专利名称：一种高速铁路车辆车轮用钢的制作方法
技术领域：
本发属于高速铁路用钢技术领域，特别是一种高速铁路车辆车轮用钢。
背景技术：
高速铁路的规划和建设是关系到我国国民经济长远发展的重大基础工程。作为高速轮轨铁路发展的核心技术之一，高速列车车轮用钢的研究工作已成为目前十分紧迫的任务。与磁悬浮技术相比，发展高速轮轨铁路技术的难点和重点是如何保证在高速运行条件下轮轨的使用安全和使用寿命。国际上通常把运行速度超过200km/h的列车称为高速列车。研究结果表明，运行速度超过120km/h后，列车的动力学条件发生显著变化，车轮的使用条件也发生显著变化。 车轮在列车运行中起承载、传递动力以及制动等作用。随着列车运行速度的提高，车轮与钢轨之间的磨损加剧，并且在高速列车的制动过程中，产生大量的摩擦热，加剧了车轮和钢轨因疲劳、剥离等引发的失效问题，给高速列车的安全运行带来极大的隐患，甚至发生安全事故，同时增加了铁路检修成本。1998年德国高速列车出轨，造成100多人死亡的惨重事故， 其起因就是车轮的疲劳断裂。因此各国为适应列车高速运行的需求，纷纷研制和生产新的高速列车车轮和钢轨用材料。从各国早些时候的标准来看，用于生产车轮的材料主要是中高碳钢，以Si、Mn为主要强化元素。在性能方面，美国由于主要是货车车轮，所以要求并不严格，只对硬度有要求，而我国和前苏联的标准对性能的要求相对比较严格。日本和欧洲的法、德等国代表着当今高速铁路技术的最高水平，高速车轮的轮形都具有轻量化的特点，但在车轮材料的选用上存在较大的差异。日本高速车轮材料为高碳碳素钢，欧洲高速车轮材料为中碳非合金化钢。从强度看，STY80-2R与R7为二种不同强度等级的钢。国外研究者曾测定了这二种车轮的断裂韧性，STY80-2R&KK((TC) < 50MPa · m1/2，而 R7 室温的 Kic ^ 75MPa · m1/2，_60°C -20°C 的 Kic 稳定在 60MPa · m1/2 以上。这些数据表明，R7的抗脆断能力显著高于STY80-2R。由此可见，日本高速车轮采用高强度技术路线，欧洲采用高韧性技术路线。从ISO标准和日欧的标准演变来看，车轮材料的发展趋势是由原先的中高碳钢向低碳微合金化的方向发展，强度和硬度比原先的材料略有降低，但韧性提高，并且随着炼钢工艺和技术的改善，材料的洁净度也有所提高，各种研究表明，新材料对车轮的抗损伤性能
有一定的提高。日本早期的车轮(包括新干线)所用材料STY80为含碳0. 60 0. 75%的高碳钢，为提高车轮在高速运行时的抗裂损性能，日本的工作者开发了降碳加V钢，称之为V2钢 (SVTY75-2R)，成分见表2。将碳的含量由原来的约0. 65%降到了 0.55%，加入了 0. 18 0.21%的V。此种钢的冲击，称之为V2钢(SVTY75-2R)，成分见表2。将碳的含量由原来的约0. 65%降到了 0. 55%，加入了 0. 18 0. 21%的V。此种钢的冲击特性和断裂韧性值显著提高，抗裂损性能比STY80钢要高。
为了与ISO标准接轨，日本于1998年修改了以前的整体轧制车轮的JIS标准。 在该标准中，对材料性能的修改较少，但对材料的成分方面有了较大的改动，碳含量从 0. 46% 0. 77%分阶段规定了 6个钢种，从这一变化可以看出日本在车轮材料使用上的改变，即降低碳的含量进行微合金化，在略微降低材料的强度和硬度的情况下，提高材料的韧性，从而提高材料的抗裂损性能。欧洲很早就提出了采用低碳微合金化材料作为车轮用钢，碳的含量以中低碳为主，其中ER7和ER8称为1类钢，主要用于时速200km的车轮，尤其是ER7钢，是被广为使用的钢种。为提高车轮的抗剥离性能，我国也参考了 ER7钢(如R7T)生产了用于200km/h列车的车轮，其抗剥离性能要比用CL60钢好。1998年，法国Valdimes公司研制出了一种新的钢种，含碳量比以上钢种更低，其下限值只有0. 42%，强度极限约为886Mpa，而R8T的强度极限范围为860 980Mpa，两者相差不多；但新钢种的冲击功为MJ，比R8T的15J要大的多。其研究结果表明，含碳0. 42% 的钢可以使车轮的寿命延长三倍。但由于种种原因，这种钢还只是停留在试验阶段，没有被正式使用。但是，车轮材料的断裂韧性作为评价安全运行的极其重要的技术指标之一，为了最大限度的保证高速列车的运行安全，不管采用何种技术思路，都应将材料的韧性尤其是断裂韧性水平作为重要的考核性能来评判。断裂韧性作为铁路车辆整体车轮安全性设计的关键性指标，得到了广泛的研究。20世纪60年代以来，发现杂质元素含量的增加严重影响铁路车辆整体车轮的断裂韧性，使断裂韧性显著降低，传统铁路车辆整体车轮钢生产过程中通常严格控制0、S、P等杂质元素的含量，在现代冶炼条件下，S含量甚至被降低到IOppm 以下。而随着高速列车运营时速突破300km，对车轮运行的安全性特别是断裂韧性提出了更高的要求。随着对非金属夹杂物与基体相互作用的深入研究，发现S元素适量提高在一定程度上能提高车轮钢的断裂韧性进而延缓疲劳裂纹的扩展。考虑到断裂韧性同样是表征材料阻止裂纹扩展的性能之一，S元素对断裂韧性带来的有益作用也受到越来越多的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路车辆车轮用钢，使用该钢材制造的高速铁路车辆的车轮具有良好的断裂韧性。