一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：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%。其熱處理工序?yàn)椋簩凑粘Ｒ?guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860～880℃，保溫3～3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840～860℃，保溫3.5～4h后，出爐立即冷卻到550℃以下后空冷至室溫，冷卻速度2℃/s～5℃/s，然后將冷卻后的車輪放入480～500℃爐中，保溫4.5～5h后，出爐空冷。
【專利說(shuō)明】一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬鐵道車輛用輾鋼車輪制造領(lǐng)域，適用于鐵路用大尺寸輾鋼整體車輪，尤其涉及外徑為1250_的輾鋼整體車輪及其生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵路車輪具有載重、導(dǎo)向、傳遞牽引力和制動(dòng)力的功能，工作條件十分惡劣，對(duì)行車安全具有重要影響。隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸高速、重載化的發(fā)展，對(duì)鐵路車輪質(zhì)量的要求不斷提高。因此對(duì)車輪鋼的生產(chǎn)制備方法要求越來(lái)越高。
[0003]我國(guó)現(xiàn)廣泛使用的使用的TB/T2708-1996鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術(shù)條件和TB/T2817-1997鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術(shù)條件，均對(duì)車輪制造過(guò)程(煉鋼、熱成型、熱處理)做出相關(guān)規(guī)定，特別對(duì)輪輞金相組織提出明確要求，車輪輞進(jìn)行淬火與回火處理后，其組織應(yīng)為細(xì)珠光體和少量鐵素體，實(shí)際晶粒度應(yīng)優(yōu)于6級(jí)。
[0004]由于車輪屬于熱成型工序多，變形復(fù)雜的產(chǎn)品，在鍛壓-軋制過(guò)程中各部位受力不同，金屬流動(dòng)位移不同且冷卻速度不一，導(dǎo)致軋后車輪不同部位組織存在明顯差異，靠近邊部組織較細(xì)，中部組織較粗大，這種組織差異在隨后的熱處理過(guò)程中由于組織遺傳(即將粗晶有序組織加熱到高于Ac3可能導(dǎo)致形成的奧氏體晶粒與原始晶粒具有相同的形態(tài)、大小和取向，這種現(xiàn)象稱為鋼的組織遺傳)，在熱處理后組織中亦存在不同程度差異。因此，車輪軋態(tài)組織的均勻性，直接影響其熱處理后組織的均勻性。
[0005]一般軋后車輪采用常規(guī)熱處理，目的是通過(guò)熱處理改善組織均勻性、提高其機(jī)械性能，采用常規(guī)熱處理的普通車輪均能滿足標(biāo)準(zhǔn)和使用性能要求。但對(duì)于外徑尺寸為1250mm的大尺寸車輪而言，熱成型過(guò)程中金屬流動(dòng)位移較大，各部位冷速差距較大，熱加工后不同部位組織差異較大，均勻性較差、晶粒嚴(yán)重不均勻，常規(guī)熱處理工藝不能有效改善不良組織遺傳，消除軋制產(chǎn)生 的不均勻組織，從而導(dǎo)致外徑尺寸為1250_的大尺寸車輪力學(xué)性能一直不能穩(wěn)定滿足相關(guān)技術(shù)條件要求，尤其是被日益重視的韌性要求。
[0006]在大尺寸車輪相關(guān)技術(shù)條件中對(duì)輪輞強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性和低溫沖擊性均有明確要求，在保持較高強(qiáng)硬度的同時(shí)必須均被相當(dāng)?shù)捻g性，但是對(duì)于碳素鋼來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度、硬度的提高勢(shì)必會(huì)降低韌性，對(duì)大尺寸機(jī)車輪而言不僅存在韌性偏低，且存在低溫沖擊韌性和斷裂韌性單值波動(dòng)較大、不能穩(wěn)定滿足要求的問(wèn)題，嚴(yán)重影響大尺寸車輪產(chǎn)品合格率及使用安全性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產(chǎn)方法，本發(fā)明在保持車輪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，顯著提高了斷裂韌性和低溫沖擊韌性，改善了大尺寸車輪整體性能穩(wěn)定性，提高其使用安全性能。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為: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%、其余為
Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
[0009]本發(fā)明還提供大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪鋼的生產(chǎn)方法，包括冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序，其特征在于，所述熱處理工序?yàn)?將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860~880°C，保溫3~3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840~860°C，保溫3.5~4h后，出爐立即冷卻，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以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入480~500°C爐中，保溫4.5~5h后，出爐空冷。
