一種高強度高韌性重載列車車輪用鋼及其熱處理方法與流程

本發明屬于鐵路車輪用鋼
技術領域：
，涉及一種具有高強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：
：車輪是鐵道和軌道交通車輛用鋼的重要產品品種，近幾年中國軌道交通行業得到了迅猛發展，特別是隨著我國軌道交通客運高速化，貨運重載化，車輪服役環境惡化，各種隱患問題日趨嚴重，如車輪的剝離、磨損等，已突顯出現在的車輪品種無法滿足目前鐵路大發展的需要。重載鐵路標志著一個國家的貨運水平，重載鐵路技術的突破，提升的不僅是物流效率，更重要的是提高了載貨運輸能力。目前中國鐵道行業用的貨車車輪的技術條件有TB/T2817-1997《鐵道車輛用輾鋼整體車輪的技術條件》和TB/T1013-2011《碳素鋼鑄鋼車輪技術條件》兩個行業標準。TB/T2817-1997規定的車輪鋼鋼種為CL60，TB/T1013-2011規定了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會標準AARM107/M208標準，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輸的發展，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鍵。但同時，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復合微合金的匹配對于強韌性的影響；而美國專利US7559999B2(Railroadwheelsteelshavingimprovedresistancetorollingcontactfatigue)提供了一種高碳車輪鋼，采用了Nb、V復合微合金化(Nb：0.01-0.12wt.％，V：0.10-0.30wt.％)設計，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含量的設計較高，VC高溫析出較多，不利于細化奧氏體晶粒、保證車輪鋼珠光體組織C含量及車輪鋼強度。本發明在于發現并利用了中高碳鋼微Nb處理后高溫相變的新特點，并協同V微合金化和Si、Cr合金化的特點，發明了一種新型的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，可以獲得高強度和高韌性的優良匹配，具有良好的耐磨、抗接觸疲勞、抗冷熱疲勞性能。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種高強度高韌性重載列車車輪用鋼及其熱處理方法。在化學成分上，采用高C、以Si、Mn、Cr、Nb、V、Al為主的合金化設計，采用多元復合微合金化的思路，重點在于Nb、V、Mn、Si、Cr元素的合理匹配，充分發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度、高韌性和良好的延伸率等綜合力學性能，具有良好的耐磨、抗接觸疲勞、抗冷熱疲勞等服役性能。為了達到上述技術目標，本發明的技術方案具體如下：一種高強度高韌性重載列車車輪用鋼，化學成分為：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，均為重量百分數。優選地，化學成分為：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，均為重量百分數。優選地，化學成分為：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，均為重量百分數。進一步地，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爐中加熱，加熱溫度為820-900℃，保溫時間為1-2小時，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；當踏面冷卻至600-650℃區間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為3-8℃/s，連續冷卻至400℃以下后進行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護爐中進行回火處理，回火溫度為500-520℃，保溫時間為1-2小時，回火后空冷到室溫。優選地，高強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方法制造，采用轉爐或電爐冶煉，爐外精煉后連鑄或模鑄，鑄坯經開坯后進行車輪鍛軋，加熱溫度為1250-1300℃，鍛軋后空冷，熱處理時采用踏面淬火熱處理裝備。優選地，將車輪裝入真空爐或氣氛保護爐中加熱，加熱溫度為820-845℃，保溫時間為1.5-2小時，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；當踏面冷卻至600-620℃區間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為3-5℃/s，連續冷卻至380℃以下后進行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護爐中進行回火處理，回火溫度為500-505℃，保溫時間為1.5-2小時，回火后空冷到室溫。