[發明專利]一種中碳的鈮釩微合金化高速車輪鋼及車輪制備方法

在審

• 申請號: 202010734776.1
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111961963A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 趙海;江波;丁毅;劉學華;張明如
• 申請（專利權）人: 馬鞍山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: C22C38/02
• 分類號: C22C38/02;C22C38/04;C22C38/12;C21D1/18;C21D9/34
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 王亞軍

本發明公開了一種中碳的鈮釩微合金化高速車輪鋼及車輪制備方法，屬于鐵路車輪制備領域。針對現有技術中高速車輪鋼適應性能差、強度與硬度較低的問題，本發明提供一種中碳的鈮釩微合金化高速車輪鋼，它包括如下重量百分比的各組分：C：0.52?0.56％，Si：0.15?0.40％，Mn：0.50?0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Nb：0.01?0.03％，V：0.10?0.20％，其余為Fe和不可避免的雜質元素。本發明通過添加Nb、V元素，形成一種全新的成分設計體系，并通過匹配相應的熱處理工藝，使車輪在韌性指標不降低的前提下，強度、硬度水平較ER8車輪提高5％以上，抗接觸疲勞性能、磨損性能也有所提高，使其適應性能較強。

技術領域

本發明屬于鐵路車輪制備技術領域，更具體地說，涉及一種中碳的鈮釩微合金化高速車輪鋼及車輪制備方法。

背景技術

我國的高速鐵路發展取得了舉世矚目的成就，高速列車關鍵零部件也實現自主創新。目前，我國高速車輪主要是歐洲標準EN13262中的ER8車輪，該材質車輪為中碳碳素鋼，具備較高的斷裂韌性(≥70MPa·m^1/2)，確保服役安全。ER8車輪的組織為少量不連續的網狀鐵素體+片狀珠光體，其中鐵素體是軟相，韌性好，屈服強度低，珠光體強度較高，但韌性較差，兩者含量的匹配關系決定著材料的最終性能。ER8車輪的輪輞屈服強度一般不超過600MPa，車輪在高速運行時輪軌間的滾動接觸應力大而且交替變化，使得車輪輪輞踏面次表面在運行過程中產生塑性變形，又因為鋼中存在夾雜物、滲碳體等脆性相，容易導致輪輞萌生微細裂紋，這些微細裂紋在車輪運行滾動接觸疲勞的作用下，產生剝離等傷損。ER8車輪的硬度一般不超過265HB相對偏低，列車高速運動過程中產生有規律的振動、伴隨著車輪的磨損，就會產生車輪的多邊形。從高速車輪發生多邊形的概率和車輪硬度統計結果來看，硬度提升能夠降低多邊形的發生，可見，提高硬度水平可改善車輪服役性能。另外，從輪軌硬度匹配的關系來看，車輪硬度不能高于鋼軌硬度。當然，一般情況下，硬度提高后，材料的屈服強度和抗拉強度也相應提高，能夠減少車輪在輪軌接觸應力下表層的塑性變形的作用，從而減少微細裂紋的萌生源頭。但是，強度和硬度的提高，勢必帶來韌性指標的降低，影響車輛運行風險。同時歐洲的高速鐵路線路相對單一、持續高速運行時間相對較短、氣候條件無明顯變化，ER8車輪表現出較好的服役性能。我國高速鐵路線路長、列車長時間處于高速運行、南北溫差大、東西服役條件變化大，導致ER8車輪服役出現明顯的不適應性，尤其是時速300公里的高速列車，車輪踏面剝離、多變化等傷損問題較多，這大大增加了車輪的檢修頻次、降低了車輪的使用壽命、提高了綜合成本。

通過幾十年的研究，碳素鋼車輪的綜合性能基本已發揮到極限水平，很難通過熱處理工藝的優化再進一步改進。添加其他元素及合金化成為提高車輪性能最直接有效的方法。北美AAR M107/M208標準中，將Si含量的上線放至1.0％，明顯高于碳素鋼的0.40％，這主要是因為AAR M107/M208中規定的主要是用于貨車的車輪，這些車輪采用閘瓦制動，車輪踏面容易生熱產生熱裂紋，Si的加入提高了材料相變點，減少了熱裂紋的生產。俄羅斯等12個國家標準GOST 10791則是把V含量的上線放至0.15％，發揮V的強化和晶粒細化作用，提高車輪的綜合性能。因此，結合我國高速鐵路特點，在ER8車輪成分設計和性能指標基礎上，通過添加合金元素實現成分創新和性能提升，對實現具備自主知識產權的高速車輪產品意義重大。

針對上述問題也進行了相應的改進，如中國專利申請號CN201310736261.5，公開日為2014年4月23日，該專利公開了一種提高斷裂韌性的鐵路機車用中碳鋼車輪鋼及車輪制備方法，其化學成分重量百分比為：C0.46～0.53％、Si0.20～0.37％、Mn0.70～0.85％、Ni0.10～0.25％、Cr0.24～0.32％，Als0.020～0.040％、P≤0.008％、S≤0.008％，其余為Fe和不可避免的雜質元素，熱處理工序為：將軋制、粗加工后的車輪隨爐升溫至860～880℃，保溫3～3.5h后出爐空冷至室溫；再將車輪隨爐升溫至840～860℃，保溫4h后，出爐噴水冷卻400s；然后放入480～500℃爐中，保溫5h后，出爐空冷。