一种中碳高硬度重载车轮钢及其热处理方法及重载车轮的制备方法与流程

本发明属于铁路货车车轮的制造领域，具体涉及一种中碳高硬度重载车轮钢及其热处理方法及重载车轮的制备方法。

背景技术：

车轮是铁路交通运输车辆的关键零部件，具有承载、牵引、导向、制动等作用，其质量好坏直接影响列车运行的安全性和稳定性。增加货车轴重可以提高车辆载重，改善货车运能，但众所周知：轴重增加势必使轮轨间的相互作用力增大，恶化车轮使用环境，增加车轮磨耗。

重载运输在以货运为主的澳大利亚非常普遍，其铁路重载列车的轴重已普遍提高，运输效率明显提高，随之而来的对车轮耐磨性、抗接触疲劳强度的要求也明显提高。北美AAR M-107标准中B级钢车轮(即AAR-B)要求：C含量0.57％-0.67％，其表面硬度302-341HBW，已无法满足目前使用要求。

强硬度指标是衡量车轮性能最基础指标，其大小直接影响车轮抗接触疲劳性、耐磨性，因此，提高车轮的强硬度指标可明显提高车轮的使用寿命。传统方法是增加C元素含量以提高车轮强硬度指标，但会对车轮塑性、韧性带来损害，对车轮使用安全性不利，因此越来越多的客户提出：采用中碳的B级钢成分达到高碳C级钢(C含量：0.67-0.77％)的强硬度要求，在确保车轮安全性的同时，进一步提高车轮的耐磨性、抗接触疲劳性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种中碳高硬度重载车轮钢及其热处理方法及重载车轮的制备方法。提供了一种有别于常规AAR-B的AAR-BM中碳高硬度车轮钢，并发明了与之相应的热处理制度，使得新材质BM车轮在成分设计符合AAR-B要求的前提下(C≤0.67％)，强硬度要求大幅度提高，其表面硬度由302-341HBW提高至321-363HBW，断面硬度梯度由285-341HB提高到321-363HB，达到北美AAR标准体系中的AAR-C材质(C：0.67-0.77％)的强硬度要求，使得新材质AAR-BM车轮的综合力学性能明显优于目前常规AAR-B车轮，从而提高车轮硬度及耐磨性，延长车轮服役寿命，具有非常明显的经济效益和社会效益。

本发明提供的一种中碳高硬度重载车轮钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.60-0.67％、Si 0.80-0.95％、Mn 0.75-0.90％、Cr 0.25-0.35％、V 0.05-0.10％、P≤0.015％、S≤0.021％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

进一步地，优选为包括以下重量百分比的化学成分：C 0.63-0.65％、Si 0.87-0.93％、Mn 0.84-0.89％、Cr 0.26-0.32％、V 0.06-0.08％、P≤0.010％、S≤0.021％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

更进一步地，优选为包括以下重量百分比的化学成分：C 0.64％、Si 0.0.93％、Mn 0.89％、Cr 0.28％、V 0.07％、P 0.010％、S 0.018％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

更进一步地，优选为包括以下重量百分比的化学成分：C 0.65％、Si 0.0.90％、Mn 0.87％、Cr 0.28％、V 0.06％、P 0.008％、S 0.021％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

上述中碳高硬度重载车轮钢的成分中，在中碳材料基础上，为获得高的强硬度性能，实施了Cr、V等微合金化，并重点对Si、Cr、V含量进行了设计，具体如下：

C是车轮钢中最基本和最重要的元素，对其强、硬度贡献最大，增碳可明显提高车轮的强硬度指标，但对车轮塑性、韧性带来损害。AAR M-107标准规定B级钢的碳含量范围0.57-0.67％，因此本发明将C的范围确定为0.60-0.67％。

Si是车轮钢中重要强化元素，当Si含量达到0.80％时，材料强度大幅度提高，还提高其淬透性和耐磨性；Si含量的增加还可提高车轮钢的Ac1、Ac3相变温度，有利于车轮的抗热损伤性能，因此本发明将Si的范围确定为0.80-0.95％。

Mn是车轮钢中重要的强化元素，能够有效提高车轮钢强硬度，从而提高车轮的耐磨性能，另增加Mn含量还具有提高车轮钢淬透性的作用，但也增加了钢的过热敏感性和回火脆性倾向，故Mn含量控制在0.75-0.90％。

Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高车轮强硬度性能，而且能增加钢的淬透性和高温机械性能；但是从Cr元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体-珠光体组织易于获得，Cr含量应该控制在：0.25-0.35％。

V是强碳氮化物形成元素，主要以固溶和V(CN)析出两种形式存在，随V含量增多，珠光体平均转变温度降低，CCT曲线向右下方移动，片层细化，珠光体组织的强度和硬度升高，本发明将V的范围确定为0.05-0.10％。