優選地，將車輪裝入真空爐或氣氛保護爐中加熱，加熱溫度為850-890℃，保溫時間為1-1.5小時，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；當踏面冷卻至625-650℃區間后，再采用噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為6-8℃/s，連續冷卻至400℃以下后進行空冷至室溫，然后在真空爐或氣氛保護爐中進行回火處理，回火溫度為510-520℃，保溫時間為1-1.5小時，回火后空冷到室溫。優選地，熱處理后輪輞進行標準拉伸試驗位置的組織為全片層珠光體組織，珠光體團尺寸2-6μm，珠光體片層間距0.05-0.09μm。優選地，本發明所涉及的高強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生產方法制造。本發明各元素的作用及配比依據如下：碳：C是關系車輪鋼強韌性、耐磨性等的主要元素。隨著含C量的提高，強度提高，耐磨性提高，韌性和抗熱損傷性能降低。但是，重載車輪最關鍵的指標是高耐磨性，因此本發明鋼的碳含量采用高C成分設計以保證高強度、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上為過共析鋼，很容易出現網狀滲碳體。如何采用新穎的成分設計以及熱處理方法、避免網狀滲碳體是本發明要解決的主要問題之一。硅：鋼中脫氧元素之一，具有顯著的固溶強化和細化珠光體片層間距的作用，從而能顯著提高車輪鋼的強度和硬度；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的馬氏體層厚度。本發明鋼的Si含量控制在0.80～1.00wt.％。鉻：Cr顯著提高鋼的淬透性，顯著細化珠光體的片層間距，提高車輪鋼的強度和硬度；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。本發明鋼的Cr含量控制在0.40～0.80wt.％，突破了車輪鋼相關標準的Cr含量成分上限。錳：鋼中的脫氧元素之一，具有固溶強化和細化珠光體片層間距的作用，提高車輪鋼的強度和硬度。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：中高碳鋼中進行Nb微合金化，大部分的Nb將在高溫奧氏體相區以NbC形式析出，起細化奧氏體晶粒的作用，從而細化珠光體塊、團尺寸。高溫奧氏體化時固溶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冷卻過程中的高溫相變曲線向右上方移動。本發明利用微量Nb提高共析碳含量的特點，與高C設計、較高的Si、Cr合金化匹配，可以獲得高強度高韌性匹配的細晶細片層珠光體型車輪鋼，無網狀滲碳體。本發明鋼的Nb含量控制為0.01～0.03wt.％，過高的Nb含量會導致NbC析出溫度升高從而粗化，不利于對奧氏體晶粒的細化。過低的Nb含量也不利于細化奧氏體晶粒。釩：中高碳鋼中的微合金V在高溫奧氏體化時部分析出以外，還有相當部分以固溶形式存在，在后續的相變過程中細化珠光體片層間距，并以相間析出的形式析出，具有沉淀強化作用，提高抗接觸疲勞性能。高溫析出的VC也具有一定的沉淀強化效果，但其主要作用是細化奧氏體晶粒，從而細化珠光體塊、團尺寸，獲得高強度高韌性匹配。本發明鋼V含量控制在0.02～0.60wt.％，主要發揮VC的沉淀強化作用，并與Nb復合，增強細晶作用。但過高的V含量會導致VC析出溫度過高、析出量過多、粒子尺寸粗大，從不利于細化奧氏體晶粒和保證珠光體組織的C含量，對車輪鋼的強度、耐磨性等不利。過低的V，以上作用都不明顯。鋁：鋁是強脫氧元素，還可與N結合形成AlN，能夠起到細化晶粒作用。本發明鋼中的鋁含量控制在0.010～0.025wt.％。磷和硫：鋼中雜質元素，顯著降低塑韌性，其含量控制在0.015wt.％以內。本發明的優點在于：采用新型的高C含量、Nb、V復合微合金化、較高Si、Cr合金設計，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。本發明車輪成品具有比傳統車輪更細的珠光體片層間距和更小的珠光體團尺寸，強韌塑性優異匹配，具有高耐磨性、良好的抗接觸疲勞和冷熱疲勞等服役性能。附圖說明下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1為實施例1#熱處理后組織的OM照片。圖2為實施例1#熱處理后組織的SEM照片。具體實施方式下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明中很小的一部分，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明鋼均由轉爐冶煉，其中1#～3#為實施例，對比例為常規高碳車輪鋼，化學成分如表1所示。實施例與對比例經冶煉、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。回火處理時的回火溫度520℃，保溫時間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分別為實施例1#熱處理后輪輞組織的OM和SEM照片，實施例輪輞進行標準拉伸試驗位置處較對比例具有更細的珠光體片層間距和更小的珠光體團尺寸(見表2)，其中珠光體團尺寸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，其中實施例1#～3#鋼均獲得輪輞抗拉強度1200MPa以上、輻板室溫沖擊功20J以上的良好綜合力學性能，強韌性都優于低Cr無Nb、V添加的對比例。表1化學成分(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尺寸和片層間距以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3