一种高速列车用贝氏体车轮钢及制备方法

摘要

本发明涉及高速铁路机车车轮用钢技术领域，公开了一种高速列车用贝氏体车轮钢，成分按重量百分比为：C：0.36‑0.48％，Mn：0.68‑1.0％，Si：0.25‑0.50％，Cr：0.8‑1.5％，Y：0.02‑0.08％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，其余为Fe及不可避免元素；贝氏体车轮钢组织为片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物；还公开了一种上述车轮钢的制备方法。本发明的有益效果为：独特合金化设计和热处理工艺的含钇车轮钢在具有高强度和硬度基础上，显著提高抗滚动接触疲劳性能，大大降低高铁车轮踏面剥落现象，确保高速列车车轮具有良好的使用安全性能，延长车轮服役寿命。

权利要求

1.一种高速列车用贝氏体车轮钢，其特征在于，所述贝氏体车轮钢的成分按重量百分比为：C：0.36-0.48％，Mn：0.68-1.0％，Si：0.25-0.50％，Cr：0.8-1.5％，Y：0.02-0.08％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，其余为Fe及不可避免元素；所述贝氏体车轮钢组织为：片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物。

2.如权利要求1所述的高速列车用贝氏体车轮钢，其特征在于，所述C含量为：0.38-

0.46％，所述Cr含量为：0.9-1.3％。

3.如权利要求1所述的高速列车用贝氏体车轮钢，其特征在于，所述Y含量为：0.03-

0.06％。

4.一种如权利要求1-3任一项所述高速列车用贝氏体车轮钢的制备方法，其特征在于，制备方法为按成分要求采用真空感应熔炼，按照常规工艺锻造轧制成车轮并缓冷处理；热处理工序为：车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-2.5h后出炉空冷至温，再将车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-2.5h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-20℃/s的冷速冷却至

200℃后空冷至室温，然后将雾冷的车轮钢放入500-520℃炉中，保温2-3h后，出炉空冷至室温。

说明书

一种高速列车用贝氏体车轮钢及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高速铁路机车车轮用钢技术领域，特别涉及一种高速列车用贝氏体车轮钢及制备方法。

背景技术

[0002] 车轮在列车运行过程中，起着承载、传递动力以及制动等作用。车轮的磨损、疲劳及机械损伤，直接影响其使用寿命和行车安全。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。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。高速客运专线运营速度为250-350km/h，需要车轮以高的强度来适应承载重量，以高韧性来保证车轮运行的可靠性，以高的耐磨性来延长其使用寿命。

[0003] 现在高速列车车轮用钢主要是碳含量为0.52-0.75％的中高碳低合金钢，金相组织为铁素体-珠光体组织。如欧洲高速车轮钢R7的碳含量为0.52％，铬含量为0.30％，系铁素体-珠光体钢，主要以Si、Mn为强化元素。该车轮钢的主要损伤为踏面剥离，甚至发生1998年德国高速车轮断裂的重大交通事故；日本高铁包括新干线列车的车轮钢为高碳碳素钢，代表牌号为SSW，碳含量为0.60-0.75％，系铁素体-珠光体钢，采用加V强化的措施。日本研究者为提高车轮在高速运行时的抗裂损性能，采取降低碳含量微合金化，提高材料的韧性，从而提高材料的抗热损性能。为了优化钢的强度和韧性，世界各国都在积极开发车轮钢的成分优化和热处理工艺研究。

[0004] 虽然可以通过降低碳含量微合金化可以提高材料韧性，但珠光体组织的车轮钢塑韧性偏低，车轮在高速、复杂的运行条件下，车轮踏面受到各向复杂接触应力的作用，在踏面部位易产生斜裂纹、剥离、疲劳等缺陷，危及列车的行车安全。而贝氏体钢具有强韧性匹配更优、综合性能更高，基于贝氏体钢的特性，其冲击韧性远高于现有珠光体类产品。

