本發(fā)明屬于鐵路重載貨車車輪的制造領域，具體為一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼及其生產方法。提供一種軸重≥32.5t的高硬度、高強度、高塑性鐵路貨車用高碳鋼車輪合金化設計及其制備方法。

背景技術：

實踐證明，增大貨車軸重，實現(xiàn)重載運輸，是提高鐵路運輸能力、解決運能不足的有效途徑。重載運輸在以貨運為主的美國、加拿大、澳大利亞非常普遍，其鐵路重載列車的軸重已普遍達到了32.5t以上，運輸效率明顯提高，隨之而來的對車輪耐磨性、抗接觸疲勞強度的要求也明顯提高，其材質主要采用具有高強度、高硬度的碳素鋼，即北美aarm107標準中c級鋼(0.67％-0.77％)，即aar-c車輪。

對于國內來說，為了盡快解決鐵路運力不足問題，原鐵道部早在2003年6月就提出鐵路運輸重載貨運的發(fā)展戰(zhàn)略。自2004年以來，按照北美aarm107標準組織生產的c級鋼(簡稱aar-c)車輪一直是馬鋼重載貨車車輪出口的主要產品之一，產品出口澳大利亞、巴西、加拿大等地，在國際車輪市場占據一席之地。該產品僅對外側面硬度、高倍夾雜、超聲波探傷有要求。通過幾年的努力，馬鋼已形成批量生產供貨能力，各項指標均能較好地滿足aarm107標準c級鋼車輪的要求，創(chuàng)造了可觀的經濟效益和社會效益。

近年來，國外重載貨運得到進一步發(fā)展，35t-40t大軸重重載礦運列車得到普遍應用，從改善和提高車輪使用性能的角度出發(fā)，以澳大利亞bhp、力拓為代表的國外大型礦石生產商，提出了硬度等級更高的新型車輪需求，這種車輪是由aar-c車輪衍生出來的，其化學成分要求同通用的aarm107標準c級鋼一致，而硬度指標大幅度提高，由321-363hb提高至341-388hb甚至360-401hb，同時還對拉伸性能、踏面表層組織控制、超聲波探傷等提出了非常明確和苛刻的要求，目的是在機械載荷、熱負荷顯著增大的使用條件下，在不改變輪型設計、不改變安全系數的前提下，通過提高車輪材質性能以進一步提高車輪的承載能力，提高車輪抗接觸損傷、抗磨損和抗熱損傷能力，以保證重載運輸的安全性、可靠性，從而實現(xiàn)運輸效率的提高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼，有別于aar-c車輪成分的新材質成分設計，制備的車輪綜合力學性能優(yōu)于aar-c車輪。

本發(fā)明還提供了一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼的生產方法，與其方法相匹配，制備的車輪綜合力學性能優(yōu)于aar-c車輪，強度和硬度不低于aar-c車輪，塑韌性明顯提高，增加了將來重載貨車用車輪產品的選擇范圍，同時為將來更高要求的貨車車輪研發(fā)做技術儲備。

本發(fā)明提供的一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼，其化學成分重量百分比為：

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％，其余為fe和不可避免的雜質元素。

本發(fā)明提供的車輪用鋼具有鐵素體-珠光體組織狀態(tài)，具有最好的耐磨性。

本發(fā)明提供的一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼的生產方法，方法為：

將上述成分的車輪鋼按照常規(guī)車輪鋼煉鋼工藝進行冶煉、軋制、粗加工后，將車輪隨爐升溫至830-860℃保溫2.5-3.0小時后，輪輞噴水冷卻，使輪輞內部金屬以2℃/s-5℃/s的冷卻速度加速冷卻到550℃以下，最后在490±10℃回火處理4.0-5.0小時。

本發(fā)明中各元素及其含量作用：

c是車輪鋼中最基本和最重要的成分，作為間隙固溶元素，對強、硬度貢獻最大，隨著碳含量的提高，將會明顯提高車輪的強度硬度指標，但其含量過高將顯著降低車輪的韌性和抗冷熱疲勞性能，因此本發(fā)明將c的范圍確定為0.67-0.77％。

