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制備方法。
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，是保證車輛安全運行的核心部件之一。然而，隨著近幾年中國軌道交通行業的迅猛發展，特別是隨著我國軌道交通客運高速化以及貨運重載化，車輪服役環境惡化，各種隱患問題凸顯并日趨嚴重。車輪的磨損、疲勞都會導致車輪材料的失效，帶來極大的安全隱患。目前廣泛使用的重載車輪大多數為中高碳碳素鋼，Mn、Si、Cr含量都較低。正在研發或初步應用的重載車輪已經開始采用高Si設計。本發明發展了一種鋁合金化超高碳車輪用鋼，輔以Nb或Nb-V微合金化，采用一定的熱處理工藝方法，獲得超高強度和良好的韌性，可以滿足重載車輪使用。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種超高強度鋁合金化超高碳車輪用鋼及其熱處理方法。在化學成分上，采用超高C、高Al、Nb或Nb-V微合金化的成分設計，并結合一定的熱處理工藝方法，獲得超細片層珠光體組織，具有超高強度和良好的韌性和延伸率等綜合力學性能，能滿足于高速列車使用。本發明的技術方案如下：一種超高強度鋁合金化超高碳車輪用鋼，化學成分C：0.90～1.20wt.％、Si：0.20～0.40wt.％、Mn：0.30～0.80wt.％、Al：3～5wt.％、Nb：0.01～0.03wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質，均為重量百分數。優選地，化學成分C：0.90～0.98wt.％、Si：0.20～0.31wt.％、Mn：0.30～0.55wt.％、Al：3～4.2wt.％、Nb：0.01～0.02wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質，均為重量百分數。優選地，化學成分C：1.00～1.20wt.％、Si：0.34～0.40wt.％、Mn：0.66～0.80wt.％、Al：4.35～5wt.％、Nb：0.025～0.03wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量為Fe和不可避免的雜質，均為重量百分數。進一步地，提供一種制造上述高強度鋁合金化超高碳車輪用鋼的熱處理方法，制備車輪，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，所述制備車輪包括以下步驟，超高強度鋁合金化超高碳車輪用鋼采用真空感應冶煉，然后模鑄，鑄坯開坯后進行車輪鍛軋，加熱溫度為1250-1300℃，鍛軋后空冷。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820-850℃，保溫時間為1.5-2小時，出爐后采用踏面噴霧冷卻的方式，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860-900℃，保溫時間為1-1.5小時，出爐后采用踏面噴霧冷卻的方式，控制踏面冷卻速度為3-5℃/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2-5μm，珠光體片層間距0.04-0.08μm。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超高C成分設計以保證高強度、高硬度，碳含量定為0.90～1.20wt.％。在此碳含量范圍下的碳素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、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，本發明鋼的硅含量控制在0.20～0.40wt.％，也具有一定的固溶強化效果。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。本發明鋼的錳含量范圍為0.30～0.80wt.％。鋁：顯著提高共析碳含量和共析溫度，減小珠光體片層間距，提高珠光體組織的穩定性，抑制高碳鋼中網狀滲碳體的形成；添加鋁還能使鋼的重量減輕。本發明鋼中的鋁含量控制在3.0～5.0wt.％，輔以Nb微合金化，可以有效的配合0.90-1.20wt.％超高碳設計，避免網狀滲碳體的形成，獲得細晶、超細片層珠光體組織。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，與超高C設計、Al合金化匹配，可以獲得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，進一步提高強度。本發明鋼V含量控制在0.00～0.60wt.％，主要發揮VC的沉淀強化作用，并與Nb復合，增強細晶作用。磷和硫：鋼中雜質元素，對鋼的塑韌性及疲勞性能不利，其含量控制在0.015wt.％以內。本發明的優點在于：采用了超高碳、Al合金化、Nb或Nb-V微合金化的成分設計，超高碳含量保證車輪用鋼具有超高強度和高耐磨性，鋁合金化抑制網狀滲碳體的形成，使之獲得超細珠光體組織，同時使鋼的重量有所減輕；結合Nb或Nb-V微合金化，通過MC相細化奧氏體晶粒以及沉淀強化作用，進一步改善強韌性，從而使車輪鋼獲得超高強度和良好的韌性。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，都屬于本發明本發明實施例1#-3#鋼化學成分如表1所示。經真空感應爐冶煉、模鑄、鍛軋后，在真空爐中加熱至860℃，保溫2h，隨后在踏面淬火熱處理裝備上采用噴霧冷卻方式進行連續冷卻使踏面達到350℃，然后空冷至室溫。回火處理的保溫溫度520℃，保溫時間2h，回火后空冷至室溫。熱處理后獲得超細片層珠光體組織，圖1和圖2分別為實施例1#熱處理后組織的OM和SEM照片，實施例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2-5μm，珠光體片層間距0.04-0.08μm。表2中列出了熱處理后輪輞的室溫拉伸性能和輻板的20℃沖擊性能，可以看出實施例1#～3#鋼的輪輞室溫屈服強度達1000MPa級、抗拉強度達1400MPa級、斷后伸長率達10％以上，輻板20℃沖擊功達10J以上的綜合力學性能。表1化學成分(wt.％)編號CSiMnSPNbVAl1#0.950.320.7800090.0080.0180.0524.022#1.060.310.440.010.0140.0210.0223.113#1.190.210.380.0080.0110.025-4.86表2輪輞室溫拉伸性能和輻板20℃沖擊性能編號Rm/MPaRp0.2/MPaA/％20℃KU2/J1#1428103510.8142#1436104610.4143#1450104910.312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