本發明專利技術公開了一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪及其制造方法，含有：碳C：0.15～0.45％，硅Si：1.00～2.50％，錳Mn：1.20～3.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的殘余元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。與現有技術相比，通過合金設計和制造工藝，特別是熱處理工藝和技術，車輪輪輞獲得無碳化物貝氏體組織結構；輻板、輪轂獲得粒狀貝氏體和過飽和鐵素體組織結構及少量珠光體，車輪具有高的綜合力學性能；不特別添加Mo、Ni、V、Cr和B等合金元素，充分利用熱處理工藝和技術，大幅度降低鋼的成本，實現精節生產。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鋼的制造領域，具體涉及一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪及其制造方法，通過低成本精節生產實現軌道交通用貝氏體鋼車輪，以及其它類似部件的鋼種設計和生產制造方法。
技術介紹
“高速、重載和低噪聲”是世界軌道交通的主要發展方向，車輪是軌道交通的“鞋子”，是最重要行走部件之一，直接影響運行的安全。在列車正常運行過程中，車輪承受著車輛全部載重量，受到磨損和滾動接觸疲勞(RCF)的損傷，同時，更重要的是，它與鋼軌、閘瓦、車軸，以及周圍介質有著非常復雜的作用關系，處在動態的、交替變化的應力狀態中。特別是車輪與鋼軌、車輪與制動閘瓦(盤式制動除外)是兩對時刻存在的、不可忽視的摩擦副；在緊急情況或者特殊道路運行時，制動熱損傷、擦傷則非常顯著，產生熱疲勞，也影響著車輪安全和使用壽命。貨運重載軌道交通，在車輪滿足基本強度的情況下，特別關注車輪的韌性指標，確保安全性和可靠性，貨運用車輪磨損和滾動接觸疲勞(RCF)損傷大，而且是踏面制動，熱疲勞損傷也大，產生剝離、剝落和輞裂等缺陷。目前，國內外軌道交通用車輪鋼，例如中國車輪標準GB/T8601、TB/T2817，歐洲車輪標準EN13262，日本車輪標準JRS和JIS B5402，以及北美車輪標準AAR M107等等，都是中高碳碳素鋼或者中高碳微合金化鋼，其金相組織都是珠光體-鐵素體組織。CL60鋼車輪是我國目前軌道交通車輛(客運與貨運)主要使用的輾鋼車輪鋼，BZ-L是我國目前軌道交通車輛(貨運)主要使用的鑄鋼車輪鋼，它們的金相組織都是珠光體-鐵素體組織。車輪各部位名稱示意圖見圖1，CL60鋼主要技術指標要求見下表1。表1CL60車輪主要技術要求生產制造過程中，要保證車輪材質優良，鋼中有害氣體和有害殘余元素含量低。車輪在高溫狀態下，輪輞踏面經過噴水強化冷卻，進一步提高輪輞的強度和硬度；輻板和輪轂相當于正火熱處理，從而達到輪輞有高的強度和韌性的匹配，輻板有高的韌性，最終實現車輪有優良的綜合力學性能和服役使用性能。在珠光體-少量鐵素體車輪鋼中，鐵素體是材料中軟相，韌性好，屈服強度低，因其較軟所以抗滾動接觸疲勞(RCF)性能差。通常，鐵素體含量越高，鋼的沖擊韌性越好；與鐵素體相比，珠光體強度較高，韌性較差，因此沖擊性能較差。軌道交通的發展方向是高速、重載化，車輪運行時承受的載荷將大幅增加，現有珠光體-少量鐵素體材質車輪在運行服役過程中暴露的問題越來越多，主要有以下幾個方面不足：(1)輪輞屈服強度低，一般不超過600MPa，因車輪在運行時輪軌間的滾動接觸應力較大，有時超過車輪鋼的屈服強度，使得車輪在運行過程當中產生塑性變形，導致踏面次表面發生塑性變形，又因為鋼中存在夾雜物、滲碳體等脆性相，容易導致輪輞萌生微細裂紋，這些微細裂紋在車輪運行滾動接觸疲勞的作用下，產生剝離、輞裂等缺陷。(2)鋼中含碳量高，抗熱損傷能力差，當采用踏面制動或者車輪滑行時出現擦傷時，車輪局部瞬間升溫至鋼的奧氏體化溫度，隨后激冷，產生馬氏體，如此反復熱疲勞，形成制動熱裂紋，產生剝落、掉塊等缺陷。(3)車輪鋼淬透性差，車輪輪輞存在一定的硬度梯度，硬度不均勻，容易產生輪緣磨耗與失圓等缺陷。隨著貝氏體鋼相變研究的發展與突破，尤其是無碳化物貝氏體鋼的理論和應用研究，可以實現高強度、高韌性的良好匹配。無碳化物貝氏體鋼具有理想的顯微組織結構，也具有優良的力學性能，其精細顯微組織結構為無碳化物貝氏體，也就是，納米尺度的板條狀過飽和鐵素體，中間為納米尺度的薄膜狀富碳殘余奧氏體，從而提高鋼的強度和韌性，特別提高鋼的屈服強度和沖擊韌性與斷裂韌性，降低鋼的缺口敏感性。因此，貝氏體鋼車輪有效增強車輪的抗滾動接觸疲勞(RCF)性能，減少車輪剝離和剝落等現象，提高車輪的安全性能和使用性能。由于貝氏體鋼車輪的含碳量低，改善車輪的熱疲勞性能，防止輪輞熱裂紋的產生，減少車輪的鏇修次數和鏇修量，提高輪輞金屬的使用效率，提高車輪使用壽命。公開日為2006年7月12日，公開號為CN 1800427A的中國專利“鐵道車輛車輪用貝氏體鋼”公開的鋼的化學成份范圍(wt％)為：碳C：0.08-0.45％，硅Si：0.60-2.10％，錳Mn：0.60-2.10％，鉬Mo：0.08-0.60％，鎳Ni：0.00-2.10％，鉻Cr：＜0.25％，釩V：0.00-0.20％，銅Cu：0.00-1.00％。該貝氏體鋼的典型組織為無碳化物貝氏體，其具有優異的強韌性，低的缺口敏感性，良好的抗熱裂性能。Mo元素的加入能增加鋼的淬透性，但對于大截面車輪，生產控制難度大，且成本較高。英國鋼鐵有限公司專利CN1059239C公開了一種貝氏體鋼及其生產工藝，該鋼種的化學成份范圍(wt％)為：碳C：0.05-0.50％，硅Si和/或鋁Al：1.00-3.00％，錳Mn：0.50-2.50％，鉻Cr：0.25-2.50％。該貝氏體鋼的典型組織為無碳化物貝氏體，其具有高的耐磨性和抗滾壓接觸疲勞性能。