從合金元素對性能的影響規(guī)律看，為獲得高的強度硬度性能和高的塑性性能，應實施復合微合金化。因此，本發(fā)明對si、mn含量采用常規(guī)設計，重點對車輪鋼中的v、n含量進行了設計，起到兩者復合合金化作用。

si是車輪鋼中重要強化元素，作為置換原子發(fā)揮固溶強化作用。si在提高鋼強度的同時，還提高其淬透性和耐磨性，但si含量的增加會提高材料的熱敏感性和脆性，不利于提高韌性，因此本發(fā)明將si的范圍確定為0.50-0.70％。

mn是車輪鋼中重要強化元素，一般大部分作為置換原子發(fā)揮固溶強化作用，少量形成碳化物。mn在提高鋼強度的同時，還具有細化晶粒減小珠光體片層間距，有利于提高韌性，另增加mn含量還具有提高車輪鋼淬透性的作用，但同時也增加了鋼的過熱敏感性和回火脆性傾向，故mn含量控制在0.70-0.8％。

v是強碳氮化物形成元素，主要以固溶和v(cn)析出兩種形式存在，起細化奧氏體晶粒、珠光體團與珠光體片層間距和沉淀強化的作用，有利于提高強韌性。高碳鋼在連續(xù)冷卻條件下，隨v含量增多，珠光體平均轉變溫度降低，cct曲線向右下方移動，片層細化，珠光體組織的強度和硬度升高。v在鋼中n含量較大的情況下，可起到細化晶粒的作用，增n促進了v(cn)在奧氏體/素體相界面的析出，有效地阻止了鐵素體晶粒長大，起到了細化鐵素體晶粒尺寸的作用。同時通過細化晶粒，充分發(fā)揮了晶粒細化強化和沉淀強化兩種強化方式的作用，能夠達到良好的強度、韌性配合。鋼v的含量宜控制在0.05-0.15％，過低不利于奧氏體晶粒細化，超過0.15％以后繼續(xù)增加v含量進一步細化珠光體片層間距的作用不顯著，淬透性提高較大，不利于車輪鋼珠光體組織控制。因此本發(fā)明將v的范圍確定為不超過0.05-0.15％。

n是含v微合金鋼中的一個十分有效的合金元素，鋼中增n促進了v與n析出，從而更好地發(fā)揮了v的析出強化與細晶強化效果，使鋼在較低v含量情況下就具有高v含量鋼的強度，在保證一定的強度水平下，充分利用廉價的n元素，從而節(jié)約了v的用量，降低鋼的成本，使釩氮非調質鋼更具有市場競爭力，為開發(fā)高附加值的釩氮非調質鋼開辟了一條更加經濟的新路徑。因此本發(fā)明將n的范圍確定為50-150ppm。

als在車輪鋼中以aln的形式存在，細小彌散分布的aln可以通過細化晶粒以使車輪獲得較好的塑性和韌性，但als的增加會導致aln長大，不僅不能有效發(fā)揮改善塑韌性的作用，反而會導致塑韌性降低，als的含量不超過0.025％。

p和s是雜質元素，故其含量應該控制在不超過0.015％。

研究表明，由于碳氮化物溶解度較大，加熱溫度高于1000℃時，幾乎所有的v將在鐵素體中析出。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明由于v的添加，且車輪的軋制溫度一般高于1000℃，軋后緩冷v(cn)析出，在車輪奧氏體化過程中，析出的v(cn)相對奧氏體長大有釘扎作用，在相同的奧氏體化溫度下，由于v、n的添加，奧氏體區(qū)更加穩(wěn)定。車輪在淬火過程中，穩(wěn)定的奧氏體推遲了奧氏體向珠光體轉變，導致先共析鐵素體沿晶界先析出，而穩(wěn)定奧氏體轉變有利于細小片間距珠光體的形成。本發(fā)明提供的車輪鋼有別于aar-c車輪成分的新材質成分設計，主要增加了v、n微量元素，并設計了與之相應的熱處理制度，使得新材質車輪組織中增加韌性的鐵素體相增多，而v的增加又有利于珠光體片間距減小，有利于強硬度提升。因此，本發(fā)明提供的車輪鋼綜合力學性能優(yōu)于aar-c車輪，強度和硬度不低于aar-c車輪，塑韌性明顯提高，增加了將來重載貨車用車輪產品的選擇范圍，同時為將來更高要求的貨車車輪研發(fā)做技術儲備。

