轮钢的制备方法，其特征在于，步骤（1) 中，钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序。
【文档编号】C22C33/04GK104451401SQ201410805275
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】陈刚, 孙曼丽, 江波, 赵海, 钟斌, 邹强, 王世付, 李翔 申请人:马钢(集团)控股有限公司, 马鞍山钢铁股份有限公司