[发明专利]一种高强度、高韧性、抗热裂轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于钢的化学成分设计和车轮制造的领域，具体涉及一种高强度、高韧性、抗热裂轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法，以及轨道交通其它零部件和类似部件的钢种设计和生产制造方法。

背景技术

“高速、重载和低噪声”是世界轨道交通的主要发展方向，车轮是轨道交通的“鞋子”，是最重要行走部件之一，直接影响运行的安全。在列车正常运行过程中，车轮承受着车辆全部载重量，受到磨损和滚动接触疲劳(RCF)的损伤，同时，更重要的是它与钢轨、闸瓦、车轴，以及周围介质有着非常复杂的作用关系，处在动态的、交替变化的应力状态中，特别是车轮与钢轨、车轮与制动闸瓦(盘式制动除外)是两对时刻存在的、不可忽视的摩擦副；在紧急情况或者特殊道路运行时，制动热损伤、擦伤则非常显著，产生热疲劳，也影响着车轮安全和使用寿命。

轨道交通，在车轮满足基本强度的情况下，特别关注车轮的韧性指标，确保安全性和可靠性，货运用车轮磨损和滚动接触疲劳(RCF)损伤大，而且是踏面制动，热疲劳损伤也大，产生剥离、剥落和辋裂等缺陷。客运用车轮更加关注车轮的韧性和低温韧性，由于客运采用盘式制动，制动热疲劳减轻。

目前，国内外轨道交通用车轮钢，例如中国车轮标准GB/T8601、TB/T2817，欧洲车轮标准EN13262，日本车轮标准JRS和JIS B5402，以及北美车轮标准AAR M107等等，都是中高碳碳素钢或者中高碳微合金化钢，其金相组织都是珠光体-铁素体组织。CL60钢车轮是我国目前轨道交通车辆(客运与货运)主要使用的辗钢车轮钢，BZ-L是我国目前轨道交通车辆(货运)主要使用的铸钢车轮钢，它们的金相组织都是珠光体-铁素体组织。

车轮各部位名称示意图见图1，CL60钢主要技术指标要求见表1。

表1 CL60车轮主要技术要求

生产制造过程中，要保证车轮材质优良，钢中有害气体和有害残余元素含量低。车轮在高温状态下，轮辋踏面经过喷水强化冷却，进一步提高轮辋的强度和硬度；辐板和轮毂相当于正火热处理，从而达到轮辋有高的强度和韧性的匹配，辐板有高的韧性，最终实现车轮有优良的综合力学性能和服役使用性能。

在珠光体-少量铁素体车轮钢中，铁素体是材料中软相，韧性好，屈服强度低，因其较软所以抗滚动接触疲劳(RCF)性能差。通常，铁素体含量越高，钢的冲击韧性越好；与铁素体相比，珠光体强度较高，韧性较差，因此冲击性能较差。轨道交通的发展方向是高速、重载化，车轮运行时承受的载荷将大幅增加，现有珠光体-少量铁素体材质车轮在运行服役过程中暴露的问题越来越多，主要有以下几个方面不足：

(1)轮辋屈服强度低，一般不超过600MPa，因车轮在运行时轮轨间的滚动接触应力较大，有时超过车轮钢的屈服强度，使得车轮在运行过程当中产生塑性变形，导致踏面次表面发生塑性变形，又因为钢中存在夹杂物、渗碳体等脆性相，容易导致轮辋萌生微细裂纹，这些微细裂纹在车轮运行滚动接触疲劳的作用下，产生剥离、辋裂等缺陷。

(2)钢中含碳量高，抗热损伤能力差。当采用踏面制动或者车轮滑行时出现擦伤时，车轮局部瞬间升温至钢的奥氏体化温度，随后激冷，产生马氏体，如此反复热疲劳，形成制动热裂纹，产生剥落、掉块等缺陷。

(3)车轮钢淬透性差。车轮轮辋存在一定的硬度梯度，硬度不均匀，容易产生轮缘磨耗与失圆等缺陷。

随着贝氏体钢相变研究的发展与突破，尤其是无碳化物贝氏体钢的理论和应用研究，可以实现高强度、高韧性的良好匹配。无碳化物贝氏体钢具有理想的显微组织结构，也具有优良的力学性能，其精细显微组织结构为无碳化物贝氏体，也就是，纳米尺度的板条状过饱和铁素体，中间为纳米尺度的薄膜状富碳残余奥氏体，从而提高钢的强度和韧性，特别提高钢的屈服强度和冲击韧性与断裂韧性，降低钢的缺口敏感性。因此，贝氏体钢车轮有效增强车轮的抗滚动接触疲劳(RCF)性能，减少车轮剥离和剥落等现象，提高车轮的安全性能和使用性能。由于贝氏体钢车轮的含碳量低，改善车轮的热疲劳性能，防止轮辋热裂纹的产生，减少车轮的镟修次数和镟修量，提高轮辋金属的使用效率，提高车轮使用寿命。