本發(fā)明屬于鐵路車輪用鋼
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種具有高強(qiáng)度和高韌性的重載列車車輪用鋼及其熱處理方法。
背景技術(shù)：
：車輪是鐵道和軌道交通車輛用鋼的重要產(chǎn)品品種，近幾年中國軌道交通行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，特別是隨著我國軌道交通客運(yùn)高速化，貨運(yùn)重載化，車輪服役環(huán)境惡化，各種隱患問題日趨嚴(yán)重，如車輪的剝離、磨損等，已突顯出現(xiàn)在的車輪品種無法滿足目前鐵路大發(fā)展的需要。重載鐵路標(biāo)志著一個(gè)國家的貨運(yùn)水平，重載鐵路技術(shù)的突破，提升的不僅是物流效率，更重要的是提高了載貨運(yùn)輸能力。目前中國鐵道行業(yè)用的貨車車輪的技術(shù)條件有TB/T2817-1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪的技術(shù)條件》和TB/T1013-2011《碳素鋼鑄鋼車輪技術(shù)條件》兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TB/T2817-1997規(guī)定的車輪鋼鋼種為CL60，TB/T1013-2011規(guī)定了2種車輪鋼鋼種：ZL-B和ZL-C。其中，ZL-B和ZL-C鋼種參考了北美鐵路協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)AARM107/M208標(biāo)準(zhǔn)，與AAR-B級和C級鋼的成分和硬度要求基本一致。隨著我國鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對車輪的使用性能提出了更高要求，由于軸重增加，車輪的磨損情況更為嚴(yán)重，因此，對車輪耐磨性能的要求不斷提高。而目前使用的CL60車輪，由于碳含量較低，耐磨性能不足，已不能滿足重載貨車實(shí)際使用要求，而提高車輪用鋼的碳含量是保證車輪耐磨性能的關(guān)鍵。但同時(shí)，由于碳含量的提高，車輪材料的韌性、抗熱損傷性能會降低，這對車輪使用過程中的安全性也是不利的。通過微合金化處理是改善車輪用鋼綜合性能的手段之一，例如，中國專利CN104451401A(一種車輪用車輪鋼及其制備方法)提供了一種高碳Nb微合金化車輪鋼(Nb：0.02-0.04wt.％)；美國專利US2015/0147224A1(Steelforwheel)提供了一種V微合金化高碳車輪鋼(V：0.02-0.12wt.％)。這些專利采用了單一微合金化，沒有注意到Nb、V復(fù)合微合金的匹配對于強(qiáng)韌性的影響；而美國專利US7559999B2(Railroadwheelsteelshavingimprovedresistancetorollingcontactfatigue)提供了一種高碳車輪鋼，采用了Nb、V復(fù)合微合金化(Nb：0.01-0.12wt.％，V：0.10-0.30wt.％)設(shè)計(jì)，以提高車輪的接觸疲勞性能。然而，該專利的不足之處在于V含量的設(shè)計(jì)較高，VC高溫析出較多，不利于細(xì)化奧氏體晶粒、保證車輪鋼珠光體組織C含量及車輪鋼強(qiáng)度。本發(fā)明在于發(fā)現(xiàn)并利用了中高碳鋼微Nb處理后高溫相變的新特點(diǎn)，并協(xié)同V微合金化和Si、Cr合金化的特點(diǎn)，發(fā)明了一種新型的Nb-V-Si-Cr珠光體型重載列車車輪用鋼，采用新的熱處理方法，可以獲得高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)良匹配，具有良好的耐磨、抗接觸疲勞、抗冷熱疲勞性能。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度高韌性重載列車車輪用鋼及其熱處理方法。