該鋼種雖具有良好的強韌性，但鋼軌截面較簡單，且20℃的沖擊韌性性能不高，而且鋼種成本高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，通過成分設計為Si-Mn-RE系，不特別添加Mo、Ni、V、Cr和B等合金元素，充分利用制造技術，特別是熱處理工藝和技術，大幅度降低鋼的成本，實現精節生產。本專利技術還提供了一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪的制造方法，創新熱處理工藝，使輪輞典型組織為無碳化物貝氏體，獲得優良的綜合性能。本專利技術提供的一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，含有以下重量百分比的元素：碳C：0.15～0.45％，硅Si：1.00～2.50％，錳Mn：1.20～3.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的殘余元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。優選的，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，含有以下重量百分比的元素：碳C：0.19～0.28％，硅Si：1.40～1.90％，錳Mn：1.50～2.20％，稀土RE：0.020～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。更優選的，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，含有以下重量百分比的元素：碳C：0.25％，硅Si：1.55％，錳Mn：1.68％，稀土RE：0.037％，磷P：0.007％，硫S：0.010％，其余為鐵和不可避免的殘余元素。所得到的車輪顯微組織為：車輪輪輞踏面下40毫米內金相組織為無碳化物貝氏體組織，即為納米尺度的板條狀過飽和鐵素體，板條狀過飽和鐵素體中間為納米尺度的薄膜狀富碳殘余奧氏體，其中殘余奧氏體體積百分數為4％～15％；納米尺度是指1納米至999納米的長度。本專利技術提供的車輪可以用于貨車車輪，以及軌道交通其它零部件及類似部件的生產。本專利技術提供的一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪的制造方法，包括冶煉、精煉、成型和熱處理工藝；冶煉、精煉和成型工藝利用現有技術，其熱處理工藝為：將成型車輪加熱至奧氏體化溫度，輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，回火處理。所述加熱至奧氏體化溫度具體為：加熱至8本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，其特征在于，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪含有以下重量百分比的元素：碳C：0.15～0.45％，硅Si：1.00～2.50％，錳Mn：1.20～3.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的殘余元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。
【技術特征摘要】
1.一種低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，其特征在于，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪含有以下重量百分比的元素：碳C：0.15～0.45％，硅Si：1.00～2.50％，錳Mn：1.20～3.00％，稀土RE：0.001～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的殘余元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。2.根據權利要求1所述的低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，其特征在于，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪含有以下重量百分比的元素：碳C：0.19～0.28％，硅Si：1.40～1.90％，錳Mn：1.50～2.20％，稀土RE：0.020～0.040％，磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的元素；且3.00％≤Si+Mn≤5.00％。3.根據權利要求1或2所述的低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，其特征在于，所述低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪含有以下重量百分比的元素：碳C：0.25％，硅Si：1.55％，錳Mn：1.68％，稀土RE：0.037％，磷P：0.007％，硫S：0.010％，其余為鐵和不可避免的殘余元素。4.根據權利要求1-3任一項所述的低成本精節生產的軌道交通用貝氏體鋼車輪，其特征在于，所述車輪輪輞踏面下40毫米內金相組織為無碳化物貝氏體組織，即為納米尺度的板條狀過飽和鐵素體，板條狀過飽和鐵素體中間為納米尺度的薄膜狀富碳殘余奧氏...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張明如，趙海，方政，張峰，鄧榮杰，孫曼麗，
申請(專利權)人：馬鋼集團控股有限公司，馬鞍山鋼鐵股份有限公司，
類型：發明
國別省市：安徽;34
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