一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮及其制造方法。其化学成分为：C 0.10‑0.40％、Ni 0.40‑2.10％、Cr 0.25‑1.50％、Mn 0.70‑2.10％、Si 0.20‑1.00％、W0.01～1.00％、Mo 0.05‑0.60％、Cu 0.01‑0.80％、V 0.01‑0.20％、Nb 0.001‑0.20％、B 0.0001‑0.0350％、RE 0.001‑0.040％、P≤0.020％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.0％≤Mn+Cr≤3.0％。本发明专利技术采用C‑Ni‑Mn‑Cr‑Mo新的合金设计体系和合金化原理，车轮成型后，经先进的热处理后轮辋获得无碳化物贝氏体组织结构，车轮具有优异的综合力学性能、耐腐蚀性能和服役性能，尤其是高的强度、硬度与韧性、高的抵抗轮轨滚动接触疲劳性能(RCF)与抵抗热裂纹等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮及其制造方法
本专利技术属于轨道交通
，涉及一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮及其制造方法，具体涉及一种轴重30吨至45吨重载货车、运行速度≤160km/h重载货车用无碳化物贝氏体钢车轮及其制造方法。
技术介绍
“高速、重载和低噪声”是世界轨道交通的主要发展方向，车轮是轨道交通的“鞋子”，是最重要行走部件之一，直接影响运行的安全。在列车正常运行过程中，车轮承受着车辆全部载重量，受到磨损和滚动接触疲劳(RollingContactFatigue，简称RCF)的损伤，同时，更重要的是它与钢轨、闸瓦、车轴，以及周围介质有着非常复杂的作用关系，处在动态的、交替变化的应力状态中，特别是车轮与钢轨、车轮与制动闸瓦(盘式制动除外)是两对时刻存在的、不可忽视的摩擦副；在紧急情况或者特殊道路运行时，制动热损伤、擦伤则非常显著，产生热疲劳，也影响着车轮安全和使用寿命。我国铁路线路与其他国家存在差异，南北最大服役温差达到80℃以上，北方冬季最低温度达零下40℃以下，南方湿润、潮湿，腐蚀性大，这对车轮材料的耐腐蚀性能、耐低温性能有着更为苛刻的要求。当货车轴重增加至25t以上后，车轮的磨损量明显增加，这要求提高车轮轮辋强度和硬度，以达到提高耐磨性和抵抗滚动接触疲劳的性能，同时，影响到安全性能的韧性指标不能降低，重载货运用车轮磨损大，而且是踏面制动易产生热裂纹，从而产生剥离、剥落和乃至辋裂等缺陷。目前，我国25t轴重重载货车用车轮已由普通CL60车轮升级为CL70车轮，两者金相组织皆为珠光体-铁素体组织。但由于CL70车轮C、Si含量明显高于CL60，这使其强硬度明显提高，但韧性降低，主要服役使用问题为滚动接触疲劳(RCF)和踏面制动热裂纹，以及轮辋磨耗大及轮缘磨耗大等问题。同时，由于硬度的增加，加剧了钢轨的磨耗。车轮各部位名称及其与钢轨接触示意图见图1，CL60钢主要技术指标要求见表1。表1CL60车轮主要技术要求生产制造过程中，要保证车轮材质优良，钢中有害气体和有害残余元素含量低。车轮在完成尺寸成型后，在高温奥氏体状态下，轮辋踏面经过喷水强化冷却，进一步提高轮辋的强度和硬度；辐板和轮毂相当于正火热处理，从而达到轮辋有高的强度和韧性的匹配，改善抗滚动接触疲劳(RCF)性能和磨损性能；辐板有高的韧性，改善疲劳性能，因此，车轮是梯度材料，最终实现车轮有优良的综合力学性能和服役使用性能。在珠光体-少量铁素体车轮钢中，例如CL70重载车轮，铁素体是材料中软相，韧性好，屈服强度低，因其较软所以抗滚动接触疲劳(RCF)性能差。通常，铁素体含量越高，钢的冲击韧性越好；与铁素体相比，珠光体强度较高，韧性较差，因此冲击性能较差。轨道交通的发展方向是高速、重载化，车轮运行时承受的载荷将大幅增加，现有珠光体-少量铁素体材质车轮在运行服役过程中暴露的问题越来越多，主要有以下几个方面不足：(1)轮辋屈服强度低，一般在700MPa左右，因车轮在运行时轮轨间的滚动接触应力较大，有时超过车轮钢的屈服强度，使得车轮在运行过程当中产生塑性变形，导致踏面次表面发生塑性变形，又因为钢中存在夹杂物、渗碳体等脆性相，容易导致轮辋萌生微细裂纹，这些微细裂纹在车轮运行滚动接触疲劳的作用下，产生剥离、辋裂等缺陷。(2)钢中含碳量高，抗热损伤能力差。当采用踏面制动或者车轮滑行时出现擦伤时，车轮局部瞬间升温至钢的奥氏体化温度，随后激冷，产生马氏体以及“白亮层”，如此反复热疲劳，形成制动热裂纹或者擦伤，产生剥落、掉块等缺陷。(3)车轮钢淬透性差。车轮轮辋存在一定的硬度梯度，硬度不均匀，容易产生轮缘磨耗与失圆等缺陷。(4)不含耐腐蚀合金元素，车轮表面氧化铁皮抵抗湿热与腐蚀环境的能力差，以及铁素体、渗碳体间化学电极电位差大，容易生成腐蚀微电池，造成车轮整体抗腐蚀能力差。(5)低温条件下，车轮韧性大幅下降，一旦产生裂纹源，便会快速扩展，最终形成裂纹发生断裂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，利用Ni作为主要无碳化物贝氏体形成元素，采用C-Ni-Mn-Cr-Mo系，获得无碳化物贝氏体金相组织。本专利技术还提供了一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮的制造方法，使车轮具有更好的综合力学性能。本专利技术采取的技术方案为：一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮含有以下重量百分比的化学成分C0.10-0.40％、Ni0.40-2.10％、Cr0.25-1.50％、Mn0.70-2.10％、Si0.20-1.00％、W0.01～1.00％、Mo0.05-0.60％、Cu0.01-0.80％、V0.01-0.20％、Nb0.001-0.20％、B0.0001-0.0350％、RE0.001-0.040％、P≤0.020％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.00％≤Mn+Cr≤3.00％。