P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。

本发明提供的所述中碳高硬度重载车轮钢的热处理方法，包括轮辋淬火和回火工艺。

进一步地，所述轮辋淬火工艺中，车轮随炉升温至860-930℃保温2.5-4.0小时后，轮辋踏面喷水冷却至500℃以下；所述轮辋淬火水温保持在10-28℃。

所述回火工艺中，回火的条件为450-500℃回火处理4.0-6.0小时。

本发明提供的一种重载车轮的制备方法，采用上述的中碳高硬度重载车轮钢按照以下工序制备得到：电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭轧制工序、热处理工序、加工、成品检测工序。

进一步地，所述热处理工序中，采用上述述的热处理方法进行热处理。

本发明在C含量0.57-0.67％的范围内，在保证显微组织仍为细珠光体+少量铁素体的前提下，通过Cr、V等微合金化设计及相应的热处理方法，使其车轮塑性、韧性不变情况下，明显提高车轮强硬度指标，以保证车轮的高耐磨性，从而有效提高货车车轮的使用寿命。

本发明制备的AAR-BM车轮与常规AAR-B相比，可在符合B级钢成分、塑性韧性指标不降低的前提下，硬度、强度大幅度提高，其轮辋踏面下40mm处硬度在332HBW以上，外侧面硬度在345HBW以上，达到了AAR-C车轮硬度要求。

附图说明

图1为实施例1轮辋组织；

图2为实施例2轮辋组织；

图3为对比例1轮辋组织。

具体实施方式

下面结合附图1-3、表1-3及实施例1-2对本发明做详细的说明。

实施例1-2中的车轮钢的化学成分质量分数如表1所示，实施例1-2均采用电炉冶炼，经LF炉外钢包精炼、RH精炼真空脱气后，使用圆坯连铸机连铸成的圆坯钢锭，经圆盘冷锯切锭、钢坯加热、锻压+轧制、热处理、精加工后形成直径为915mm的重载车轮。

实施例1

一种中碳高硬度重载车轮钢，其化学成分及重量百分比如表1中实施例1所示。

一种重载车轮的制备方法，将化学成分如表1实施例1的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭工序、压轧工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。

所述的热处理工序为：首先将车轮随炉升温至860℃保温4.0小时后，然后使用12℃冷却水轮辋喷水冷却使轮辋内部金属加速冷却到500℃以下，最后在450℃回火处理6.0小时。

实施例2

一种中碳高硬度重载车轮钢，其化学成分及重量百分比如表1中实施例2所示。

一种重载车轮的制备方法，将化学成分如表1实施例2的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭工序、压轧工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。

所述的热处理工序为：首先将车轮随炉升温至882℃保温3.5小时后，然后使用10-28℃冷却水轮辋喷水冷却使轮辋内部金属加速冷却到500℃以下，最后在470℃回火处理5.5小时。

实施例3

一种中碳高硬度重载车轮钢，其化学成分及重量百分比如表1中实施例3所示。

一种重载车轮的制备方法，将化学成分如表1实施例3的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭工序、压轧工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。

所述的热处理工序为：首先将车轮随炉升温至895℃保温3.0小时后，然后使用10-28℃冷却水轮辋喷水冷却使轮辋内部金属加速冷却到500℃以下，最后在485℃回火处理5.0小时。

实施例4

一种中碳高硬度重载车轮钢，其化学成分及重量百分比如表1中实施例4所示。

一种重载车轮的制备方法，将化学成分如表1实施例4的钢水经过电炉炼钢工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序、圆坯连铸工序、切锭工序、压轧工序、热处理工序、加工、成品检测工序而形成。

所述的热处理工序为：首先将车轮随炉升温至930℃保温2.5小时后，然后使用10-28℃冷却水轮辋喷水冷却使轮辋内部金属加速冷却到500℃以下，最后在500℃回火处理4.0小时。

对比例

其他同实施例1，只是其中车轮钢的成分如表1中对比例所示。

上述各实施例和对比例的车轮轮辋的进行组织如图1、2、3所示，本实施例1-4制备的车轮轮辋金相组织与AAR-B钢(对比例)车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。实施例和对比例车轮机械性能如表1、表2和表3所示，可以看出实施例1-4已达到AAR-C车轮硬度要求。

由此可见，实施例1-4具有与AAR-B钢(对比例)车轮相比，在保持中碳、细珠光体+少量铁素体、韧塑性不降低的前提下，强度、硬度大幅提高，发明取得了预期效果。

表1实施例1、实施例2及对比例的车轮钢所采用化学成分(质量百分比％)

表2实施例1、实施例2及对比例的车轮钢制造的车轮拉伸、冲击性能

表3实施例1、实施例2及对比例的车轮钢制造的车轮硬度性能

上述参照实施例对一种中碳高硬度重载车轮钢及其热处理方法及重载车轮的制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。