[0005] CN103993237A专利介绍了一种耐磨损的贝氏体道岔轨及其生产方法：该贝氏体道岔轨表层至心部30mm范围内有薄片状的贝氏体铁素体和弥散分布的点状或棒状碳化物，所述碳化物的长度为0.05-0.5um，具有良好的强韧性和耐磨性。CN1510155专利公开了一种抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺，组织为板条铁素体和残余奥氏体，其力学性能良好，但抗滚动接触疲劳性能低，耐磨损性能不高。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种高速列车用贝氏体车轮钢及热处理方法，通过成分设计和热处理工艺优化，得到一种抗疲劳、耐磨损的高铁车轮用钢。

[0007] 本发明一种高速列车用贝氏体车轮钢，所述贝氏体车轮钢的成分按重量百分比为：C：0.36-0.48％，Mn：0.68-1.0％，Si：0.25-0.50％，Cr：0.8-1.5％，Y：0.02-0.08％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，其余为Fe及不可避免元素。

[0008] 进一步的，所述Ｃ含量为：0.38-0.46％，所述Cr含量为：0.9-1.3％。

[0009] 进一步的，所述Y含量为：0.03-0.06％。

[0010] 进一步的，所述贝氏体车轮钢组织为：片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物。

[0011] 一种上述高速列车用贝氏体车轮钢的制备方法，制备方法为按成分要求采用真空感应熔炼，按照常规工艺锻造轧制成车轮并缓冷处理；热处理工序为：车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-2.5h后出炉空冷至温，再将车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-
2.5h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-20℃/s的冷速冷却至200℃后空冷至室温，然后将雾冷的车轮钢放入500-520℃炉中，保温2-3h后，出炉空冷至室温。

[0012] 本发明的有益效果为：解决了高速列车车轮用钢抗滚动接触疲劳性能低，耐磨损性能不高的问题；独特合金化设计和热处理工艺的含钇车轮钢在具有高强度和硬度基础上，显著提高其抗滚动接触疲劳性能，大大降低高铁车轮踏面剥落现象，确保高速列车车轮具有良好的使用安全性能，延长在高速服役条件下的车轮服役寿命。

附图说明

[0013] 图1所示为本发明实施例1的高速列车用贝氏体车轮钢在光镜下的显微组织。

[0014] 图2所示为本发明实施例1的高速列车用贝氏体车轮钢在扫描电镜下的显微组织。

[0015] 图3所示为本发明实施例2的高速列车用贝氏体车轮钢的末端淬透性曲线。

[0016] 图4所示为本发明实施例3的高速列车用贝氏体车轮钢的晶粒大小图像。

具体实施方式

[0017] 下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

[0018] 本发明实施例一种高速列车用贝氏体车轮钢，所述贝氏体车轮钢的成分按重量百分比为：C：0.36-0.48％，Mn：0.68-1.0％，Si：0.25-0.50％，Cr：0.8-1.5％，Y：0.02-0.08％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，其余为Fe及不可避免元素。

[0019] 优选的，所述Ｃ含量为：0.38-0.46％，所述Cr含量为：0.9-1.3％。

[0020] 优选的，所述Y含量为：0.03-0.06％。

[0021] 优选的，所述贝氏体车轮钢组织为：片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物，提高铁道车辆车轮的强韧性、接触疲劳性能和耐磨性，大大减少车轮踏面剥落现象，提高车辆运行安全性。

[0022] 一种上述高速列车用贝氏体车轮钢的制备方法，制备方法为按成分要求采用真空感应熔炼，按照常规工艺锻造轧制成车轮并缓冷处理；热处理工序为：车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-2.5h后出炉空冷至温，再将车轮钢随炉升温至840-860℃，保温1.5-
2.5h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-20℃/s的冷速冷却至200℃后空冷至室温，然后将雾冷的车轮钢放入500-520℃炉中，保温2-3h后，出炉空冷至室温。

[0023] 本发明所提及的高速列车用贝氏体车轮钢按照上述合金元素和含量冶炼而成，组织为片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物。根据抗热损伤性能与钢的马氏体相转变开始温度的关系，贝氏体车轮钢的抗疲劳性能和抗热损伤性能都比较好。稀土钇在钢中的作用主要包括净化钢液、变质夹杂物和微合金化，稀土处理能脱氧、脱硫、改变夹杂物的形态、提高车轮钢的抗裂纹萌生与扩展的能力。本发明所提的铁道车辆车轮用的贝氏体钢具有很高的强韧性、接触疲劳性能和耐磨性，贝氏体钢制成的高铁车轮大大减少车轮踏面剥落现象，延长服役寿命提高车辆运行安全性。

