[发明专利]新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺, 属于金属材料技术领域。

背景技术

铁路运输有着其它运输方法所不能比拟的优点。和其它运输方法相比，铁路运输的环境污染少，运输量大，节省能源。因此，各发达国家都在大力发展本国的铁路运输事业。车轮作为影响列车安全性的关键部件之一，在运转过程中，因支撑车体的重量或车轮制动会与铁轨产生摩擦而造成各种磨损和擦伤。当车轮制动时，除产生滑动摩擦以外，还会产生热裂纹。因此，对车轮用材料来说，既要求高强度、高硬度和耐磨性，又要求高的韧性和耐热性等多种性能的组合。随着列车的提速，在高速行驶时出现的各种影响安全性的问题(如车轮踏面的剥离、车轮的裂损等)尚未得到解决，现有车轮材料已经越来越不能满足要求。为满足列车高速行驶的安全性、可靠性需求，研制和开发新一代高速车轮材料有着重要意义。

从各国的标准来看，用于生产车轮的材料主要是中高碳钢，以Si、Mn为主要强化元素。欧洲各国早些年普遍采用的车轮材料是UIC812-3标准的R7钢，后来由于高速车轮在运行中不断出现剥离等种种问题，特别是1998年德国高速车轮断裂导致高速列车出轨多人死亡以后，欧洲各国加大了对新型高速列车用车轮钢的研究，重点研究在保证材料的强度和硬度降低不大的前提下，提高车轮钢的韧性。到目前为止,我国高速铁路用车轮100%依赖进口。韧性不足是高速车轮国产化最大的难点,因此,如何提高车轮钢的韧性,实现高速车轮国产化,是发展我国高速铁路的重要研究课题。在过去数十年中,车轮钢的材料研究主要集中在化学元素的合金化机理和提高钢质的洁净度等方面。

本项发明突破传统的车轮材料用钢，采用近年来发展的新兴铸铁材料温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron，简称 ADI）。它是通过等温淬火热处理和加入合金元素使球墨铸铁基体组织由铁素体、珠光体变为针状铁素体、富碳奥氏体等组织。ADI重量轻,成本低,能源消耗低,强度高,韧性好,具有优越的耐疲劳性,好的减震性,硬度高,特有的应变强化能力,具有优越的耐磨性。这些独特优点使它得到了各行业的设计工程师们瞩目并优先选用。

我国铁路上应用ADI新材料首先从重载货车走行部分的钭楔入手, 并扩大应用于铁路车辆转向架的各型号衬套、磨耗板、货车心盘。近几年, 又推广至内燃机车和电力机车转向架的各型号衬套、心盘以及内燃机车柴油机燃烧室重大部件—气缸套等摩擦部件上。

采用ADI车轮与通常采用的辗钢车轮和铸钢车轮相比，不仅能提高车轮材料的综合力学性能，延长使用寿命，而且能节约能源降低成本。由钢锭制成辗钢车轮一般要经过一次或几次加热和多次碾轧，比直接铸造车轮消耗更多的热能和碾轧成本，但铸钢车轮与辗钢车轮相比其塑性、密实度指标较低，铸钢车轮的重量比辗钢车轮重15%左右。ADI车轮则可以兼顾以上两种材料的优势，避免了它们的劣势，ADI材料的生产由球墨铸铁的铸造和等温淬火热处理两部分工艺组成，铸件较好的铸造性和生产的灵活性使得更易设计最优的零件，ADI因为含有球状石墨，同样尺寸的零件一般较钢件轻10%，同时保证较高的强度，材料轻而坚固，能满足产品轻量化的要求，降低列车运行能耗。

ADI作为列车车轮材料的应用在各个国家得到了很高的关注，但目前还未有大量投入使用的实例，ADI在列车车轮上的应用目前还处在研究阶段，芬兰国家铁路公司在使用ADI车轮方面具有一定的经验，从车轮的试验中可以看到其寿命成本降低了30%，然而，ADI车轮在芬兰国家铁路的使用仍然没有较大突破。德国Bahn研究与技术中心致力于对ADI在铁路系统中可行性试验研究，但是还未见投入实际运用的报道。但是基于ADI材料的优越性能，它被认为是一种有望代替辗钢、铸钢用于铁路列车车轮制造的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型奥贝球铁火车轮材料合金及其冶炼工艺， 解决现有辗钢和铸钢列车车轮还存在的一些不足，通过本发明实现在保证相应强度和硬度性能指标下，提高材料的韧性，并且有利于耐磨减震降噪，提高列车运行的安全可靠性，延长轮轨使用寿命，节约大量原材料和检修费用，每年可为国家节省数亿元。