本發(fā)明屬于鋼的化學(xué)成分設(shè)計和車輪制造的領(lǐng)域，具體涉及一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪及其制造方法，以及軌道交通其它零部件和類似部件的鋼種設(shè)計和生產(chǎn)制造方法。

背景技術(shù)：

“高速、重載和低噪聲”是世界軌道交通的主要發(fā)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(zhì)有著非常復(fù)雜的作用關(guān)系，處在動態(tài)的、交替變化的應(yīng)力狀態(tài)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(chǎn)生熱疲勞，也影響著車輪安全和使用壽命。

軌道交通，在車輪滿足基本強度的情況下，特別關(guān)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(chǎn)生剝離、剝落和輞裂等缺陷?？瓦\用車輪更加關(guān)注車輪的韌性和低溫韌性，由于客運采用盤式制動，制動熱疲勞減輕。

目前，國內(nèi)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(shù)指標要求見表1。

表1 CL60車輪主要技術(shù)要求

生產(chǎn)制造過程中，要保證車輪材質(zhì)優(yōu)良，鋼中有害氣體和有害殘余元素含量低。車輪在高溫狀態(tài)下，輪輞踏面經(jīng)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(xiàn)車輪有優(yōu)良的綜合力學(xué)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?jié)L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(fā)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(xiàn)有珠光體-少量鐵素體材質(zhì)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(yīng)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(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致踏面次表面發(fā)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(dǎo)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生馬氏體，如此反復(fù)熱疲勞，形成制動熱裂紋，產(chǎn)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(chǎn)生輪緣磨耗與失圓等缺陷。

隨著貝氏體鋼相變研究的發(fā)展與突破，尤其是無碳化物貝氏體鋼的理論和應(yīng)用研究，可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，也具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其精細顯微組織結(jié)構(gòu)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?jié)L動接觸疲勞(RCF)性能，減少車輪剝離和剝落等現(xiàn)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(chǎn)生，減少車輪的鏇修次數(shù)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(xué)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)工藝，該鋼種的化學(xué)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?jié)L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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪，化學(xué)成分采用C-Si-Mn-Cu-Ni-B系，不特別添加Mo、V和Cr等合金元素，使輪輞典型組織為無碳化物貝氏體。

本發(fā)明還提供了一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪的制造方法，使車輪獲得良好的綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)控制容易。

本發(fā)明提供的一種高強度、高韌性、抗熱裂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：0.10～0.40％，硅Si：1.00～2.00％，錳Mn：1.00～2.50％，

銅Cu：0.20～1.00％，硼B(yǎng)：0.0001～0.035％，鎳Ni：0.10～1.00％，

磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和不可避免的殘余元素；

且1.50％≤Si+Ni≤3.00％，1.50％≤Mn+Ni+Cu≤3.00％。

Si和Ni總含量低于1.5％時，鋼中易形成碳化物，不利于獲得具有良好強韌性的無碳化物貝氏體組織，而且，鋼中含Cu，容易產(chǎn)生Cu致熱裂紋；Si和Ni總含量高于3.0％時，無法有效發(fā)揮元素作用，且會增加成本。

優(yōu)選的，所述高強度、高韌性、抗熱裂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：0.15～0.25％，硅Si：1.40～1.80％，錳Mn：1.40～2.00％，

銅Cu：0.20～0.80％，硼B(yǎng)：0.0003～0.005％，鎳Ni：0.10～0.60％，

磷P≤0.020％，硫S≤0.020％，其余為鐵和殘余元素，且1.50％≤Si+Ni≤3.00％，1.50％≤Mn+Ni+Cu≤3.00％。

更優(yōu)選的，所述高強度、高韌性、抗熱裂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：0.18％，硅Si：1.63％，錳Mn：1.95％，銅Cu：0.21％，硼B(yǎng)：0.001％，鎳Ni：0.18％，磷P：0.012％，硫S：0.008％，其余為鐵和不可避免的殘余元素。

所述貝氏體鋼車輪顯微組織為：輪輞踏面下40毫米內(nèi)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(shù)為4％～15％；輪輞顯微組織為過飽和鐵素體與富碳的殘余奧氏體所組成的復(fù)相結(jié)構(gòu)，其尺寸大小為納米尺度，納米尺度為1納米至999納米的長度。

