一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法，包含：碳C：0.10～0.40％，硅Si：1.00～2.00％，锰Mn：1.00～2.50％，镍Ni：0.20～1.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。与现有技术相比，本发明专利技术通过热处理工艺，使车轮轮辋获得无碳化物贝氏体组织结构；辐板、轮毂获得粒状贝氏体和过饱和铁素体为主的金相组织结构，车轮具有高的屈服强度、韧性和低温韧性等综合力学性能，而且降低了成本，提高了车轮的使用寿命和综合效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钢的化学成分设计和车轮制造的领域，具体涉及一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法，以及轨道交通其它零部件和类似部件的钢种设计和生产制造方法。
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(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。轨道交通，在车轮满足基本强度的情况下，特别关注车轮的韧性指标，确保安全性和可靠性，货运用车轮磨损和滚动接触疲劳(RCF)损伤大，而且是踏面制动，热疲劳损伤也大，产生剥离、剥落和辋裂等缺陷。客运用车轮更加关注车轮的韧性和低温韧性，由于客运采用盘式制动，制动热疲劳减轻。目前，国内外轨道交通用车轮钢，例如中国车轮标准GB/T8601、TB/T2817，欧洲车轮标准EN13262，日本车轮标准JRS和JISB5402，以及北美车轮标准AARM107等等，都是中高碳碳素钢或者中高碳微合金化钢，其金相组织都是珠光体-铁素体组织。CL60钢车轮是我国目前轨道交通车辆(客运与货运)主要使用的辗钢车轮钢，BZ-L是我国目前轨道交通车辆(货运)主要使用的铸钢车轮钢，它们的金相组织都是珠光体-铁素体组织。车轮各部位名称示意图见图1，CL60钢主要技术指标要求见下表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。车轮在高温状态下，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，辐板有高的韧性，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，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，一般不超过600MPa，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，如此反复热疲劳，形成制动热裂纹，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。随着贝氏体钢相变研究的发展与突破，尤其是无碳化物贝氏体钢的理论和应用研究，可以实现高强度、高韧性的良好匹配。无碳化物贝氏体钢具有理想的显微组织结构，也具有优良的力学性能，其精细显微组织结构为无碳化物贝氏体，也就是，纳米尺度的板条状过饱和铁素体，中间为纳米尺度的薄膜状富碳残余奥氏体，从而提高钢的强度和韧性，特别提高钢的屈服强度和冲击韧性与断裂韧性，降低钢的缺口敏感性。因此，贝氏体钢车轮有效增强车轮的抗滚动接触疲劳(RCF)性能，减少车轮剥离和剥落等现象，提高车轮的安全性能和使用性能。由于贝氏体钢车轮的含碳量低，改善车轮的热疲劳性能，防止轮辋热裂纹的产生，减少车轮的镟修次数和镟修量，提高轮辋金属的使用效率，提高车轮使用寿命。公开日为2006年7月12日，公开号为CN1800427A的中国专利“铁道车辆车轮用贝氏体钢”公开的钢的化学成份范围(wt％)为：碳C：0.08-0.45％，硅Si：0.60-2.10％，锰Mn：0.60-2.10％，钼Mo：0.08-0.60％，镍Ni：0.00-2.10％，铬Cr：＜0.25％，钒V：0.00-0.20％，铜Cu：0.00-1.00％。该贝氏体钢的典型组织为无碳化物贝氏体，其具有优异的强韧性，低的缺口敏感性，良好的抗热裂性能。Mo元素的加入能增加钢的淬透性，但对于大截面车轮，生产控制难度大，且成本较高。英国钢铁有限公司专利CN1059239C公开了一种贝氏体钢及其生产工艺，该钢种的化学成份范围(wt％)为：碳C：0.05-0.50％，硅Si和/或铝Al：1.00-3.00％，锰Mn：0.50-2.50％，铬Cr：0.25-2.50％。该贝氏体钢的典型组织为无碳化物贝氏体，其具有高的耐磨性和抗滚压接触疲劳性能。该钢种虽具有良好的强韧性，但钢轨截面较简单，且20℃的冲击韧性性能不高，而且钢种成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，C-Si-Mn-Ni-RE系，不特别添加Mo、V、Cr和B等合金元素，使轮辋典型组织为无碳化物贝氏体，车轮具有优异的强韧性和低的缺口敏感性等特点。本专利技术还提供了一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮的制造方法，通过热处理工艺和技术，使车轮获得良好的综合力学性能，生产控制较容易。本专利技术提供的一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，包含以下重量百分比的元素：碳C：0.10～0.40％，硅Si：1.00～2.00％，锰Mn：1.00～2.50％，镍Ni：0.20～1.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。优选的，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，包含以下重量百分比的元素：碳C：0.15～0.25％，硅Si：1.20～1.80％，锰Mn：1.60～2.10％，镍Ni：0.20～0.80％，稀土RE：0.010～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。优选的，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，包含以下重量百分比的元素：碳C：0.20％，硅Si：1.45％，锰Mn：1.92％，镍Ni：0.35％，稀土RE：0.018％，磷P：0.013％，硫S：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质元素。Si和Mn总含量低于2％时，钢的淬透性降低，且容易形成碳化物，不利于获得具有良好强韧性的无碳化物贝氏体组织；Si和Mn总含量高于4％时，钢的淬透性过高，容易形成马氏体等不良组织，且生产控制难度大。Si和Ni总含量低于1.5％时，钢中易形成碳化物，不利于获得具有良好强韧性的无碳化物贝氏体组织；Si和Ni总含量高于2.5％时，无法有效发挥元素作用，且会增加成本。所得到的车轮显微组织为：车轮轮辋踏面下40毫米内金相组织为无碳化物贝氏体组织，即为纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮包含以下重量百分比的元素：碳C：0.10～0.40％，硅Si：1.00～2.00％，锰Mn：1.00～2.50％，镍Ni：0.20～1.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。

【技术特征摘要】
1.一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮包含以下重量百分比的元素：碳C：0.10～0.40％，硅Si：1.00～2.00％，锰Mn：1.00～2.50％，镍Ni：0.20～1.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。2.根据权利要求1所述的高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮包含以下重量百分比的元素：碳C：0.15～0.25％，硅Si：1.20～1.80％，锰Mn：1.60～2.10％，镍Ni：0.20～0.80％，稀土RE：0.010～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余为铁和不可避免的残余元素；且1.50％≤Si+Ni≤2.50％，2.00％≤Si+Mn≤4.00％。3.根据权利要求1或2所述的高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮包含以下重量百分比的元素：碳C：0.20％，硅Si：1.45％，锰Mn：1.92％，镍Ni：0.35％，稀土RE：0.018％，磷P：0.013％，硫S：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质元素。4.根据权利要求1或2所述的高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮，其特征在于，所述贝氏体钢车轮轮辋踏面下40毫米内金相组织为无碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明如，赵海，张峰，方政，浦红，谢世红，
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