在化學(xué)成分上，采用高C、以Si、Mn、Cr、Nb、V、Al為主的合金化設(shè)計(jì)，采用多元復(fù)合微合金化的思路，重點(diǎn)在于Nb、V、Mn、Si、Cr元素的合理匹配，充分發(fā)揮其在車輪鋼中的作用，獲得以片層珠光體為主的顯微組織，使車輪用鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的延伸率等綜合力學(xué)性能，具有良好的耐磨、抗接觸疲勞、抗冷熱疲勞等服役性能。為了達(dá)到上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：一種高強(qiáng)度高韌性重載列車車輪用鋼，化學(xué)成分為：C：0.75～0.85wt.％、Si：0.80～1.00wt.％、Cr：0.40～0.80wt.％、Mn：0.30～0.50wt.％、Nb：0.01～0.03wt.％、V：0.02～0.06wt.％、Al：0.010～0.025wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.015wt.％，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，化學(xué)成分為：C：0.75～0.78wt.％、Si：0.80～0.90wt.％、Cr：0.40～0.55wt.％、Mn：0.30～0.42wt.％、Nb：0.01～0.018wt.％、V：0.02～0.036wt.％、Al：0.010～0.015wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.015wt.％，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，化學(xué)成分為：C：0.80～0.85wt.％、Si：0.92～1.00wt.％、Cr：0.58～0.80wt.％、Mn：0.45～0.50wt.％、Nb：0.023～0.03wt.％、V：0.042～0.06wt.％、Al：0.022～0.025wt.％、P：＜0.015wt.％、S：＜0.015wt.％，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，均為重量百分?jǐn)?shù)。進(jìn)一步地，提供一種制造上述重載列車車輪用鋼的熱處理方法，將車輪裝入真空爐或氣氛保護(hù)爐中加熱，加熱溫度為820-900℃，保溫時(shí)間為1-2小時(shí)，出爐后采用踏面淬火、分段冷卻的方式，首先采用噴水冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為15-30℃/s；當(dāng)踏面冷卻至600-650℃區(qū)間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為3-8℃/s，連續(xù)冷卻至400℃以下后進(jìn)行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護(hù)爐中進(jìn)行回火處理，回火溫度為500-520℃，保溫時(shí)間為1-2小時(shí)，回火后空冷到室溫。優(yōu)選地，高強(qiáng)度高韌性重載列車車輪用鋼采用鐵路整體碾壓車輪的生產(chǎn)方法制造，采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，爐外精煉后連鑄或模鑄，鑄坯經(jīng)開坯后進(jìn)行車輪鍛軋，加熱溫度為1250-1300℃，鍛軋后空冷，熱處理時(shí)采用踏面淬火熱處理裝備。優(yōu)選地，將車輪裝入真空爐或氣氛保護(hù)爐中加熱，加熱溫度為820-845℃，保溫時(shí)間為1.5-2小時(shí)，出爐后采用踏面淬火、分段冷卻的方式，首先采用噴水冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為15-20℃/s；當(dāng)踏面冷卻至600-620℃區(qū)間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為3-5℃/s，連續(xù)冷卻至380℃以下后進(jìn)行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護(hù)爐中進(jìn)行回火處理，回火溫度為500-505℃，保溫時(shí)間為1.5-2小時(shí)，回火后空冷到室溫。