一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產方法
【專利摘要】本發明提供一種大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪用鋼，其化學成分質量百分比為：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%。其熱處理工序為：將按照常規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。
【專利說明】一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發明屬鐵道車輛用輾鋼車輪制造領域，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方法。
【背景技術】
[0002]鐵路車輪具有載重、導向、傳遞牽引力和制動力的功能，工作條件十分惡劣，對行車安全具有重要影響。隨著我國鐵路運輸高速、重載化的發展，對鐵路車輪質量的要求不斷提高。因此對車輪鋼的生產制備方法要求越來越高。
[0003]我國現廣泛使用的使用的TB/T2708-1996鐵路快速客車輾鋼整體車輪技術條件和TB/T2817-1997鐵道車輛用輾鋼整體車輪技術條件，均對車輪制造過程(煉鋼、熱成型、熱處理)做出相關規定，特別對輪輞金相組織提出明確要求，車輪輞進行淬火與回火處理后，其組織應為細珠光體和少量鐵素體，實際晶粒度應優于6級。
[0004]由于車輪屬于熱成型工序多，變形復雜的產品，在鍛壓-軋制過程中各部位受力不同，金屬流動位移不同且冷卻速度不一，導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，中部組織較粗大，這種組織差異在隨后的熱處理過程中由于組織遺傳(即將粗晶有序組織加熱到高于Ac3可能導致形成的奧氏體晶粒與原始晶粒具有相同的形態、大小和取向，這種現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熱處理，目的是通過熱處理改善組織均勻性、提高其機械性能，采用常規熱處理的普通車輪均能滿足標準和使用性能要求。但對于外徑尺寸為1250mm的大尺寸車輪而言，熱成型過程中金屬流動位移較大，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、晶粒嚴重不均勻，常規熱處理工藝不能有效改善不良組織遺傳，消除軋制產生 的不均勻組織，從而導致外徑尺寸為1250_的大尺寸車輪力學性能一直不能穩定滿足相關技術條件要求，尤其是被日益重視的韌性要求。
[0006]在大尺寸車輪相關技術條件中對輪輞強度、硬度及斷裂韌性和低溫沖擊性均有明確要求，在保持較高強硬度的同時必須均被相當的韌性，但是對于碳素鋼來說，強度、硬度的提高勢必會降低韌性，對大尺寸機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較大、不能穩定滿足要求的問題，嚴重影響大尺寸車輪產品合格率及使用安全性能。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種大尺寸鐵路車輛用輾鋼整體車輪及其生產方法，本發明在保持車輪強度的基礎上，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定性，提高其使用安全性能。
[0008]為解決上述技術問題，本發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，其化學成分質量百分比為: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和不可避免的雜質元素。
[0009]本發明還提供大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪鋼的生產方法，包括冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序，其特征在于，所述熱處理工序為:將按照常規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]下面具體說明本發明技術方案的內容:
(I)化學成分設定
鐵素體-珠光體組織在硬度水平相當時，不僅具有最好的耐磨性，更具有一定的韌性，目前為止，國內外火車車輪用鋼均為該種組織，因此，本發明的車輪用鋼應具有鐵素體-珠光體組織狀態。
[0011]C是車輪鋼中最重要的合金元素，對車輪的材料特性起著關鍵影響，C對強、硬度貢獻最大，隨著碳含量的提高，在明顯改善強硬度的同時，會大幅降低車輪鋼的韌性，為兼顧強硬度與韌性，因此本發明將C的范圍定為0.46~0.55%之間。
[0012]從合金元素對性能的影響規律看，為獲得高的強度硬度性能和高的塑、韌性能，應實施復合微合金化。因此，本發明重點對車輪鋼中的S1、Mn、Cr、N1、Als含量進行了設計。
[0013]Si在車輪鋼中不僅能提高其強度，同時有助于提高材料抗熱損傷性能，但是Si含量的增加會提高材料的熱敏 感性和脆性，不利于提高韌性，因此本發明將Si的范圍確定為
