一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法技术

本发明专利技术提供了一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C 0.67‑0.77％、Si 0.50‑0.70％、Mn 0.70‑0.8％、V 0.05‑0.15％、N 50‑150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明专利技术提供的车轮钢有别于AAR‑C车轮成分的新材质成分设计，并设计了与之相应的热处理制度，使得新材质车轮综合力学性能优于AAR‑C车轮，强度和硬度不低于AAR‑C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选择范围，同时为将来更高要求的货车车轮研发做技术储备。

High strength and high plasticity heavy haul railway freight car wheel steel and its production method

The invention provides a high strength and high plasticity of heavy haul railway wagon wheel steel and its production method, the chemical components in weight percentage: C 0.67 0.77%, Si 0.70%, Mn 0.50 0.70 0.8%, V 0.15%, N 0.05 50 150ppm, Als = 0.025%, P = 0.015% S, 0.015%, the remaining Fe and inevitable impurities. Compared with the existing technology, new material composition design in AAR C wheel wheel steel composition provided by the invention, and the design of the heat treatment system and the corresponding to the new material, the mechanical performance of AAR is better than C wheel wheel, the strength and hardness of not less than AAR C wheel, significantly improve the plasticity and toughness, increase the future heavy truck with range of wheel products, at the same time for the future of the higher requirements of the wagon wheel research and technical reserves.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法
本专利技术属于铁路重载货车车轮的制造领域，具体为一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢及其生产方法。提供一种轴重≥32.5t的高硬度、高强度、高塑性铁路货车用高碳钢车轮合金化设计及其制备方法。
技术介绍
实践证明，增大货车轴重，实现重载运输，是提高铁路运输能力、解决运能不足的有效途径。重载运输在以货运为主的美国、加拿大、澳大利亚非常普遍，其铁路重载列车的轴重已普遍达到了32.5t以上，运输效率明显提高，随之而来的对车轮耐磨性、抗接触疲劳强度的要求也明显提高，其材质主要采用具有高强度、高硬度的碳素钢，即北美AARM107标准中C级钢(0.67％-0.77％)，即AAR-C车轮。对于国内来说，为了尽快解决铁路运力不足问题，原铁道部早在2003年6月就提出铁路运输重载货运的发展战略。自2004年以来，按照北美AARM107标准组织生产的C级钢(简称AAR-C)车轮一直是马钢重载货车车轮出口的主要产品之一，产品出口澳大利亚、巴西、加拿大等地，在国际车轮市场占据一席之地。该产品仅对外侧面硬度、高倍夹杂、超声波探伤有要求。通过几年的努力，马钢已形成批量生产供货能力，各项指标均能较好地满足AARM107标准C级钢车轮的要求，创造了可观的经济效益和社会效益。近年来，国外重载货运得到进一步发展，35t-40t大轴重重载矿运列车得到普遍应用，从改善和提高车轮使用性能的角度出发，以澳大利亚BHP、力拓为代表的国外大型矿石生产商，提出了硬度等级更高的新型车轮需求，这种车轮是由AAR-C车轮衍生出来的，其化学成分要求同通用的AARM107标准C级钢一致，而硬度指标大幅度提高，由321-363HB提高至341-388HB甚至360-401HB，同时还对拉伸性能、踏面表层组织控制、超声波探伤等提出了非常明确和苛刻的要求，目的是在机械载荷、热负荷显著增大的使用条件下，在不改变轮型设计、不改变安全系数的前提下，通过提高车轮材质性能以进一步提高车轮的承载能力，提高车轮抗接触损伤、抗磨损和抗热损伤能力，以保证重载运输的安全性、可靠性，从而实现运输效率的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，有别于AAR-C车轮成分的新材质成分设计，制备的车轮综合力学性能优于AAR-C车轮。本专利技术还提供了一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，与其方法相匹配，制备的车轮综合力学性能优于AAR-C车轮，强度和硬度不低于AAR-C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选择范围，同时为将来更高要求的货车车轮研发做技术储备。