[0010]下面具體說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容:
(I)化學(xué)成分設(shè)定
鐵素體-珠光體組織在硬度水平相當(dāng)時(shí)，不僅具有最好的耐磨性，更具有一定的韌性，目前為止，國(guó)內(nèi)外火車車輪用鋼均為該種組織，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)。
[0011]C是車輪鋼中最重要的合金元素，對(duì)車輪的材料特性起著關(guān)鍵影響，C對(duì)強(qiáng)、硬度貢獻(xiàn)最大，隨著碳含量的提高，在明顯改善強(qiáng)硬度的同時(shí)，會(huì)大幅降低車輪鋼的韌性，為兼顧強(qiáng)硬度與韌性，因此本發(fā)明將C的范圍定為0.46~0.55%之間。
[0012]從合金元素對(duì)性能的影響規(guī)律看，為獲得高的強(qiáng)度硬度性能和高的塑、韌性能，應(yīng)實(shí)施復(fù)合微合金化。因此，本發(fā)明重點(diǎn)對(duì)車輪鋼中的S1、Mn、Cr、N1、Als含量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
[0013]Si在車輪鋼中不僅能提高其強(qiáng)度，同時(shí)有助于提高材料抗熱損傷性能，但是Si含量的增加會(huì)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 ~0.37% 之間。
[0014]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，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0.70~0.85%之間。
[0015]Ni不僅可以提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)可以一定程度提高鋼的韌性，通過(guò)綜合考慮Ni性能貢獻(xiàn)與含量之間關(guān)系，Ni含量應(yīng)控制在0.10~0.25%。
[0016]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，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 0.24-0.32%。
[0017]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
0.020-0.040% 之間。
[0018]P和S是鋼中難以避免的雜質(zhì)元素，這兩個(gè)元素對(duì)韌性尤其是斷裂韌性是有害的。為了獲得較高塑性的車輪鋼，因此P和S含量應(yīng)控制在盡可能低的水平，故其含量控制在不超過(guò) 0.008%。
[0019](2)熱處理制度設(shè)定
本發(fā)明采用一種改善大尺寸鐵路車輪軋態(tài)組織均勻性的熱處理方法，對(duì)按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪工件先進(jìn)行正火預(yù)處理，細(xì)化并均勻化原始軋態(tài)組織，然后采用與一次正火溫度相匹配的淬火加熱溫度，淬火加熱溫度控制在小于一次正火溫度20~400C (相當(dāng)于二次正火熱處理)，保證細(xì)晶粒組織不粗化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化、均勻化原始組織，為熱處理后車輪獲得足夠的強(qiáng)硬度和韌性創(chuàng)造條件。淬火時(shí)采用較強(qiáng)的冷卻速度，以保證車輪具有較高韌性的同時(shí)，具有相當(dāng)?shù)挠捕取?br> [0020]( 3 )具體技術(shù)方案內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明提供了用設(shè)定化學(xué)成分的車輪鋼制備外徑為1250mm大尺寸車輪的方法，包括轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD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，其特征在于:所述的熱處理工序?yàn)?將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860~880°C，保溫3~3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840~860°C，保溫3.5~4h后，出爐立即冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以20C /s~5°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放Λ 480~500°C爐中，保溫4.5~5h后，出爐空冷。
[0021]本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上取得了顯著技術(shù)進(jìn)步，解決了本領(lǐng)域長(zhǎng)期未能解決的技術(shù)難題，充分體現(xiàn)了本發(fā)明的新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性。本發(fā)明獲得了以下有益效果:采用本發(fā)明制備的外徑尺寸為1250mm的車輪在保持車輪強(qiáng)硬度的基礎(chǔ)上，斷裂韌性和低溫沖擊性能顯著增加，有效提高了大尺寸車輪的整體穩(wěn)定性，并具有較高的使用安全性能。同時(shí)，本發(fā)明制成的外徑為1250mm的大尺寸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】
[0022]圖1:實(shí)施例1、2、3輪輞邊部軋態(tài)組織圖 圖1中實(shí)際晶粒度3級(jí)。