本发明车轮用钢化学成分质量百分数为C:0.45% -0. 70%, Si 0. 1% -0. 5%, Mn 0. 6 % -0. 9 %, Cr 0. 01 % -0. 3 %, P 0. 002 % -0. 03 %, Al 0. 005 % -0. 04 %, 0 0. 0005% -0. 003%, Ca :0. 0005% -0. 004%，余量为Fe ；其特征在于，该车轮用钢还包括以质量计的S 0. 006% -0. 015%，并且在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。本发明优选，C含量为0. 55 % -0.68 % ;Si含量为0. 2 % -0.4% ；Mn含量为0. 7 % -0. 8 % ;Cr 含量为0. 01 % -0. 2 % ;P 含量为0. 005 % -0. 02 % ;A1 含量为 0. 005% -0. 04% ；0 含量为0. 0005% -0. 002% ；Ca 含量为0. 0005% -0. 003%。本发明还提供了一种高速铁路车辆的车轮，通过锻造和轧制钢材料制得，使用上述钢材料制得。优选，所述高速铁路车辆为时速200km以上的动车组列车。使用本发明所述的钢材料制造高速铁路车辆车轮，能显著改善车轮的断裂韧性， 4进而延缓疲劳裂纹的萌生和扩展，提高车轮运行的安全性。
图1 本发明实施例1的显微组织。
图2:对比例1的显微组织。
图3:本发明实施例2的显微组织。
图4 对比例2的显微组织。
图5:实施例1的夹杂物(MnS+Al203复合夹杂物)。
图6 实施例1的夹杂物(MnS)。
图7:对比例1的夹杂物(Al2O3)。
图8 对比例1的夹杂物(Al203+Ca0复合夹杂物)。
图9 实施例1和对比例1的冲击性能对比。
图10实施例2和对比例2的冲击性能对比。
图11本发明实施例1的断裂韧性试样的宏观断口
图12对比例1的断裂韧性试样的宏观断口。
具体实施例方式实施例1 以质量百分数记的化学成分为:C:0. 55%,Si :0. 29%,Mn :0. 72%,Cr 0. 18%,P 0. 007%, S 0. 006%, Al :0. 022%, 0 :0. 0010%, Ca :0. 0005%，余量为 Fe ；在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。使用上述钢材料制得铁路车辆的车轮。对比例1 一种钢材料，以质量记包括=C :0. 55%, Si :0. 27%, Mn :0. 72%, Cr 0. 16%, P 0. 006%, S 0. 001%, Al 0. 032%, 0 :0. 0010%, Ca :0. 0005%，余量为 Fe ；所述钢材料在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。使用上述钢材料制得高速铁路车辆的车轮。实施例2 一种钢材料，以质量记包括:C :0. 66%, Si :0. 29 %, Mn :0. 82 %, Cr 0. 09 %, P 0. 015%, S 0. 015%, Al :0. 038%, 0 :0. 0006%, Ca :0. 00 %，余量为 Fe ；所述钢材料在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。使用上述钢材料制得高速铁路车辆的车轮。对比例2:一种钢材料，以质量记包括=C :0. 68%, Si :0. 38%, Mn :0. 71 %, Cr 0. 04%, P 0. 012%, S 0. 001%, Al 0. 020%, 0 :0. 0012%, Ca :0. 0027%，余量为 Fe ；所述钢材料在冶
炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。使用上述钢材料制得高速铁路车辆的车轮。实施例1和对比例1的成分基本相同，显著的不同是实施例1的S含量稍高于对比例1 ；实施例2和对比例2的成分基本相同，显著的不同是实施例2的S含量稍高于对比例2。四种钢材料在冶炼过程中均对夹杂物进行了 Ca改性处理，车轮成形及热处理工艺相同。方法如下车轮钢材料的冶炼和连铸要求生产的车轮具有高洁净度和高均勻度，T
< 15ppm、[H] <2.0ppm、[N] < 70ppm、[S]、[P] < 0· 015%、B 类夹杂 < 1 级，无明显的宏