[0024] 以下说明本发明中所述车轮钢各主要化学元素限制在上述范围的原因。

[0025] C：碳是保证钢的淬透性，提高钢的强度、硬度以及耐磨性最重要的元素，同时高速车轮钢的组织要在满足强度要求的基础上尽可能提高车轮钢的韧性，提高抗裂纹扩展能力及抗滚动接触疲劳性能，碳含量过高会造成强度指标过高而塑韧性较低。因此，本发明设计C的成分范围为0.36-0.48％；

[0026] Mn：具有较强的固溶强化效果，可降低钢的相变温度，提高钢的淬透性，并能细化晶粒，从而提高车轮钢的耐磨性能。研究表明其含量保持1.0％以下可以使钢的强度和硬度提高，而钢的韧性没有明显的下降。为保障较好的强韧性配比，本发明设计Mn的成分范围为0.68-1.0％。

[0027] Si：是固溶强化效果显著的合金元素，其固溶强化效果高于Mn，同时还使车轮钢受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善钢的抗热损伤性能，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含量保持0.25-0.50％％左右，可以使车轮钢具有较高的抗热损伤性能。

[0028] Cr：为中等碳化物形成元素，可提高钢的淬透性。同时，铬能均匀化钢中碳化物的分布，减小碳化物尺寸，从而改善车轮钢的耐磨损性能。铬能融入铁素体中，产生固溶强化的效果，提高铁素体的强度，减缓疲劳裂纹的萌生与传播。铬含量较高时，钢中易出现大量马氏体。因此，本发明设计Cr的成分范围为0.8-1.5％。

[0029] Y：在钢中有一定的固溶量，能够抑制磷硫以及低熔点杂质在晶界偏析，净化和强化晶界，细化晶粒，改变渗碳体的组成和结构，使碳化物球化、细化和均匀分布，并对夹杂物起到变质作用，但过量的钇会增加钢中的夹杂恶化性能。因此，本发明设计Y的成分范围为0.02-0.08％。

[0030] P和S：杂质元素，其含量应该控制在不超过0.02％。

[0031] 通过上述方法得到的高速列车用贝氏体车轮钢具有良好的强韧性和抗滚动接触疲劳性能，从而延长高速铁路车轮的服役寿命。

[0032] 实施例1

[0033] 本实施例的高速列车用贝氏体车轮钢，其化学成分重量百分比优选为：C车轮钢的成分为：C：0.38％，Mn：0.68％，Si：0.50％，Cr：1.3％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，Y：0.06％，其余为Fe及不可避免元素。按照上述组分和配比进行真空冶炼炉冶炼并铸成φ
160mm的圆坯，经切锭、加热锻造轧制、热处理后制成外径为65mm的圆棒。对圆棒进行热处理，具体热处理工艺随炉升温至860℃，保温1.5h后出炉空冷至温，再将车轮随炉升温至860℃，保温1.5h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-15℃/s的冷速冷却至200℃后空冷至室温，然后将雾冷的车轮放入520℃炉中，保温3h后，出炉空冷至室温，得到片状的贝氏体铁素体和所述贝氏体铁素体上析出的棒状碳化物，如图1与2所示。

[0034] 把圆棒截断为20mm长度后，加工成滚动疲劳实验片其直径为60mm、厚度20mm、接触宽度5mm，在MJP-20滚动接触疲劳试验机和依据YB/T 5345-2006对疲劳试验片进行滚动接触疲劳试验。对磨试样材料为U71Mn（TB/T 3276-2011），其直径60mm厚度为20mm。滚动疲劳试验的具体条件为赫兹应力：2000MPa、滑差率：1.65％、车轮转动速度为2000rpm、对磨钢轨片转速为1835rpm，油润滑。实验以纵向振动加速度监视疲劳是否发生，即检测到加速度为0.5G的转数作为滚动疲劳寿命。每50万转停机观察试样表面磨损情况。实验结果表明，700万转后，车轮接触表面无明显损伤，振动加速度没有超过0.5G，磨损量小于0.1mg。沿横切面切开观察显微组织变化，次表层组织无明显变化与裂纹，没有明显的沿牵引力方向的塑性流变，说明这种高速列车用贝氏体车轮钢具有较高的强度，有较高的抗滚动接触疲劳裂纹萌生与传播的性能，有较高的抗滚动接触疲劳性能与耐磨损性能。