本發(fā)明提供的車輪可以用于貨車車輪和客車車輪，以及軌道交通其它零部件及類似部件的生產(chǎn)。

本發(fā)明提供的高強度、高韌性、抗熱裂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(xiàn)有技術(shù)，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860-930℃保溫2.0-2.5小時。所述回火處理為：車輪小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫；或輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，空冷至室溫，期間利用輻板、輪轂的余熱自回火。

熱處理工藝還可以為：利用成型后高溫余熱，直接將成型車輪輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，回火處理。所述回火處理為：車輪小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫；或輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，空冷至室溫，期間利用輻板、輪轂的余熱自回火。

熱處理工藝還可以為：車輪成型后，車輪空冷至400℃以下，回火處理。回火處理為：車輪小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫；或空冷至400℃以下，空冷至室溫，期間利用輻板、輪轂的余熱自回火。

具體為，所述熱處理工序為以下方式中任意一種：

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，空冷至室溫，期間利用輻板、輪轂的余熱自回火；

或，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，小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫。

所述加熱至奧氏體化溫度具體為：加熱至860-930℃保溫2.0-2.5小時。

或，利用車輪成型后高溫余熱，輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，空冷至室溫，期間利用輻板、輪轂的余熱自回火；

或，利用車輪成型后高溫余熱，輪輞踏面噴水強化冷卻至400℃以下，小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫；

或，車輪成型后，車輪空冷至400℃以下，然后利用成型余熱自回火；

或，車輪成型后，車輪空冷至400℃以下，再小于400℃中低溫回火，回火時間30分鐘以上，回火后空冷至室溫。

本發(fā)明中各元素的作用如下：

C含量：鋼中基礎(chǔ)元素，有強烈的間隙固溶硬化和析出強化作用，隨著碳含量的增加，鋼的強度增加，韌性下降；碳在奧氏體中的溶解度要比在鐵素體中大得多，而且是一種有效的奧氏體穩(wěn)定元素；鋼中碳化物的體積分數(shù)與碳含量成正比。為獲得無碳化物貝氏體組織，必須確保一定的C含量固溶在過冷奧氏體中，以及在過飽和鐵素體中，進一步有效提高材料強硬度，特別是提高材料的屈服強度。C含量高于0.40％時，會導(dǎo)致滲碳體的析出，降低鋼的韌性，C含量低于0.10％時，鐵素體的過飽和度降低，鋼的強度下降，因此碳含量合理范圍宜0.10-0.40％。

Si含量：鋼中基本合金元素，常用的脫氧劑，其原子半徑小于鐵原子半徑，對奧氏體和鐵素體有強烈的固溶強化作用，使奧氏體的切變強度提高；Si是非碳化物形成元素，阻止?jié)B碳體的析出，促進貝氏體-鐵素體間富碳奧氏體薄膜和(M-A)島狀組織的形成，是獲得無碳化物貝氏體鋼的主要元素；Si還能阻止?jié)B碳體的析出，防止過冷奧氏體分解析出碳化物，在300℃～400℃回火時滲碳體析出完全被抑制，提高了奧氏體的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。鋼中Si含量高于2.00％，析出先共析鐵素體傾向增加，鋼的強韌性下降，Si含量低于1.00％時，鋼中容易析出滲碳體，不易獲得無碳化物貝氏體組織，因此Si含量應(yīng)控制在1.00-2.00％。

Mn含量：Mn具有提高鋼中奧氏體穩(wěn)定性、增加鋼的淬透性等作用，明顯提高貝氏體淬透性及貝氏體鋼的強度；Mn能提高磷的擴散系數(shù)，促進磷向晶界的偏聚，增加鋼的脆性和回火脆性；Mn含量低于1.00％，鋼的淬透性差，不利于獲得無碳化物貝氏體，Mn含量高于2.50％，鋼的淬透性顯著增加，也會大幅提高P的擴散傾向，降低鋼的韌性，因此Mn含量應(yīng)控制在1.00-2.50％。

Cu含量：銅也是非碳化物形成元素，能促進奧氏體形成，銅在鋼中的溶解度變化大，具有固溶強化和彌散強化作用，可提高屈服強度和抗拉強度；同時，銅能提高鋼的耐蝕性。由于銅的熔點低，在軋制加熱時鋼坯表面氧化，在晶界低熔點液化，容易使鋼表面產(chǎn)生龜裂。通過正確合金化和制造工藝優(yōu)化，可以防止這一有害影響。Cu含量低于0.20％，鋼的耐蝕性差，Cu含量高于1.00％，容易使鋼表面產(chǎn)生龜裂，因此Cu含量應(yīng)控制在0.20-1.00％。