0.20 ~0.37% 之間。
[0014]Mn是本發明中重要的強化元素，能夠有效提高車輪強度硬度性能，但過高Mn對車輪的綜合機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度，同時可以一定程度提高鋼的韌性，通過綜合考慮Ni性能貢獻與含量之間關系，Ni含量應控制在0.10~0.25%。
[0016]Cr是次要的固溶強化元素，能夠有效提高工件強硬度性能，但是從Cr元素對完全珠光體臨界冷卻速度的影響規律看，為使鐵素體-珠光體組織易于獲得，Cr含量應該控制在 0.24-0.32%。
[0017]Als可以通過細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元素，這兩個元素對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含量應控制在盡可能低的水平，故其含量控制在不超過 0.008%。
[0019](2)熱處理制度設定
本發明采用一種改善大尺寸鐵路車輪軋態組織均勻性的熱處理方法，對按照常規工藝軋制并緩冷處理后的車輪工件先進行正火預處理，細化并均勻化原始軋態組織，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 (相當于二次正火熱處理)，保證細晶粒組織不粗化的基礎上，進一步細化、均勻化原始組織，為熱處理后車輪獲得足夠的強硬度和韌性創造條件。淬火時采用較強的冷卻速度，以保證車輪具有較高韌性的同時，具有相當的硬度。
[0020]( 3 )具體技術方案內容
為了實現發明目的，本發明提供了用設定化學成分的車輪鋼制備外徑為1250mm大尺寸車輪的方法，包括轉爐煉鋼工序、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、成品檢測工序，其特征在于:所述的熱處理工序為:將按照常規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]本發明在現有技術的基礎上取得了顯著技術進步，解決了本領域長期未能解決的技術難題，充分體現了本發明的新穎性、創造性和實用性。本發明獲得了以下有益效果:采用本發明制備的外徑尺寸為1250mm的車輪在保持車輪強硬度的基礎上，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定性，并具有較高的使用安全性能。同時，本發明制成的外徑為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，不增大車輪制備的難度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1:實施例1、2、3輪輞邊部軋態組織圖 圖1中實際晶粒度3級。
[0023]圖2:實施例1、2、3輪輞中部軋態組織圖 圖2中實際晶粒度I級。
[0024]圖3:對比例輪輞組織圖 圖3中實際晶粒度8-6.5級，其中晶粒度為8級的區域占80-85%，晶粒度8級以下至
6.5級的區域占15-20%。
[0025]圖4:實施例1輪輞組織圖 圖4中實際晶粒度8.5級。
[0026]圖5:實施例2輪輞組織圖 圖5中實際晶粒度8.5級。
[0027]圖6:實施例3輪輞組織圖 圖6中實際晶粒度8.5級。
[0028]上述6個金相組織圖放大倍數為100。
【具體實施方式】
[0029]下面結合實施例對本發明做詳細的說明。
[0030]實施例1、2、3中的車輪鋼化學成分質量百分比如表1所示，實施例1、2、3均采用120噸氧頂底復吹轉爐冶煉經LF+VD精煉真空脫氣后直接連鑄成Φ 380mm的圓坯，經切錠、加熱軋制、熱處理后形成外徑為1250mm的大尺寸整體輾鋼車輪。所述的熱處理工序為:將按照常規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。實施例1、2、3車輪鋼化學成分見表1。
[0031]實施例1:
將化學成分如表1實施例1的鋼水經過轉爐煉鋼工序、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、成品檢測工序而形成。其中對比例按照常規熱處理進行，實施例1按照本發明提出的熱處理方案進行:將按照常規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，均為細珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態組織實際晶粒度3級，輪輞中部軋態組織實際晶粒度I級，輪輞不同部位的軋態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，按照常規熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級，即在同一塊試樣中晶粒度為8級的區域占80-85%，晶粒度8級以下至6.5級的區域占15-20%，這說明輪輞晶粒還不均勻。如圖4所示，按照本發明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8.5級，組織狀態趨于一致，組織均勻細小，與常規熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態組織的均勻性且使其顯著細化。由表2、3可以看出實施例1和對比例的力學性能大致相同，但_20°C沖擊功和KQ不同，_20°C沖擊功平均值高于對比例9.6J，KQ平均值高于對比例15.4MPa.m1/2。KQ單值如表3所示，實施例1的KQ單值差最大為21.2 MPa.m1/2，而對比例KQ單值差最大為則高達50.3 MPa.m1/2，這說明實施例1有效改善了大尺寸車輪軋態組織的均勻性，韌性水平顯著提高。
