一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法

摘要

本发明涉及一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C0.50-0.60％、Si0.80-1.20％、Mn0.90-1.10％、Cr0.15-0.35％、Als0.010-0.030％、P≤0.015％、S≤0.015％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。制造方法包括如下步骤：电炉冶炼工序--切锭轧制工序--热处理工序。本发明制备的车轮在轮辋韧性基本保持不变的前提下，强硬度显著增加，有效提高了车轮的耐磨性能，减小车轮在使用过程中剥离、磨耗发生的几率。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度。

权利要求

1.一种中碳低合金地铁用车轮钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.57%、Si 

1.10%、Mn 1.00%、Cr 0.25%、Als 0.023%、P 0.01%、S 0.01%、其余为Fe和不可避免的杂质元素；

所述中碳低合金地铁用车轮钢采用如下方法制造，包括如下步骤：电炉冶炼工序--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--成品检验工序；

所述的热处理工序包括：

加热至845℃保温2.0小时；

轮辋喷水冷却；

在510℃回火处理5.0小时；

轮辋喷水冷却时冷却到550℃以下。

说明书

一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及冶金工业生产领域，具体涉及一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法，尤其涉及高硬度要求地铁用车轮及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着我国城市化进程的不断加速，地铁作为便捷、环保的交通工具在全国各大城市得到快速发展。但随着载客量和运输速度的提高，地铁用普通ER8、ER9车轮在使用过程中因强硬度偏低，存在踏面剥离、磨耗严重等问题，这不仅会增加车辆检修频率和维护成本，同时影响乘坐舒适度，甚者影响到行车安全性。可见，要提高地铁用车轮的使用性能，应在不降低其韧性指标以确保车轮使用安全性的基础上，提高车轮强硬度指标，改善车轮使用性能。传统的方法采用增加C元素含量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。

[0003] 提高车轮强硬度指标的同时，必须确保其塑性、韧性指标，首先要从成分设计上加以改进，同时在后期热处理过程中匹配相应的工艺确保车轮获得较好的强韧性匹配关系，以此来提高车轮的耐磨性、抗接触疲劳性、安全性等综合使用性能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种中碳低合金地铁用车轮钢及其制造方法，车轮钢中C元素参照EN13236标准中ER8、ER9车轮制定，通过微合金化，在不影响车轮韧性基础上，显著提高车轮强度、硬度性能，获得了更良好的综合性能，从而有效增强车轮的耐磨性能和抗接触疲劳性能，提高车轮的使用安全性。具体技术方案如下：

[0005] 一种中碳低合金地铁用车轮钢，其化学成分重量百分比为：C0.50-0.60％、Si0.80-1.20％、Mn0.90-1.10％、Cr0.15-0.35％、Als0.010-0.030％、P≤0.015％、S≤0.015％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

[0006] 进一步地，其化学成分重量百分比为：C0.57％、Si1.10％、Mn1.00％、Cr0.25％、Als0.023％、P0.01％、S0.01％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

[0007] 进一步地，其化学成分重量百分比为：C0.52％、Si0.88％、Mn0.91％、Cr0.18％、Als0.013％、P0.01％、S0.012％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。

[0008] 上述的中碳低合金地铁用车轮钢的制造方法包括如下步骤：电炉冶炼工序--切锭轧制工序--热处理工序。

[0009] 进一步地，电炉冶炼工序与切锭轧制工序之间还包括如下步骤：LF炉精炼工序--RH真空处理工序--圆坯连铸工序。

[0010] 进一步地，热处理工序后还包括如下步骤：加工--成品检测工序。

[0011] 进一步地，所述的热处理工序包括：

[0012] 加热至840-860℃保温2.0-2.5小时；

[0013] 轮辋喷水冷却；

[0014] 在500-520℃回火处理4.0-5.0小时。

[0015] 进一步地，轮辋喷水冷却时冷却到550℃以下。

[0016] 与目前现有技术相比，本发明制备的车轮在轮辋韧性基本保持不变的前提下，强硬度显著增加，有效提高了车轮的耐磨性能，减小车轮在使用过程中剥离、磨耗发生的几率。同时，本发明制成的车轮能够保持原有车轮的铁素体-珠光体组织状态，不增大车轮制备的难度。

附图说明

[0017] 图1(a)为实施例1车轮轮辋金相组织为珠光体+少量铁素体；

[0018] 图1(b)为实施例2车轮轮辋金相组织为珠光体+少量铁素体；

[0019] 图2(a)为ER8车轮硬度；

[0020] 图2(b)为实施例1的车轮硬度；

[0021] 图2(c)为实施例2的车轮硬度；

[0022] 图3为不同屈服强度车轮安定图(较ER8、ER9车轮，实施例中车轮屈服强度接近于弹性安定区，可减小接触应力和踏面表面区域金属塑性变形，减缓车轮踏面剥离、裂纹的出现。)

具体实施方式

[0023] 下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

[0024] 一种中碳低合金地铁用车轮合金化设计方法，其化学成分重量百分比为：C0.50-0.60％、Si0.80-1.20％、Mn0.90-1.10％、Cr0.15-0.35％、Als0.010-0.030％、P≤0.015％、S≤0.015％、其余为Fe和不可避免的杂质元素。还提供中碳低合金地铁用车轮的制备方法，包括电炉冶炼工序、切锭轧制工序、热处理工序，进一步地：所述的热处理工序为：加热至
840-860℃保温2.0-2.5小时，轮辋喷水冷却(冷却到550℃以下)，然后在500-520℃回火处理4.5-5.0小时。