进一步地，所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮优选为含有以下重量百分比的化学成分：C0.15-0.28％、Ni1.35-1.86％、Cr0.26-0.67％、Mn1.53-1.94％、Si0.28-0.87％、W0.22～0.72％、Mo0.18-0.42％、Cu0.18-0.51％、V0.05-0.16％、Nb0.008-0.030％、B0.001-0.008％、RE0.001-0.010％、P≤0.012％、S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.00％≤Mn+Cr≤3.00％。所述车轮距踏面0-50mm内轮辋的金相组织为无碳化物贝氏体组织结构，即为纳米尺度的板条状过饱和铁素体，板条状过饱和铁素体的中间为纳米尺度的薄膜状富碳残余奥氏体；所述薄膜状富碳残余奥氏体的体积百分比数为4～20％，且所述的残余奥氏体具有良好的热稳定性和机械稳定性；辐板、轮毂的金相组织均为过饱和铁素体和粒状贝氏体。所述板条状过饱和铁素体为体心立方(bcc)铁素体或者体心正方(bct)铁素体；所述富碳残余奥氏体为面心立方(fcc)残留奥氏体，组织电极电位差小。所述车轮与轮轨的摩擦磨损面产生纳米微晶或非晶，而非产生“白亮层”，降低轮轨摩擦系数，提高运行效率，减少钢轨的磨耗，延长钢轨的使用寿命。所述车轮的Rp0.2：800～850MPa；Rm：1200～1300MPa；A：15～18％；Z：35～38％；断面硬度HBW370-400；室温KU：50～75J；KQ：70～83MPa.m1/2，车轮具有优异的综合性能，尤其是高的强度、硬度与韧性、高的抵抗轮轨滚动接触疲劳性能(RCF)与抵抗热裂纹等特点。本专利技术还提供了所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮的制造方法，包括以下步骤：采用电炉冶炼或者转炉冶炼，经LF+RH精炼及真空脱气后，或者经VD精炼及真空脱气后，直接连铸成的圆坯，经切锭、加热、辗压轧制、热处理、精加工后形成直径为760mm至970mm轨道交通用重载货车轮；或经LF+RH精炼真空脱气后铸造成型，经热处理、精加工后形成直径为760mm至970mm轨道交通用重载货车轮。所述热处理的工艺为：将成型车轮加热至860-950℃保温3.0-4.5小时，轮辋踏面采用可程序控制的喷水强化冷却至450℃以下，空冷至室温，期间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮含有以下重量百分比的化学成分：C 0.10‑0.40％、Ni 0.40‑2.10％、Cr 0.25‑1.50％、Mn 0.70‑2.10％、Si 0.20‑1.00％、W0.01～1.00％、Mo 0.05‑0.60％、Cu 0.01‑0.80％、V 0.01‑0.20％、Nb 0.001‑0.20％、B 0.0001‑0.0350％、RE 0.001‑0.040％、P≤0.020％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.00％≤Mn+Cr≤3.00％。

【技术特征摘要】
1.一种轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮含有以下重量百分比的化学成分：C0.10-0.40％、Ni0.40-2.10％、Cr0.25-1.50％、Mn0.70-2.10％、Si0.20-1.00％、W0.01～1.00％、Mo0.05-0.60％、Cu0.01-0.80％、V0.01-0.20％、Nb0.001-0.20％、B0.0001-0.0350％、RE0.001-0.040％、P≤0.020％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.00％≤Mn+Cr≤3.00％。2.根据权利要求1所述的轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮含有以下重量百分比的化学成分：C0.15-0.28％、Ni1.35-1.86％、Cr0.26-0.67％、Mn1.53-1.94％、Si0.28-0.87％、W0.22～0.72％、Mo0.18-0.42％、Cu0.18-0.51％、V0.05-0.16％、Nb0.008-0.030％、B0.001-0.008％、RE0.001-0.010％、P≤0.012％、S≤0.010％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.00％≤Mn+Cr≤3.00％。3.根据权利要求1或2所述的轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述车轮距踏面0-50mm内轮辋的金相组织为无碳化物贝氏体组织结构，即为纳米尺度的板条状过饱和铁素体，板条状过饱和铁素体的中间为纳米尺度的薄膜状富碳残余奥氏体；所述薄膜状富碳残余奥氏体的体积百分数为4～20％；辐板、轮毂的金相组织均为过饱和铁素体和粒状贝氏体。4.根据权利要求3所述的轨道交通重载货车用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述板条状过饱和铁素体为体心立方(bcc)铁素体或者体心正方(bct)铁素体；所述薄膜状富碳残余奥氏体为面心立方(fcc)残余奥氏体。5.根据权利要求1或2所述的轨道交通重...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明如，张峰，沈昶，鲁松，赵海，孙曼丽，
申请(专利权)人：马钢集团控股有限公司，马鞍山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34