CN114058965B

CN114058965B - 一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法

Info

Publication number: CN114058965B
Application number: CN202111441525.5A
Authority: CN
Inventors: 国新春; 陈刚; 邓荣杰; 陈威; 宁珅; 华磊; 杨晓东; 刘海波
Original assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Baowu Group Masteel Rail Transit Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114058965A

Abstract

本发明公开了一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法，所述车轮包括以下重量百分比的化学成分：C 0.38‑0.45％、Ni 0.15‑0.25％、Mn 0.50‑1.2％、Cr 0.80‑1.20、Si 0.15‑0.40％、P≤0.040％、S≤0.040％，其余为Fe和不可避免的残余元素，且1.5％≤Mn+Cr≤2.0％；采用电炉炼钢→LF炉精炼→RH真空处理→圆坯连铸→切锭轧制→车轮坯锻造→热处理→车轮加工→踏面感应淬火→检测→包装的工艺进行生产，生产得到的车轮具有优良的综合力学性能，具有良好的强硬度和韧性匹配，及良好的耐磨损性及抗接触疲劳性能。

Description

一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法

技术领域

本发明属于车轮钢技术领域，具体涉及一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法。

背景技术

车轮承受机车车辆的全部重量，是铁道车辆关键零部件之一。重载化和轻量化是高速列车重点发展方向，车轮作为单体最重的关键运动部件，提高疲劳性能是车轮技术研发永恒的主题。

现有的车轮热处理技术通常是淬前加热、水淬火、回火，但这种常规的热处理工艺很难对车轮的强硬度及抗疲劳性能再有所提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产方法，所述高抗接触疲劳微合金钢车轮具有良好的强硬度和韧性匹配。

本发明采取的技术方案如下：

一种高抗接触疲劳微合金钢车轮，所述车轮包括以下重量百分比的化学成分：C0.38-0.45％、Ni 0.15-0.25％、Mn 0.50-1.2％、Cr 0.80-1.20、Si 0.15-0.40％、P≤0.040％、S≤0.040％，其余为Fe和不可避免的残余元素，且1.5％≤Mn+Cr≤2.0％。

所述车轮的金相组织为无碳化物贝氏体。

所述高抗接触疲劳微合金钢车轮的屈服强度810-860MPa，抗拉强度1146-1300MPa，踏面下20mm硬度360-400HB，疲劳强度超过1100MPa。

本发明还提供了所述高抗接触疲劳微合金钢车轮的生产方法，包括以下步骤：电炉炼钢→LF炉精炼→RH真空处理→圆坯连铸→切锭轧制→车轮坯锻造→热处理→车轮加工→踏面感应淬火→检测→包装。

所述热处理步骤中，采用淬火+回火的方式进行热处理。

所述热处理步骤中，车轮坯经850-870℃加热2-3h后进行淬火处理，使轮辋内部金属以1.5-2.5℃/s的速度冷却至490-510℃，然后在470-490℃回火4.0-5.0h。

优选为：车轮坯经860℃加热2.5h后进行淬火处理，使轮辋内部金属以2℃/s的速度冷却至500℃，然后在480℃回火4.5h。

所述踏面感应淬火步骤中，车轮处于感应加热器线圈的正中位置；加热感应器与喷水圈沿车轮进行匀速轴向移动，淬火速度300～400mm/min；淬火机床带动车轮以60～100r/min自转以保证车轮加热和冷却均匀；淬火及喷水从下向上进行，水压0.30～0.40MPa，喷水时间与加热时间保持一致；表面感应淬火后进行300～350℃低温回火。

所述喷水时间与加热时间均为20～30s。

感应淬火设备选用郑州星川高频淬火设备，电流频率为450～2500Hz。感应淬火设备的电流频率f与淬硬层深度d的关系可用100000/d²<f<250000/d²进行选择，f、d单位分别为Hz、mm；电流频率f与淬硬层深度d的关系优选为120000/d²<f<220000/d²，经本发明中的表面感应淬火工艺处理后的车轮的淬硬层深度10～15mm。