5观偏析。在精选和烘烤原料的基础上强化精炼工艺技术，开发有效的脱氧技术、真空处理技术和高效保护浇注技术，防止浇注过程中增氢、增氮和二次氧化。优化二冷系统的连铸工艺技术，形成高均勻度连铸技术。车轮的锻造和轧制结合高速车轮材料的高温力学行为和组织演变规律，优化车轮辗压过程热成形的工艺控制，实现车轮压轧态下的组织细化和均勻化，为车轮的最终热处理提供良好的组织准备。车轮的热处理(踏面淬火和回火)高速铁路的服役工况决定了车轮材料必须要求具有较高的强度和韧性，尤其是抗热损伤和抗断裂性能。车轮的热处理是获得良好综合性能的最终关键环节，通过合理的热处理可获得满足需求的组织状态和力学性能。同时，热处理制度还应考虑在车轮踏面形成一定的压应力，以满足车轮踏面抗疲劳性能的需要。按照高速车轮产品欧洲标准EN1M62 :2004取得力学测试、组织观察以及断裂韧性试样。断裂韧性试样尺寸依据GB/T 4161-2007，本试验采用紧凑拉伸(CT)试样，厚度为30mm，缺口为山形。拉伸试样尺寸为Φ10ΧΜ16，测试室温拉伸性能。冲击试样尺寸为 10 X 10 X 55，V形及U形缺口，测试系列温度冲击功。组织观察试样经机械磨抛后采用3 % 硝酸酒精腐蚀。并对试样采用扫描电镜(SEM)进行非金属夹杂物观察及能谱分析，以确定夹杂物的种类。组织观察对实施例1、2和对比例1、2在踏面下35mm处取样，观察四种车轮钢的金相组织。两种试验钢经踏面淬火+回火后的组织均为珠光体+少量铁素体或极少量铁素体组织，如图1-4所示。从图中可以看出，实施例1和对比例1的显微组织基本相同，实施例2和对比例2的显微组织基本相同。非金属夹杂物对四种钢中存在的非金属夹杂物进行分析，结果如图5-8所示。结果显示，实施例1的夹杂物主要有两种，一种是以Al2O3或Al203+Ca0等其它氧化物为核心形成的MnS+氧化物的复合夹杂物，另一种为单独的MnS夹杂物，实施例2的夹杂物情况和实施例1类似，存在单独的MnS夹杂物或MnS包覆氧化物的复合夹杂物。对比例1和对比例 2均存在两种氧化物夹杂，一种为纯Al2O3夹杂物，呈现棱角状，其尖角处易产生较大的应力集中，见图7。另一种为复合氧化物夹杂物，其特点为经Ca处理后发生球化，形成Al203+Ca0 的复合夹杂物，见图8。强度性能实施例1和对比例1的化学成分中C、Si、Mn、Cr等主要强化元素处于同一水平，经过相同制造工艺，拉伸性能基本相同，实施例2和对比例2的化学成分中C、Si、 Mn等主要强化元素处于同一水平，经过相同制造工艺，拉伸性能基本相同，结果见表1。可见实施例1和对比例1车轮钢的拉伸性能没有明显差异，实施例2和对比例2车轮钢的拉伸性能没有明显差异。表1试验车轮的拉伸性能
权利要求
1.一种高速铁路车辆车轮用钢，车轮用钢化学成分质量百分数为c :0. 45% -0. 70%, Si :0. 1 % -0. 5 %, Mn :0. 6 % -0. 9 %, Cr :0. 01 % -0. 3 %, P :0. 002 % -0. 03 %, Al 0. 005% -0. 04%, 0 0. 0005% -0. 003%, Ca :0. 0005% -0. 004%，余量为 Fe ；其特征在于， 该车轮用钢还包括以质量计的S :0. 006% -0. 015%，并且在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。
2.根据权利要求1所述的用于制造高速铁路车辆车轮的钢材料，其特征在于，所述的C 含量为0. 55% -0. 68%o
3.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，，其特征在于，所述的Si含量为 0. 2% -0. 4%。
4.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，，其特征在于，所述的Mn含量为 0. 7% -0. 8%。
5.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，，其特征在于，所述的Cr含量为 0. 01% -0. 2%。
6.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，，其特征在于，所述的P含量为 0. 005% -0. 02%。
7.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，其特征在于，所述的Al含量为 0. 005% -0. 04%。
8.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，，其特征在于，所述的0含量为 0. 0005% -0. 002% O
9.根据权利要求1所述的高速铁路车辆车轮用钢，其特征在于，所述的Ca含量为 0. 0005% -0. 003%。
全文摘要
一种高速铁路车辆车轮用钢，车轮用钢化学成分质量百分数为C0.45％-0.70％，Si0.1％-0.5％，Mn0.6％-0.9％，Cr0.01％-0.3％，P0.002％-0.03％，Al0.005％-0.04％，O0.0005％-0.003％，Ca0.0005％-0.004％，余量为Fe；该车轮用钢还包括以质量计的S0.006％-0.015％，并且在冶炼过程中对夹杂物进行Ca改性处理。优点在于，该车轮用钢具有良好的断裂韧性。
文档编号C22C38/18GK102277531SQ20111023216
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者张永权, 李丽, 杨才福, 潘涛, 苏航, 马跃 申请人:钢铁研究总院