[0023]圖2:實(shí)施例1、2、3輪輞中部軋態(tài)組織圖 圖2中實(shí)際晶粒度I級(jí)。
[0024]圖3:對(duì)比例輪輞組織圖 圖3中實(shí)際晶粒度8-6.5級(jí)，其中晶粒度為8級(jí)的區(qū)域占80-85%，晶粒度8級(jí)以下至
6.5級(jí)的區(qū)域占15-20%。
[0025]圖4:實(shí)施例1輪輞組織圖 圖4中實(shí)際晶粒度8.5級(jí)。
[0026]圖5:實(shí)施例2輪輞組織圖 圖5中實(shí)際晶粒度8.5級(jí)。
[0027]圖6:實(shí)施例3輪輞組織圖 圖6中實(shí)際晶粒度8.5級(jí)。
[0028]上述6個(gè)金相組織圖放大倍數(shù)為100。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1、2、3中的車輪鋼化學(xué)成分質(zhì)量百分比如表1所示，實(shí)施例1、2、3均采用120噸氧頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉經(jīng)LF+VD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、熱處理后形成外徑為1250mm的大尺寸整體輾鋼車輪。所述的熱處理工序?yàn)?將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860~880°C，保溫3~3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840~860°C，保溫3.5~4h后，出爐立即冷卻，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以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入480~500°C爐中，保溫4.5~5h后，出爐空冷。實(shí)施例1、2、3車輪鋼化學(xué)成分見表1。
[0031]實(shí)施例1:
將化學(xué)成分如表1實(shí)施例1的鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD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。其中對(duì)比例按照常規(guī)熱處理進(jìn)行，實(shí)施例1按照本發(fā)明提出的熱處理方案進(jìn)行:將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860°C，保溫3h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840°C，保溫3.5h后，出爐立即冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以2°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入480°C爐中，保溫4.5h后，出爐空冷。金相組織如圖1、2所示，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度3級(jí)，輪輞中部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度I級(jí)，輪輞不同部位的軋態(tài)組織晶粒度差異較大，輪輞整體組織均勻性較差。如圖3所示，按照常規(guī)熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級(jí)，即在同一塊試樣中晶粒度為8級(jí)的區(qū)域占80-85%，晶粒度8級(jí)以下至6.5級(jí)的區(qū)域占15-20%，這說(shuō)明輪輞晶粒還不均勻。如圖4所示，按照本發(fā)明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8.5級(jí)，組織狀態(tài)趨于一致，組織均勻細(xì)小，與常規(guī)熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態(tài)組織的均勻性且使其顯著細(xì)化。由表2、3可以看出實(shí)施例1和對(duì)比例的力學(xué)性能大致相同，但_20°C沖擊功和KQ不同，_20°C沖擊功平均值高于對(duì)比例9.6J，KQ平均值高于對(duì)比例15.4MPa.m1/2。KQ單值如表3所示，實(shí)施例1的KQ單值差最大為21.2 MPa.m1/2，而對(duì)比例KQ單值差最大為則高達(dá)50.3 MPa.m1/2，這說(shuō)明實(shí)施例1有效改善了大尺寸車輪軋態(tài)組織的均勻性，韌性水平顯著提高。
[0032]實(shí)施例2:
將化學(xué)成分如表1實(shí)施例2的鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD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。其中對(duì)比例按照常規(guī)熱處理進(jìn)行，實(shí)施例2按照本發(fā)明提出的熱處理方案進(jìn)行:將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至870°C，保溫3.2h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至850°C，保溫3.8h后，出爐立即冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以3.50C /s的冷卻速度加速冷卻到 550°C以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入490°C爐中，保溫4.8h后，出爐空冷。