本发明提供的高抗接触疲劳微合金钢车轮中，各化学元素的作用及控制如下：

C含量：钢中基础元素，有强烈的间隙固溶硬化和析出强化作用，随着碳含量的增加，钢的强度增加，韧性下降；碳在奥氏体中的溶解度要比在铁素体中大得多，而且是一种有效的奥氏体稳定元素，影响最终金相组织中残余奥氏体含量与残余奥氏体中碳含量；钢中碳化物的体积分数与碳含量成正比。C含量高于0.45％时，会导致渗碳体的析出，降低钢的韧性，C含量低于0.38％时，铁素体的过饱和度降低，钢的强度下降，因此碳含量合理范围以0.38-0.45％。

Ni含量：Ni能提高钢的强度及韧性，是获得高韧性和低温韧性必不可少的合金元素，并降低冲击韧性转变温度，进一步提高轨道交通用车轮的安全性。Ni含量低于0.15％，效果不明显，Ni含量高于0.25％，钢的强韧性贡献率将会出现较大幅度下降，且增加生产成本，因此Ni含量应控制在0.15-0.25％。

Mn含量：钢中主要合金化元素，Mn具有提高钢中奥氏体稳定性、增加钢的淬透性等作用，明显提高车轮钢淬透性及强度；Mn能提高磷的扩散系数，促进磷向晶界的偏聚，增加钢的脆性和回火脆性；Mn含量低于0.50％时，钢的淬透性差，Mn含量高于1.2％，钢的淬透性显著增加，也会大幅提高P的扩散倾向，降低钢的韧性，因此Mn含量应控制在0.50-1.2％。

Cr含量：Cr是钢中强碳化物形成元素，适量的Cr能提高淬透性和钢的强度，并且能提高钢的耐蚀性能。Cr含量低于0.80％时，对应低C钢，无法有效发挥其作用，Cr含量高于1.20％，淬透性强，对钢的韧性有不利影响，钢的成本也大幅增加，因此Cr含量应控制在0.80-1.20％。

Si含量：钢中基本合金元素，常用的脱氧剂，其原子半径小于铁原子半径，对奥氏体和铁素体有强烈的固溶强化作用，使奥氏体的切变强度提高；但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此Si含量0.15-0.40％。

P含量：P在中高碳钢中，容易在晶界偏聚，从而弱化晶界，降低钢的强度和韧性。作为有害元素，钢中P含量越低越好，但增加生产制造成本。当钢中添加Mo、W等晶界偏聚元素时，增加晶界内聚力，减少P的有害影响，因此，当P≤0.040％时，不会对性能造成不利影响。

S含量：S通常是钢中有害元素，且容易与其它元素形成夹杂物，降低钢的强度和韧性。当钢中Mn/S达到一定比例时，形成塑性、球状MnS夹杂物，减少脆性夹杂物的有害作用。作为有害元素，当S≤0.040％时，不会对性能造成不利影响。

本发明利用Ni、Cr作为合金化主要元素，稳定提高碳在铁素体中的活度，推迟和抑制碳化物析出，实现多元复合强化，容易实现无碳化物贝氏体组织结构。利用Mn元素具有优良的奥氏体稳定化作用，增加钢的淬透性，提高钢的强度。通过合适的成型工艺，特别是热处理工艺，采用表面感应淬火工艺，提高车轮的综合力学性能，经表面感应淬火处理后，实现车轮高强度和高韧性的配合、以及高的低温韧性，达到改善车轮服役使用性能的目的。

附图说明

图1为实施例1中的车轮的表面显微组织图；

图2为对比例1中的车轮的表面显微组织图；

图3为实施例1中的车轮的接触疲劳试样的表面形貌图；

图4为对比例1中的车轮的接触疲劳试样的表面形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

各实施例及对比例中的高抗接触疲劳微合金钢车轮用钢的化学成分重量百分比见表1。

采用电炉炼钢→LF炉精炼→RH真空处理→圆坯连铸→切锭轧制→车轮坯锻造→热处理→车轮加工→踏面感应淬火→检测→包装工艺生产高抗接触疲劳微合金钢车轮用钢。

锻造后成为直径为860mm的车轮，各实施例及对比例的热处理工艺见表2，各实施例和对比例的表面感应淬火工艺见表3。

各实施例及对比例生产得到的车轮的力学性能检验结果见表4。

实施例1与对比例中的车轮的表面显微组织分别如图1、2所示，接触疲劳试样表面形貌分别如图3、4所示。

在MMS-2A型微机控制试验机上参照YB/T 5345-2006标准《金属材料滚动接触疲劳试验方法》进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，试验过程中主试样为本发明各实施例或对比例制备的车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑，在相同的试验条件下，实施例和对比例中的车轮的磨损性能对比见表5，接触疲劳性能见表6。