優(yōu)選地，將車輪裝入真空爐或氣氛保護(hù)爐中加熱，加熱溫度為850-890℃，保溫時(shí)間為1-1.5小時(shí)，出爐后采用踏面淬火、分段冷卻的方式，首先采用噴水冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為25-30℃/s；當(dāng)踏面冷卻至625-650℃區(qū)間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為6-8℃/s，連續(xù)冷卻至400℃以下后進(jìn)行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護(hù)爐中進(jìn)行回火處理，回火溫度為510-520℃，保溫時(shí)間為1-1.5小時(shí)，回火后空冷到室溫。優(yōu)選地，熱處理后輪輞進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)位置的組織為全片層珠光體組織，珠光體團(tuán)尺寸2-6μm，珠光體片層間距0.05-0.09μm。優(yōu)選地，本發(fā)明所涉及的高強(qiáng)度高韌性重載列車車輪用鋼采用鐵路整體碾壓車輪的常規(guī)生產(chǎn)方法制造。本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下：碳：C是關(guān)系車輪鋼強(qiáng)韌性、耐磨性等的主要元素。隨著含C量的提高，強(qiáng)度提高，耐磨性提高，韌性和抗熱損傷性能降低。但是，重載車輪最關(guān)鍵的指標(biāo)是高耐磨性，因此本發(fā)明鋼的碳含量采用高C成分設(shè)計(jì)以保證高強(qiáng)度、高硬度，碳含量定為0.75～0.85wt.％。在此碳含量范圍下的低合金鋼本質(zhì)上為過共析鋼，很容易出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體。如何采用新穎的成分設(shè)計(jì)以及熱處理方法、避免網(wǎng)狀滲碳體是本發(fā)明要解決的主要問題之一。硅：鋼中脫氧元素之一，具有顯著的固溶強(qiáng)化和細(xì)化珠光體片層間距的作用，從而能顯著提高車輪鋼的強(qiáng)度和硬度；Si提高淬透性，但提高程度并不十分顯著；Si還能顯著提高加熱過程中奧氏體的開始形成溫度。因此，在重載車輪鋼中可以適當(dāng)提高Si含量增加耐磨性和抗冷熱疲勞性能，但過量的Si將惡化鋼的韌性，增加車輪踏面淬火時(shí)的馬氏體層厚度。本發(fā)明鋼的Si含量控制在0.80～1.00wt.％。鉻：Cr顯著提高鋼的淬透性，顯著細(xì)化珠光體的片層間距，提高車輪鋼的強(qiáng)度和硬度；Cr能溶入滲碳體中形成合金滲碳體，使珠光體組織更穩(wěn)定；Cr還提高加熱過程中奧氏體的開始形成溫度；因此，提高Cr含量還有利于提高車輪踏面的抗剝離性能和抗冷熱疲勞性能。本發(fā)明鋼的Cr含量控制在0.40～0.80wt.％，突破了車輪鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的Cr含量成分上限。錳：鋼中的脫氧元素之一，具有固溶強(qiáng)化和細(xì)化珠光體片層間距的作用，提高車輪鋼的強(qiáng)度和硬度。Mn顯著提高鋼的淬透性，也顯著降低加熱過程中奧氏體的開始形成溫度。本發(fā)明鋼主要采用Si、Cr合金化方法，因此，Mn含量控制在較低的范圍，為0.30～0.50wt.％，有利于提高車輪的抗冷熱疲勞性能。鈮：中高碳鋼中進(jìn)行Nb微合金化，大部分的Nb將在高溫奧氏體相區(qū)以NbC形式析出，起細(xì)化奧氏體晶粒的作用，從而細(xì)化珠光體塊、團(tuán)尺寸。高溫奧氏體化時(shí)固溶Nb含量為5-10ppm量級，但顯著提高共析碳含量。Nb微合金化促使中高碳鋼連續(xù)冷卻過程中的高溫相變曲線向右上方移動。本發(fā)明利用微量Nb提高共析碳含量的特點(diǎn)，與高C設(shè)計(jì)、較高的Si、Cr合金化匹配，可以獲得高強(qiáng)度高韌性匹配的細(xì)晶細(xì)片層珠光體型車輪鋼，無網(wǎng)狀滲碳體。