[0035] 实施例2

[0036] 本实施例的高速列车用贝氏体车轮钢，其化学成分重量百分比优选为：C车轮钢的成分为：C：0.46％，Mn：1.0％，Si：0.35％，Cr：0.9％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，Y：0.03％，其余为Fe及不可避免元素。按照上述组分和配比进行真空冶炼炉冶炼并铸成φ160mm的圆坯，经切锭、加热锻造轧制、热处理后制成外径为65mm的圆棒。对圆棒进行热处理，具体热处理工艺随炉升温至840℃，保温2.5h后出炉空冷至温，再将车轮随炉升温至840℃，保温2.5h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-20℃/s的冷速冷却至200℃后空冷至室温，然后将雾冷后的车轮放入500℃炉中，保温2h后，出炉空冷至室温。

[0037] .将上述65mm直径的圆棒截取100mm，依据TB/T 225-2006进行顶端淬火实验，制取的标准试样在840℃的炉中保温50min，随后从炉中取出放于淬火架上，喷水管内径为12.5mm，水柱自由高度为65mm,水温为20-30℃。样品冷却至室温后沿长度方向磨一平面磨削深度为0.4mm，从末端每隔一定距离测量一个硬度值（HRC）。其淬透性曲线如图3所示。其半马氏体区距淬火端距离为24mm，硬度值随距淬火端的距离增大无突然下降，说明这种高速列车用贝氏体车轮钢具有较好的淬透性，使其在热处理操作中易得到均匀分布的贝氏体组织。本实施例中高速列车用贝氏体车轮钢的末端淬透性曲线如图3所示。

[0038] 实施例3

[0039] 本实施例的高速列车用贝氏体车轮钢，其化学成分重量百分比优选为：C车轮钢的成分为：C：0.40％，Mn：0.68％，Si：0.23％，Cr：0.1.1％，P：＜0.020％，S：＜0.020％，Y：0.05％，其余为Fe及不可避免元素。按照上述组分和配比进行真空冶炼炉冶炼并铸成φ
160mm的圆坯，经切锭、加热锻造轧制、热处理后制成外径为65mm的圆棒。对圆棒进行热处理，具体热处理工艺随炉升温至840℃，保温2h后出炉空冷至温，再将车轮随炉升温至840℃，保温2h，出炉后喷雾冷却，使车轮以10-20℃/s的冷速冷却至200℃后空冷至室温，然后将雾冷后的车轮放入500℃炉中，保温2h后，出炉空冷至室温。

[0040] 将上述65mm直径的圆棒截取10x10x20mm的试样做表面氧化法实验，确定钢的晶粒度大小。将上述试样纵向表面经磨削、抛光后放入840℃炉中保温20min，经轻微抛光即可观察到晶粒大小如图4所示，晶粒度7级，优于TB/T2817-1997铁道车辆用辗钢整体车轮技术条件，以及250公里时速动车组用辗钢整体车轮试制技术条件草案对晶粒度6级的要求。本实施例中高速列车用贝氏体车轮钢的晶粒大小图像如图4所示。

[0041] 本发明的有益效果为：解决了高速列车车轮用钢抗滚动接触疲劳性能低，耐磨损性能不高的问题；独特合金化设计和热处理工艺的含钇车轮钢在具有高强度和硬度基础上，显著提高其抗滚动接触疲劳性能，大大降低高铁车轮踏面剥落现象，确保高速列车车轮具有良好的使用安全性能，延长在高速服役条件下的车轮服役寿命。

[0042] 本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。