表1各实施例及对比例中的车轮的化学成分(单位：wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
								实施例1	0.38	0.31	1.2	0.008	0.002	0.8	0.21
实施例2	0.42	0.16	0.6	0.008	0.002	1.1	0.15
								实施例3	0.38	0.38	0.9	0.008	0.002	1.0	0.25
对比例1	0.38	0.31	1.2	0.008	0.002	0.8	0.21
								对比例2	0.35	0.45	0.75	0.008	0.002	0.28	0.30
对比例3	0.38	0.31	1.2	0.008	0.002	0.8	0.21

表2各实施例及对比例的热处理工艺

表3各实施例及对比例的表面感应淬火工艺

表4各实施例及对比例中的车轮的屈服强度、表面硬度和低温冲击对比

性能指标	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	踏面下20mm硬度/HB	轮辋V槽口-20℃冲击/J
					实施例1	813	1146	365	45
实施例2	857	1273	391	60
					实施例3	825	1178	377	53
对比例1	553	941	258	69
					对比例2	735	1047	322	41
对比例3	883	1308	402	23

表5各实施例及对比例中的车轮的磨损性能对比

表6各实施例及对比例中的车轮的接触疲劳性能对比

从上述各表可见，本发明的方法生产的高抗接触疲劳微合金钢车轮的屈服强度810-860MPa，抗拉强度1146-1300MPa，踏面下20mm硬度360-400HB，实现了车轮高强度和高韧性的配合，各实施例中的车轮的综合性能均优于各对比例，且具有良好的耐磨损性及抗接触疲劳性能。

上述参照实施例对一种高抗接触疲劳微合金钢车轮及其生产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。

Claims

1.一种高抗接触疲劳微合金钢车轮，其特征在于，所述车轮包括以下重量百分比的化学成分：C 0.38-0.45%、Ni 0.15-0.25%、Mn 0.50-1.2%、Cr 0.80-1.20%、Si 0.15-0.40%、P≤0.040%、S≤0.040%，其余为Fe和不可避免的残余元素，且1.5%≤Mn＋Cr≤2.0%；

所述高抗接触疲劳微合金钢车轮的生产方法，包括以下步骤：电炉炼钢→LF炉精炼→RH真空处理→圆坯连铸→切锭轧制→车轮坯锻造→热处理→车轮加工→踏面感应淬火→检测→包装；

所述热处理步骤中，车轮坯经850-870℃加热2-3h后进行淬火处理，使轮辋内部金属以1.5-2.5℃/s的速度冷却至490-510℃，然后在470-490℃回火4.0-5.0h；

所述踏面感应淬火步骤中，车轮处于感应加热器线圈的正中位置；加热感应器与喷水圈沿车轮进行匀速轴向移动，淬火速度300~400mm/min；淬火机床带动车轮以60~100r/min自转；淬火及喷水从下向上进行，水压0.30~0.40MPa，喷水时间与加热时间保持一致；表面感应淬火后进行300~350℃低温回火；

踏面感应淬火步骤中，喷水时间与加热时间均为20~30s；

感应淬火设备的电流频率为450~2500Hz；

所述车轮的金相组织为无碳化物贝氏体；

所述高抗接触疲劳微合金钢车轮的屈服强度810-860MPa，抗拉强度1146-1300MPa，踏面下20mm硬度360-400 HB，疲劳强度超过1100MPa。

2.如权利要求1所述的高抗接触疲劳微合金钢车轮的生产方法。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述高抗接触疲劳微合金钢车轮淬硬层深度为10~15mm。