[0025] 下面具体说明本发明技术方案的内容：

[0026] 目前为止，国内外地铁用车轮主要是EN13262标准中ER8、ER9材质，其组织为铁素体-珠光体，同时车轮轮辋韧性有明确要求，以确保车轮使用安全性。因此，本发明的车轮用钢应确保车轮为铁素体-珠光体组织状态，并且轮辋韧性指标不低于ER8、ER9材质。

[0027] EN13262标准中的ER8、ER9材质车轮C含量上限分别是0.56wt％、0.60wt％，考虑到C含量提高会降低韧性指标，本发明对车轮C控制要求在0.50-0.60wt％，可保证在铁素体+珠光体组织的同时不损害韧性指标。

[0028] 从合金元素对性能的影响规律看，为获得高的强度硬度性能采用微合金化。因此，本发明重点对车轮钢中的Si、Mn、Cr、Als含量进行了设计。

[0029] 提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料抗热损伤性能，但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此本发明将Si的范围确定为0.80-1.20wt％之间。

[0030] Mn是本发明中重要的强化元素，能够有效提高车轮强度硬度性能，从而提高车轮的耐磨性能，但过高Mn对车轮的综合机械性能和加工性能有不良影响，故Mn含量控制在0.90-1.10wt％之间。

[0031] Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高工件强硬度性能，从而提高工件的耐磨性能，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0.15-0.35wt％。

[0032] Als可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，故Als含量控制在0.010-0.030wt％之间。

[0033] P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015wt％。

[0034] 为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明所要解决的另一个问题是提供了采用上述车轮钢制备车轮的方法，包括电炉炼钢工序、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：所述的热处理工序为：加热至840-860℃保温2.0-2.5小时，轮辋喷水冷却(冷却到550℃以下)，然后在500-520℃回火处理4.0-5.0小时。

[0035] 结合附图1-3及实施例1-2对本发明做详细的说明。

[0036] 实施例1-2中的车轮钢的化学成分重量百分比如表1所示，实施例1-2均采用电炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成φ380mm的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理、精加工后形成直径为860mm的地铁车轮。

[0037] 实施例1：

[0038] 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、切锭轧制工序、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：加热至845℃保温2小时，轮辋喷水冷却(冷却到550℃以下)，然后在510℃回火处理5小时。

[0039] 如图1所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮轮辋机械性能如表2及图2所示，轮辋韧性较ER8、ER9车轮基本保持不变，强度和硬度较ER8、ER9车轮明显提高。

[0040] 同时，车辆系统动力学模型试验表明，随车轮材料屈服强度的提高(550N/mm2至700N/mm2范围内)，车轮有向弹性安定区移动的趋势，从而改变轮轨接触状态，减小接触应力和踏面表面区域金属塑性变形，减缓车轮踏面剥离、裂纹的出现。

[0041] 将实例1材质车轮、ER8车轮、ER9车轮加工成磨耗试验试样，并分别与钢轨试样进行磨耗试验。试验参数分别为：钢轨试样转速200rpm，车轮试样转速180rpm，转动滑差率10％；试验触应力为1000N/mm2，试验时间为20h，钢轨试样循环次数为2.4×105。实例1车轮磨耗面质量优于ER8、ER9车轮。

[0042] 实施例2：

[0043] 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、切锭轧制工序、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：加热至850℃保温2.5小时，轮辋喷水冷却(冷却到550℃以下)，再在515℃回火处理4.5小时。

[0044] 如图1所示，本实施例制备的车轮轮辋金相组织为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮机械性能如表2及图2所示，轮辋韧性较ER8、ER9车轮基本保持不变，强度和硬度较ER8、ER9车轮明显提高。

[0045] 同时，车辆系统动力学模型试验表明，随车轮材料屈服强度的提高(550N/mm2至700N/mm2范围内)，车轮有向弹性安定区移动的趋势，从而改变轮轨接触状态，减小接触应力和踏面表面区域金属塑性变形，减缓车轮踏面剥离、裂纹的出现。

[0046] 将实例2材质车轮、ER8车轮、ER9车轮加工成磨耗试验试样，并分别与钢轨试样进行磨耗试验。试验参数分别为：钢轨试样转速200rpm，车轮试样转速180rpm，转动滑差率10％；试验触应力为1000N/mm2，试验时间为20h，钢轨试样循环次数为2.4×105。实例2车轮磨耗面质量优于ER8、ER9车轮。

[0047] 表1 实施例1-2及地铁用ER8、ER9车轮的化学成分(wt％)

[0048]实施实例 C Si Mn P S Cr Als
实施例1 0.57 1.10 1.00 0.010 0.010 0.25 0.023
实施例2 0.52 0.88 0.91 0.010 0.012 0.18 0.013
ER8车轮 0.53 0.27 0.74 0.008 0.001 0.20 0.040
ER9车轮 0.56 0.27 0.72 0.007 0.002 0.24 0.035

[0049] 表2 实施例1-2和地铁用ER8、ER9车轮轮辋机械性能

[0050]

[0051] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。