附圖說明

圖1實施例1輪輞組織；

圖2實施例2輪輞組織；

圖3實施例3輪輞組織；

圖4對比例車輪輞組織。

具體實施方式

實施例1

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼，其化學成分如下表1；其余為fe和不可避免的雜質元素。

實施例2

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼，其化學成分如下表1；其余為fe和不可避免的雜質元素。

實施例3

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼，其化學成分如下表1；其余為fe和不可避免的雜質元素。

表1實施例1、2、3及aar-c鋼所采用的火車車輪的化學成分，(質量百分比％)

實施例4

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼的生產方法，具體為：

將化學成分如表1實施例1的鋼水經過電爐煉鋼工序、lf爐精煉工序、rh真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠熱軋工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：首先將車輪隨爐升溫至830-860℃保溫2.5-3.0小時后，然后輪輞噴水冷卻，使輪輞內部金屬以2℃/s-5℃/s的冷卻速度加速冷卻到550℃以下，最后在490±10℃回火處理4.0-5.0小時。

如圖1、圖4所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織與aar-c鋼車輪基本一致，均為細珠光體+少量鐵素體，但本實施例中鐵素體含量為1.97％，明顯高于對比例含量的1.22％。

本實施例車輪機械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出實施例1和對比例aar-c鋼車輪輪輞強度、硬度相當，但其延伸率明顯高于后者。由表3可知，實施例1輪輞斷裂韌性明顯高于對比例。

由此可見，實施例1具有與aar-c鋼車輪在強度、硬度相當的前提下，輪輞延伸率和斷裂韌性明顯提高，發(fā)明取得了預期效果。

實施例5

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼的生產方法，具體為：

將化學成分如表1實施例2的鋼水經過電爐煉鋼工序、lf爐精煉工序、rh真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠熱軋工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：首先將車輪隨爐升溫至830-860℃保溫2.5-3.0小時后，然后輪輞噴水冷卻(使輪輞內部金屬以2℃/s-5℃/s的冷卻速度加速冷卻到550℃以下)，最后在490±10℃回火處理4.0-5.0小時。

如圖2、圖4所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織與aar-c鋼車輪基本一致，均為細珠光體+少量鐵素體，但本實施例中鐵素體含量為2.56％，明顯高于對比例含量的1.22％。本實施例車輪機械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出實施例2和對比例aar-c鋼車輪輪輞強度、硬度相當，但其延伸率明顯高于后者。由表3可知，實施例2輪輞斷裂韌性明顯高于對比例。

由此可見，實施例2具有與aar-c鋼車輪在強度、硬度相當的前提下，輪輞延伸率和斷裂韌性明顯提高，發(fā)明取得了預期效果。

實施例6

一種高強高塑性重載鐵路貨車車輪用鋼的生產方法，具體為：

將化學成分如表1實施例3的鋼水經過電爐煉鋼工序、lf爐精煉工序、rh真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠熱軋工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：首先將車輪隨爐升溫至830-860℃保溫2.5-3.0小時后，然后輪輞噴水冷卻(使輪輞內部金屬以2℃/s-5℃/s的冷卻速度加速冷卻到550℃以下)，最后在490±10℃回火處理4.0-5.0小時。

如圖3、圖4所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織與aar-c鋼車輪基本一致，均為細珠光體+少量鐵素體，但本實施例中鐵素體含量為2.32％，明顯高于對比例含量的1.22％。本實施例車輪機械性能如表2所示和表3所示，由表2可以看出實施例3和對比例aar-c鋼車輪輪輞強度、硬度相當，但其延伸率明顯高于后者。由表3可知，實施例3輪輞斷裂韌性明顯高于對比例。

由此可見，實施例3具有與aar-c鋼車輪在強度、硬度相當的前提下，輪輞延伸率和斷裂韌性明顯提高，發(fā)明取得了預期效果。

表2實施例1、2、3及aar-c鋼制造的車輪輪輞常規(guī)機械性能

表3實施例1、2、3及aar-c鋼制造的車輪輪輞斷裂韌性性能