[发明专利]提高韧性的铁路机车用高碳低合金车轮钢及车轮制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铁路车轮用钢及其热处理方法，尤其涉及一种单轴功率≥1200KW、轴重≤25t、运行速度≤120km/h的提高韧性的铁路机车用高碳低合金车轮钢及车轮制备方法。

背景技术

我国现有铁路里程占世界铁路总里程的6%，却完成了世界铁路1/4的工作量，铁路货运量、客运周转量、运输密度均居世界第一。随着我国铁路货运需求不断加大，铁路货运能力远远不能满足要求，已经成为国民经济快速发展的重要制约瓶颈之一。

解决货运能力的当务之急是重载运输，这也是世界铁道运输的必然趋势。为此，在目前铁路资源条件下，我国逐步引进了世界上最先进的单轴功率1200KW和1600KW大功率机车制造技术，通过增加列车编组长度以实现提高运输能力的目的。经过消化吸收再创新，目前国产大功率机车已批量下线并投入运用，但就大功率机车走行部而言，尤其是车轮这类关键零部件尚未实现国产化。过分依靠国外引进技术和产品，特别是轴功率1200KW和1600KW大功率机车系列关键零部件用材料缺乏技术储备，将会对铁路检修资源配置产生不利影响，降低大功率机车检修质量和使用效率。因此，加快开发具有我国独立知识产权的大功率机车车轮产品，对于推进铁路技术装备创新发展，推动国民经济的进一步发展具有重要意义。

从实物质量角度讲，对于高碳低合金铁路机车用车轮钢来说，易于获得高强度、高硬度，但获得高韧性的难度较大，从使用角度看，由于机车车轮辐板上均需加工安装孔以满足装配的需要，而高含碳量车轮钢强度高、裂纹敏感性大，因此，降低辐板强度、提高辐板韧性对于确保高碳低合金钢车轮的使用安全性具有重要意义。

而从生产角度看，采取常规热处理方式的机车车轮，辐板处于正火状态，其强韧性指标受环境温度变化的影响较大，特别是在冬季，随着环境温度的降低（冷却速度增加），辐板强度性能明显增加、韧性指标明显下降，使用安全性必将会受到影响。

因此，如何在保持高碳钢车轮轮辋性能水平不变的前提下，有效提高车轮辐板的冲击韧性，降低辐板强度是目前急需解决的一个重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高韧性的铁路机车用高碳低合金车轮钢及车轮制备方法，在保持高碳钢车轮轮辋性能水平不变的前提下，有效提高车轮辐板的冲击韧性，降低辐板强度。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：提高韧性的铁路机车用高碳低合金车轮钢，其化学成分重量百分比为：C0.56～0.66%、Si0.95～1.20%、Mn0.95～1.20%、Cr0.30～0.40%、Als0.015～0.030%、P≤0.015%、S≤0.015%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

一种提高韧性的铁路机车用高碳低合金车轮钢的车轮制备方法，在机车车轮经轧制和缓冷后进行热处理，所述热处理工序为：加热到850-870℃并保温2.5h-3.5h；然后在车轮轮毂、辐板表面单侧或双侧覆盖耐火石棉进行保护后喷水冷却至常温；去除耐火石棉，对车轮重新加热至510-520℃进行回火处理。

所述耐火石棉厚度为20mm。

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，具有最好的韧性，因此，本发明的车轮用钢应具有铁素体-珠光体组织状态。

C对强、硬度贡献最大，随着碳含量的提高，将会明显提高车轮轮辋强度硬度指标，改善车轮轮辋的强度，但其含量过高将降低车轮轮辋的韧性和塑性，因此本发明将C的范围确定为0.58-0.70%之间。

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，本发明重点对车轮钢中的Si、Mn、Cr、Als含量进行了设计。

由化学成分与Ac1、Ac3点的关系看，提高Si含量使车轮受热、冷却时不易发生奥氏体相变、马氏体转变，有助于改善车轮材料抗热损伤性能，但过高的Si会增加材料的热敏感性和脆性。因此本发明将Si的范围确定为0.95-1.20%之间。

Mn是重要的强化元素，能够有效提高车轮强度硬度性能，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0.95～1.20%之间。

Cr是次要的固溶强化元素，能够有效提高工件强硬度性能，但是从Cr元素对完全珠光体临界冷却速度的影响规律看，为使铁素体-珠光体组织易于获得，Cr含量应该控制在0.30-0.40％。

Als可以通过细化晶粒以使车轮获得较好的塑性和韧性，故Als含量控制在0.015-0.030%之间。