[0032]實施例2:
將化學成分如表1實施例2的鋼水經過轉爐煉鋼工序、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、成品檢測工序而形成。其中對比例按照常規熱處理進行，實施例2按照本發明提出的熱處理方案進行:將按照常規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，均為細珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態組織實際晶粒度3級，輪輞中部軋態組織實際晶粒度I級，輪輞不同部位的軋態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，按照常規熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級，即在同一塊試樣中晶粒度為8級的區域占80-85%，晶粒度8級以下至6.5級的區域占15-20%，這說明輪輞晶粒還不均勻。如圖5所示，按照本發明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8.5級，組織狀態趨于一致，組織均勻細小，與常規熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態組織的均勻性且使其顯著細化。由表2、3可以看出實施例2和對比例的力學性能大致相同，但_20°C沖擊功和KQ不同，_20°C沖擊功平均值高于對比例8.2J，KQ平均值高于對比例13.8MPa.m1/2.KQ單值如表3所示，實施例1的KQ單值差最大為20 MPa.m1/2，而對比例KQ單值差最大為則高達50.3 MPa.m1/2，這說明實施例2有效改善了大尺寸車輪軋態組織的均勻性，韌性水平顯著提高。[0033]實施例3:
將化學成分如表4實施例3的鋼水經過轉爐煉鋼工序、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、成品檢測工序而形成。其中對比例按照常規熱處理進行，實施例3按照本發明提出的熱處理方案進行:將按照常規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，均為細珠光體+少量鐵素體組織。如圖1、2所示，輪輞邊部軋態組織實際晶粒度3級，輪輞中部軋態組織實際晶粒度I級，輪輞不同部位的軋態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，按照常規熱處理的車輪輪輞組織晶粒度8-6.5級，即在同一塊試樣中晶粒度為8級的區域占80-85%，晶粒度8級以下至6.5級的區域占15-20%，這說明輪輞晶粒還不均勻。如圖6所示，按照本發明熱處理的車輪輪輞組織晶粒度
8.5級，組織狀態趨于一致，組織均勻細小，與常規熱處理的車輪相比，不僅明顯改善軋態組織的均勻性且使其顯著細化。由表2、3可以看出實施例3和對比例的力學性能大致相同，但-20°C沖擊功和KQ不同，-20°C沖擊功平均值高于對比例7.4J，KQ平均值高于對比例10.8MPa.m1/2。KQ單值如表3所示，實施例1的KQ單值差最大為22.4 MPa.m1/2，而對比例KQ單值差最大為則高達50.3 MPa.m1/2，這說明實施例3有效改善了大尺寸車輪軋態組織的均勻性，韌性水平顯著提高。
[0034]
表1實施例1、2、3及對比例車輪化學成分(質量百分數，wt-%)
【權利要求】
1.一種大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪用鋼，其特征在于，其化學成分質量百分比為: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和不可避免的雜質元素。
2.一種如權利要求1所述大尺寸鐵路用輾鋼整體車輪鋼的生產方法，包括冶煉工序、切錠軋制工序、熱處理工序，其特征在于，所述熱處理工序為:將按照常規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】C21D9/34GK103469091SQ201310368850
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】孫曼麗, 陳剛, 江波, 趙海, 鐘斌, 王世付, 程德利, 李翔, 張弘, 叢韜 申請人:馬鋼(集團)控股有限公司, 馬鞍山鋼鐵股份有限公司