本發(fā)明鋼的Nb含量控制為0.01～0.03wt.％，過高的Nb含量會導(dǎo)致NbC析出溫度升高從而粗化，不利于對奧氏體晶粒的細(xì)化。過低的Nb含量也不利于細(xì)化奧氏體晶粒。釩：中高碳鋼中的微合金V在高溫奧氏體化時(shí)部分析出以外，還有相當(dāng)部分以固溶形式存在，在后續(xù)的相變過程中細(xì)化珠光體片層間距，并以相間析出的形式析出，具有沉淀強(qiáng)化作用，提高抗接觸疲勞性能。高溫析出的VC也具有一定的沉淀強(qiáng)化效果，但其主要作用是細(xì)化奧氏體晶粒，從而細(xì)化珠光體塊、團(tuán)尺寸，獲得高強(qiáng)度高韌性匹配。本發(fā)明鋼V含量控制在0.02～0.60wt.％，主要發(fā)揮VC的沉淀強(qiáng)化作用，并與Nb復(fù)合，增強(qiáng)細(xì)晶作用。但過高的V含量會導(dǎo)致VC析出溫度過高、析出量過多、粒子尺寸粗大，從不利于細(xì)化奧氏體晶粒和保證珠光體組織的C含量，對車輪鋼的強(qiáng)度、耐磨性等不利。過低的V，以上作用都不明顯。鋁：鋁是強(qiáng)脫氧元素，還可與N結(jié)合形成AlN，能夠起到細(xì)化晶粒作用。本發(fā)明鋼中的鋁含量控制在0.010～0.025wt.％。磷和硫：鋼中雜質(zhì)元素，顯著降低塑韌性，其含量控制在0.015wt.％以內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用新型的高C含量、Nb、V復(fù)合微合金化、較高Si、Cr合金設(shè)計(jì)，輔以踏面淬火、分段冷卻的新型熱處理工藝方法，可以減少踏面淬火馬氏體層，從而減少車輪的加工量。本發(fā)明車輪成品具有比傳統(tǒng)車輪更細(xì)的珠光體片層間距和更小的珠光體團(tuán)尺寸，強(qiáng)韌塑性優(yōu)異匹配，具有高耐磨性、良好的抗接觸疲勞和冷熱疲勞等服役性能。附圖說明下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1為實(shí)施例1#熱處理后組織的OM照片。圖2為實(shí)施例1#熱處理后組織的SEM照片。具體實(shí)施方式下面將對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明鋼均由轉(zhuǎn)爐冶煉，其中1#～3#為實(shí)施例，對比例為常規(guī)高碳車輪鋼，化學(xué)成分如表1所示。實(shí)施例與對比例經(jīng)冶煉、澆鑄、鍛軋后，在真空爐中加熱至860℃，保溫2h，隨后采用踏面淬火、分段冷卻的方式，首先噴水冷卻至620℃，然后噴霧冷卻至380℃，然后空冷至室溫?；鼗鹛幚頃r(shí)的回火溫度520℃，保溫時(shí)間2h，回火后空冷至室溫。熱處理后均獲得片層珠光體組織，圖1和圖2分別為實(shí)施例1#熱處理后輪輞組織的OM和SEM照片，實(shí)施例輪輞進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)位置處較對比例具有更細(xì)的珠光體片層間距和更小的珠光體團(tuán)尺寸(見表2)，其中珠光體團(tuán)尺寸2-6μm，珠光體片層間距0.05-0.09μm。熱處理后的輪輞的室溫拉伸性能和輻板的20℃沖擊性能在表2中列出，其中實(shí)施例1#～3#鋼均獲得輪輞抗拉強(qiáng)度1200MPa以上、輻板室溫沖擊功20J以上的良好綜合力學(xué)性能，強(qiáng)韌性都優(yōu)于低Cr無Nb、V添加的對比例。表1化學(xué)成分(wt.％)編號CSiMnSPCrNbVAl1#0.750.920.420.0080.0070.750.0220.0350.0122#0.80.810.340.010.0140.510.0160.0420.0123#0.840.80.480.00770.0110.420.0250.060.018對比例0.730.880.860.0110.0120.17-0.0050.016表2輪輞室溫拉伸性能和輻板20℃沖擊性能以及輪輞組織的珠光體團(tuán)尺寸和片層間距以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3