一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法，其化学成分重量百分比为：C 0.49‑0.53％、Si 0.20‑0.37％、Mn 0.80‑0.90％、Cr 0.15‑0.20％、V 0.10‑0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N 60×10

A high speed railway wheel for effectively improving fatigue limit of spoke and its preparation method

The invention provides a high-speed railway wheel which can effectively improve the fatigue limit of the spoke plate and a preparation method thereof. The chemical composition weight percentage of the wheel is C 0.49_0.53%, Si 0.20_0.37%, Mn 0.80_0.90%, Cr 0.15_0.20%, V 0.10_0.15%, P < 0.010%, S < 0.010%, N 60 10.

【技术实现步骤摘要】
一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法
本专利技术属于铁路车轮用钢及其热处理方法，具体涉及一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法。尤其是指运行速度200km/h以上的高速车轮钢及其制备方法。
技术介绍
铁路用车轮属机械结构件，辐板结构设计和辐板材料强度一直是重点关注的方面，一旦因辐板结构设计不良、材料疲劳极限偏低，易发生车轮辐板断裂事故。一直以来，国外采用数值仿真在持续不断的进行辐板结构的设计优化工作，但是，材料的疲劳极限也是防止构件裂纹萌生、抵抗裂纹失稳扩展能力的重要性能指标之一。材料疲劳极限是材料本身所固有的力学性能，由材料的成分，组织状态决定。而且，若对同一成分的材料，如采用不同的生产制造工艺，也会对材料的疲劳极限产生影响。随着我国200km/h以上高速动车组的开行，对于作为关键行走部件的车轮来说，一方面，由于需要在车轮辐板上加工工艺孔以安装制动盘，所以采用了直辐板设计，对车轮辐板材料的抗疲劳断裂能力提出了更高要求，另一方面，在高速运行条件下，车轮的使用条件发生了显著变化，在制动或滑动过程中会产生巨大的热输入，热输入也会降低车轮轮辋、辐板的抗疲劳断裂能力。到目前为止，国内外火车车轮用钢均为铁素体-珠光体组织的中、高碳碳素钢，后续需要进行喷水冷却+回火处理，其性能指标是由回火温度决定的，也就是说，高速运行的车轮，在制动或滑动过程中产生的巨大热输入，一旦超过车轮出厂前的回火温度，会降低车轮的疲劳极限。因此，从设计安全角度出发，对车轮材料的抗裂纹萌生和抗裂纹扩展能力提出了越来越高的要求，需要在车轮结构设计、成分设计一定的条件下，通过提高材料在较高温度条件下的疲劳极限，以实现进一步提高车轮的抗疲劳断裂能力的目的，提高车轮在实际运用过程中的安全冗余。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法，控制元素含量，配合高的热处理回火温度制度，相比ER8材质高速车轮钢，在轮辋机械性能水平基本相当的条件下，能够显著提高车轮辐板疲劳极限，从而有效增强了车轮的抗疲劳断裂能力，车轮设计安全冗余更大。本专利技术具体技术方案如下：本专利技术提供的一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其化学成分重量百分比为：C0.49-0.53％、Si0.20-0.37％、Mn0.80-0.90％、Cr0.15-0.20％、V0.10-0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N60×10-4-90×10-4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。本专利技术提供的一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮的制备方法，包括电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序和热处理工序；所述的热处理工序为：首先在870-890℃保温2.0-2.5小时后，轮辋喷水冷却，然后在550-560℃高温回火处理5.0小时。优选的，所述轮辋喷水冷却具体为：使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下。到目前为止，国内外火车车轮用钢均为铁素体-珠光体组织的中、高碳碳素钢，这种组织在硬度水平相当时，具有最好的耐磨性，因此，本专利技术的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。从耐磨性方面考虑，C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，改善车轮的耐磨性能，但其含量过高将降低车轮的韧性和塑性，因制动、擦伤等引起的热损伤敏感性增加，而且随着C含量的增加，当受到热输入影响时，温度对强硬度的影响增大，温度越高，强硬度下降幅度越大，因此本专利技术将C的范围确定为0.49-0.53％之间，低于ER8材质车轮钢的要求，以降低车轮轮辋的热损伤敏感性。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，本专利技术重点对车轮钢中的Mn、Cr、V含量进行了设计。Mn是本专利技术中重要的强化元素，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0.80-0.90％之间。V是固溶强化元素，同时可以与N结合形成VN达到细化晶粒的作用，在合理的热处理条件下可同时提高车轮的强硬度和韧性综合性能。但V含量过高，会明显提高车轮钢的淬透性能，诱发非铁素体-珠光体组织的形成，因此，本专利技术采用了V微合金化设计，将V含量的范围确定为0.10-0.15％，同时，为确保VN细化晶粒的效果，本专利技术将N含量的范围确定为60×10-4-90×10-4％。Cr也是固溶强化元素之一，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、V元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，会诱发非铁素体-珠光体组织的形成，因此，本专利技术将Cr含量控制范围确定为≤0.15-0.20％。由于要提高车轮在高温条件下的疲劳极限，需要采用相比常规回火温度更高的回火温度制度，通过热处理加热温度的调整，能够获得与ER8材质车轮相当的轮辋机械性能指标，从而保证了本专利技术制备的车轮轮辋耐磨性能不会发生明显降低。同时，由于本专利技术制备的车轮C含量相对较低，温度对强硬度的影响趋缓，同时由于微合金化元素的作用，从而使本专利技术制备的车轮辐板在高温条件下的疲劳极限下降不明显。从而是本专利技术制备的车轮，在轮辋机械性能水平与ER8材质基本相当的条件下，辐板疲劳极限得到了明显提高，从而有效增强了车轮的抵抗更高温度的疲劳断裂能力，车轮设计安全冗余更大。同时，本专利技术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。附图说明图1为常规ER8钢车轮辐板金相组织；图2为本专利技术车轮辐板金相组织；图3为拉压疲劳试样尺寸；图4为旋转弯曲疲劳试样尺寸。具体实施方式实施例1一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其化学成分重量百分比如表1所示：上述有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮的制备方法为：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：所述的热处理工序为：首先在870℃保温2.0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530℃以下)，然后在560℃高温回火处理5.0小时。实施例2一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其化学成分重量百分比如表1所示：上述有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮的制备方法为：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：所述的热处理工序为：首先在890℃保温2.5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530℃以下)，然后在550℃高温回火处理5.0小时。实施例1-2均采用100吨超高功率电弧炉冶炼经LF+RH精炼真空脱气后直接连铸成的圆坯，经切锭、加热轧制、热处理后形成直径为920mm的车轮。如图1、2所示，本实施例制备的车轮辐板金相组织与对比例ER8钢车轮基本一致，均为细珠光体+少量铁素体。本实施例车轮轮辋、辐板机械性能如表2、表3所示，其轮辋机械性能指标与对比例ER8钢车轮相当。在ZwickHFP300kN高频疲劳试验机上，按照GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其特征在于，所述高速铁路车轮化学成分重量百分比为：C 0.49‑0.53％、Si 0.20‑0.37％、Mn 0.80‑0.90％、Cr 0.15‑0.20％、V 0.10‑0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N 60×10‑4‑90×10‑4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其特征在于，所述高速铁路车轮化学成分重量百分比为：C0.49-0.53％、Si0.20-0.37％、Mn0.80-0.90％、Cr0.15-0.20％、V0.10-0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N60×10-4-90×10-4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。2.一种权利要求1所述的有效提高辐板...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，宫彦华，桂兴亮，江波，程德利，赵海，邹强，茆勇，钟斌，童乐，王长乐，
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