[发明专利]一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法

说明书

本发明提供了一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法，其化学成分重量百分比为：C 0.49‑0.53％、Si 0.20‑0.37％、Mn 0.80‑0.90％、Cr 0.15‑0.20％、V 0.10‑0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N 60×10^‑4‑90×10^‑4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。与现有技术相比，本发明控制元素含量，配合处理工艺，相比ER8材质高速车轮钢，在轮辋机械性能水平基本相当的条件下，能够显著提高车轮辐板疲劳极限，从而有效增强了车轮的抗疲劳断裂能力，车轮设计安全冗余更大。

技术领域

本发明属于铁路车轮用钢及其热处理方法，具体涉及一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法。尤其是指运行速度200km/h以上的高速车轮钢及其制备方法。

背景技术

铁路用车轮属机械结构件，辐板结构设计和辐板材料强度一直是重点关注的方面，一旦因辐板结构设计不良、材料疲劳极限偏低，易发生车轮辐板断裂事故。

一直以来，国外采用数值仿真在持续不断的进行辐板结构的设计优化工作，但是，材料的疲劳极限也是防止构件裂纹萌生、抵抗裂纹失稳扩展能力的重要性能指标之一。

材料疲劳极限是材料本身所固有的力学性能，由材料的成分，组织状态决定。而且，若对同一成分的材料，如采用不同的生产制造工艺，也会对材料的疲劳极限产生影响。

随着我国200km/h以上高速动车组的开行，对于作为关键行走部件的车轮来说，一方面，由于需要在车轮辐板上加工工艺孔以安装制动盘，所以采用了直辐板设计，对车轮辐板材料的抗疲劳断裂能力提出了更高要求，另一方面，在高速运行条件下，车轮的使用条件发生了显著变化，在制动或滑动过程中会产生巨大的热输入，热输入也会降低车轮轮辋、辐板的抗疲劳断裂能力。

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，后续需要进行喷水冷却+回火处理，其性能指标是由回火温度决定的，也就是说，高速运行的车轮，在制动或滑动过程中产生的巨大热输入，一旦超过车轮出厂前的回火温度，会降低车轮的疲劳极限。

因此，从设计安全角度出发，对车轮材料的抗裂纹萌生和抗裂纹扩展能力提出了越来越高的要求，需要在车轮结构设计、成分设计一定的条件下，通过提高材料在较高温度条件下的疲劳极限，以实现进一步提高车轮的抗疲劳断裂能力的目的，提高车轮在实际运用过程中的安全冗余。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮及其制备方法，控制元素含量，配合高的热处理回火温度制度，相比ER8材质高速车轮钢，在轮辋机械性能水平基本相当的条件下，能够显著提高车轮辐板疲劳极限，从而有效增强了车轮的抗疲劳断裂能力，车轮设计安全冗余更大。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供的一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮，其化学成分重量百分比为：C 0.49-0.53％、Si 0.20-0.37％、Mn 0.80-0.90％、Cr 0.15-0.20％、V 0.10-0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％、N 60×10^-4-90×10^-4％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明提供的一种有效提高辐板疲劳极限的高速铁路车轮的制备方法，包括电炉冶炼连铸工序、切锭轧制工序和热处理工序；所述的热处理工序为：首先在870-890℃保温2.0-2.5小时后，轮辋喷水冷却，然后在550-560℃高温回火处理5.0小时。

优选的，所述轮辋喷水冷却具体为：使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到530℃以下。