[发明专利]一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法

说明书

技术领域

本发明属于铁路车轮用钢技术领域，涉及一种具有高强度和高韧性的重载列车车轮用钢及其制备方法。

背景技术

车轮是铁道和轨道交通车辆用钢的重要产品品种，是保证车辆安全运行的核心部件之一。然而，随着近几年中国轨道交通行业的迅猛发展，特别是随着我国轨道交通客运高速化以及货运重载化，车轮服役环境恶化，各种隐患问题凸显并日趋严重。车轮的磨损、疲劳都会导致车轮材料的失效，带来极大的安全隐患。目前广泛使用的重载车轮大多数为中高碳碳素钢，Mn、Si、Cr含量都较低。正在研发或初步应用的重载车轮已经开始采用高Si设计。本发明发展了一种铝合金化超高碳车轮用钢，辅以Nb或Nb-V微合金化，采用一定的热处理工艺方法，获得超高强度和良好的韧性，可以满足重载车轮使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢及其热处理方法。在化学成分上，采用超高C、高Al、Nb或Nb-V微合金化的成分设计，并结合一定的热处理工艺方法，获得超细片层珠光体组织，具有超高强度和良好的韧性和延伸率等综合力学性能，能满足于高速列车使用。

本发明的技术方案如下：

一种超高强度铝合金化超高碳车轮用钢，化学成分C：0.90～1.20wt.％、Si：0.20～0.40wt.％、Mn：0.30～0.80wt.％、Al：3～5wt.％、Nb：0.01～0.03wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

优选地，化学成分C：0.90～0.98wt.％、Si：0.20～0.31wt.％、Mn：0.30～0.55wt.％、Al：3～4.2wt.％、Nb：0.01～0.02wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

优选地，化学成分C：1.00～1.20wt.％、Si：0.34～0.40wt.％、Mn：0.66～0.80wt.％、Al：4.35～5wt.％、Nb：0.025～0.03wt.％、V：<0.06wt.％、P：<0.015wt.％、S：<0.015wt.％，余量为Fe和不可避免的杂质，均为重量百分数。

进一步地，提供一种制造上述高强度铝合金化超高碳车轮用钢的热处理方法，制备车轮，将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热，加热温度为820-900℃，保温时间为1-2小时，出炉后采用踏面喷雾冷却的方式，控制踏面冷却速度为3-8℃/s，连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温，然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理，回火温度为500-520℃，保温时间为1-2小时，回火后空冷到室温。

优选地，所述制备车轮包括以下步骤，超高强度铝合金化超高碳车轮用钢采用真空感应冶炼，然后模铸，铸坯开坯后进行车轮锻轧，加热温度为1250-1300℃，锻轧后空冷。

优选地，将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热，加热温度为820-850℃，保温时间为1.5-2小时，出炉后采用踏面喷雾冷却的方式，控制踏面冷却速度为6-8℃/s，连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温，然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理，回火温度为500-505℃，保温时间为1.5-2小时，回火后空冷到室温。

优选地，将车轮装入真空炉或气氛保护炉中加热，加热温度为860-900℃，保温时间为1-1.5小时，出炉后采用踏面喷雾冷却的方式，控制踏面冷却速度为3-5℃/s，连续冷却至400℃以下后进行空冷至室温，然后在真空炉或气氛保护炉中进行回火处理，回火温度为510-520℃，保温时间为1-1.5小时，回火后空冷到室温。

优选地，热处理后轮辋进行标准拉伸试验位置的组织为全片层珠光体组织，珠光体团尺寸2-5μm，珠光体片层间距0.04-0.08μm。

本发明各元素的作用及配比依据如下：

碳：C是关系车轮钢强韧性、耐磨性等的主要元素。随着含C量的提高，强度提高，耐磨性提高，韧性和抗热损伤性能降低。但是，重载车轮最关键的指标是高耐磨性，因此本发明钢的碳含量采用超高C成分设计以保证高强度、高硬度，碳含量定为0.90～1.20wt.％。在此碳含量范围下的碳素钢本质上为过共析钢，很容易出现网状渗碳体。如何采用新颖的成分设计、避免网状渗碳体是本发明要解决的主要问题之一。