本专利技术提供的一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其化学成分重量百分比为：C0.67-0.77％、Si0.50-0.70％、Mn0.70-0.8％、V0.05-0.15％、N50-150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本专利技术提供的车轮用钢具有铁素体-珠光体组织状态，具有最好的耐磨性。本专利技术提供的一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢的生产方法，方法为：将上述成分的车轮钢按照常规车轮钢炼钢工艺进行冶炼、轧制、粗加工后，将车轮随炉升温至830-860℃保温2.5-3.0小时后，轮辋喷水冷却，使轮辋内部金属以2℃/S-5℃/S的冷却速度加速冷却到550℃以下，最后在490±10℃回火处理4.0-5.0小时。本专利技术中各元素及其含量作用：C是车轮钢中最基本和最重要的成分，作为间隙固溶元素，对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮的强度硬度指标，但其含量过高将显著降低车轮的韧性和抗冷热疲劳性能，因此本专利技术将C的范围确定为0.67-0.77％。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和高的塑性性能，应实施复合微合金化。因此，本专利技术对Si、Mn含量采用常规设计，重点对车轮钢中的V、N含量进行了设计，起到两者复合合金化作用。Si是车轮钢中重要强化元素，作为置换原子发挥固溶强化作用。Si在提高钢强度的同时，还提高其淬透性和耐磨性，但Si含量的增加会提高材料的热敏感性和脆性，不利于提高韧性，因此本专利技术将Si的范围确定为0.50-0.70％。Mn是车轮钢中重要强化元素，一般大部分作为置换原子发挥固溶强化作用，少量形成碳化物。Mn在提高钢强度的同时，还具有细化晶粒减小珠光体片层间距，有利于提高韧性，另增加Mn含量还具有提高车轮钢淬透性的作用，但同时也增加了钢的过热敏感性和回火脆性倾向，故Mn含量控制在0.70-0.8％。V是强碳氮化物形成元素，主要以固溶和V(CN)析出两种形式存在，起细化奥氏体晶粒、珠光体团与珠光体片层间距和沉淀强化的作用，有利于提高强韧性。高碳钢在连续冷却条件下，随V含量增多，珠光体平均转变温度降低，CCT曲线向右下方移动，片层细化，珠光体组织的强度和硬度升高。V在钢中N含量较大的情况下，可起到细化晶粒的作用，增N促进了V(CN)在奥氏体/素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。同时通过细化晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，能够达到良好的强度、韧性配合。钢V的含量宜控制在0.05-0.15％，过低不利于奥氏体晶粒细化，超过0.15％以后继续增加V含量进一步细化珠光体片层间距的作用不显著，淬透性提高较大，不利于车轮钢珠光体组织控制。因此本专利技术将V的范围确定为不超过0.05-0.15％。N是含V微合金钢中的一个十分有效的合金元素，钢中增N促进了V与N析出，从而更好地发挥了V的析出强化与细晶强化效果，使钢在较低V含量情况下就具有高V含量钢的强度，在保证一定的强度水平下，充分利用廉价的N元素，从而节约了V的用量，降低钢的成本，使钒氮非调质钢更具有市场竞争力，为开发高附加值的钒氮非调质钢开辟了一条更加经济的新路径。因此本专利技术将N的范围确定为50-150ppm。Als在车轮钢中以AlN的形式存在，细小弥散分布的AlN可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，但Als的增加会导致AlN长大，不仅不能有效发挥改善塑韧性的作用，反而会导致塑韧性降低，Als的含量不超过0.025％。P和S是杂质元素，故其含量应该控制在不超过0.015％。研究表明，由于碳氮化物溶解度较大，加热温度高于1000℃时，几乎所有的V将在铁素体中析出。与现有技术相比，本专利技术由于V的添加，且车轮的轧制温度一般高于1000℃，轧后缓冷V(CN)析出，在车轮奥氏体化过程中，析出的V(CN)相对奥氏体长大有钉扎作用，在相同的奥氏体化温度下，由于V、N的添加，奥氏体区更加稳定。车轮在淬火过程中，稳定的奥氏体推迟了奥氏体向珠光体转变，导致先共析铁素体沿晶界先析出，而稳定奥氏体转变有利于细小片间距珠光体的形成。本专利技术提供的车轮钢有别于AAR-C车轮成分的新材质成分设计，主要增加了V、N微量元素，并设计了与之相应的热处理制度，使得新材质车轮组织中增加韧性的铁素体相增多，而V的增加又有利于珠光体片间距减小，有利于强硬度提升。因此，本专利技术提供的车轮钢综合力学性能优于AAR-C车轮，强度和硬度不低于AAR-C车轮，塑韧性明显提高，增加了将来重载货车用车轮产品的选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：C 0.67‑0.77％、Si 0.50‑0.70％、Mn 0.70‑0.8％、V 0.05‑0.15％、N 50‑150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：C0.67-0.77％、Si0.50-0.70％、Mn0.70-0.8％、V0.05-0.15％、N50-150ppm、Als≤0.025％、P≤0.015％、S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢其化学成分重量百分比为：C0.72％、Si0.66％、Mn0.74％、V0.05％、N57ppm、Als≤0.025％、P0.0072％、S0.0072％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。3.根据权利要求1所述的高强高塑性重载铁路货车车轮用钢，其特征在于，C0.74％、Si0.67％...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈讲彪，陈刚，江波，赵海，庞晋龙，王长乐，邓荣杰，茆勇，
申请(专利权)人：马鞍山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34