金相組織如圖1、2所示，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度3級(jí)，輪輞中部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度I級(jí)，輪輞不同部位的軋態(tài)組織晶粒度差異較大，輪輞整體組織均勻性較差。如圖3所示，按照常規(guī)熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級(jí)，即在同一塊試樣中晶粒度為8級(jí)的區(qū)域占80-85%，晶粒度8級(jí)以下至6.5級(jí)的區(qū)域占15-20%，這說(shuō)明輪輞晶粒還不均勻。如圖5所示，按照本發(fā)明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8.5級(jí)，組織狀態(tài)趨于一致，組織均勻細(xì)小，與常規(guī)熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態(tài)組織的均勻性且使其顯著細(xì)化。由表2、3可以看出實(shí)施例2和對(duì)比例的力學(xué)性能大致相同，但_20°C沖擊功和KQ不同，_20°C沖擊功平均值高于對(duì)比例8.2J，KQ平均值高于對(duì)比例13.8MPa.m1/2.KQ單值如表3所示，實(shí)施例1的KQ單值差最大為20 MPa.m1/2，而對(duì)比例KQ單值差最大為則高達(dá)50.3 MPa.m1/2，這說(shuō)明實(shí)施例2有效改善了大尺寸車輪軋態(tài)組織的均勻性，韌性水平顯著提高。[0033]實(shí)施例3:
將化學(xué)成分如表4實(shí)施例3的鋼水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、VD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。其中對(duì)比例按照常規(guī)熱處理進(jìn)行，實(shí)施例3按照本發(fā)明提出的熱處理方案進(jìn)行:將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至880°C，保溫3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至860°C，保溫4h后，出爐立即冷卻，使輪輞內(nèi)部金屬以5°C /s的冷卻速度加速冷卻到550°C以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入500°C爐中，保溫5h后，出爐空冷。金相組織如圖1、2所示，均為細(xì)珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度3級(jí)，輪輞中部軋態(tài)組織實(shí)際晶粒度I級(jí)，輪輞不同部位的軋態(tài)組織晶粒度差異較大，輪輞整體組織均勻性較差。如圖3所示，按照常規(guī)熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級(jí)，即在同一塊試樣中晶粒度為8級(jí)的區(qū)域占80-85%，晶粒度8級(jí)以下至6.5級(jí)的區(qū)域占15-20%，這說(shuō)明輪輞晶粒還不均勻。如圖6所示，按照本發(fā)明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度
8.5級(jí)，組織狀態(tài)趨于一致，組織均勻細(xì)小，與常規(guī)熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態(tài)組織的均勻性且使其顯著細(xì)化。由表2、3可以看出實(shí)施例3和對(duì)比例的力學(xué)性能大致相同，但-20°C沖擊功和KQ不同，-20°C沖擊功平均值高于對(duì)比例7.4J，KQ平均值高于對(duì)比例10.8MPa.m1/2。KQ單值如表3所示，實(shí)施例1的KQ單值差最大為22.4 MPa.m1/2，而對(duì)比例KQ單值差最大為則高達(dá)50.3 MPa.m1/2，這說(shuō)明實(shí)施例3有效改善了大尺寸車輪軋態(tài)組織的均勻性，韌性水平顯著提高。
[0034]
表1實(shí)施例1、2、3及對(duì)比例車輪化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，wt-%)
【權(quán)利要求】
1.一種大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為: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%、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.一種如權(quán)利要求1所述大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪鋼的生產(chǎn)方法，包括冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序，其特征在于，所述熱處理工序?yàn)?將按照常規(guī)工藝軋制并緩冷處理后的車輪隨爐升溫至860~880°C，保溫3~3.5h后出爐空冷至室溫，再將車輪隨爐升溫至840~860°C，保溫3.5~4h后，出爐立即冷卻，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以下后空冷至室溫，然后將冷卻后的車輪放入480~500°C爐中，保溫4.5~5h后，出爐空冷。
【文檔編號(hào)】C21D9/34GK103469091SQ201310368850
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】孫曼麗, 陳剛, 江波, 趙海, 鐘斌, 王世付, 程德利, 李翔, 張弘, 叢韜 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