B含量：B提高鋼的淬透性，其原因在于奧氏體化過程中，鐵素體最容易在晶界處形核。由于B吸附在晶界上，填充了缺陷，降低了晶界能，使新相成核困難，奧氏體穩(wěn)定性增加，從而提高了淬透性。但B的不同偏聚狀態(tài)其影響也不同，在晶界缺陷被填完后，若仍有更多的B非平衡偏聚，則會在晶界形成“B相”沉淀，增加晶界能，同時“B相”將作為新相的核心，促使形核速率增加，致使淬透性下降。即有明顯的“B相”析出對淬透性有不良影響，并且大量的“B相”析出會使鋼變脆，使力學(xué)性能變差。鋼中B含量高于0.035％，將會產(chǎn)生過量的“B相”，降低淬透性；B含量低于0.0001％時，降低晶界能作用有限，會導(dǎo)致淬透性不足，因此B含量應(yīng)控制在0.0001-0.035％。

Ni含量：Ni是非碳化物形成元素，在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中可抑制碳化物的析出，從而使貝氏體鐵素體板條之間形成穩(wěn)定的奧氏體薄膜，有利于無碳化物貝氏體組織的形成。Ni能提高鋼的強度及韌性，是獲得高沖擊韌性必不可少的合金元素，并降低沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度。Ni與Cu可以形成無限固溶體，提高Cu的熔點，減少Cu的有害影響。Ni含量低于0.10％，不利于無碳化物貝氏體形成，不利于降低Cu帶來的龜裂等有害影響，Ni含量高于1.00％，鋼的強韌性貢獻率將會出現(xiàn)較大幅度下降，且增加生產(chǎn)成本，因此Ni含量應(yīng)控制在0.10-1.00％。

P含量：P在中高碳鋼中，容易在晶界偏聚，從而弱化晶界，降低鋼的強度和韌性。作為有害元素，當P≤0.020％時，不會對性能造成大的不利影響。

S含量：S容易在晶界偏聚，且容易與其它元素形成夾雜物，降低鋼的強度和韌性。作為有害元素，當S≤0.020％時，不會對性能造成大的不利影響。

本發(fā)明通過設(shè)計其化學(xué)成份為C-Si-Mn-Cu-Ni-B系，不特別添加Mo、V和Cr等合金元素，以及先進的制造與熱處理工藝與技術(shù)，使輪輞典型組織為無碳化物貝氏體，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，其中殘余奧氏體為4％～15％，車輪具有優(yōu)異的強韌性和低的缺口敏感性等特點。不特別添加Mo、V和Cr等合金元素，加入少量的B替換部分Mo，可以使本鋼種獲得更合理的淬透性，生產(chǎn)控制較容易，且成本較低，利用先進的熱處理工藝可以使本鋼種獲得良好的綜合力學(xué)性能。不特別添加Mo、V和Cr等合金元素，鋼的成本大幅度降低，利用先進的熱處理工藝可以使本鋼種獲得良好的綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)控制容易；另外，Ni的加入使得本鋼種具有更高的20℃沖擊韌性性能。

本發(fā)明主要利用Si、Ni和Cu等非碳化物形成元素，提高碳在鐵素體中的活度，推遲和抑制碳化物析出，實現(xiàn)多元復(fù)合強化，容易實現(xiàn)無碳化物貝氏體組織結(jié)構(gòu)。利用Mn元素具有優(yōu)良的奧氏體穩(wěn)定化作用，增加鋼的淬透性，提高鋼的強度。通過熱處理工藝的設(shè)計，采用輪輞踏面噴水強化冷卻，使車輪輪輞得到無碳化物貝氏體組織，或者以無碳化物貝氏體組織為主的復(fù)合組織，利用余熱自回火或者中低溫回火，進一步改善車輪的組織穩(wěn)定性和車輪的綜合力學(xué)性能。同時，利用Cu元素具有優(yōu)良的固溶強化和析出強化的特點，在不降低韌性指標的情況下，進一步提高強度和韌性；也利用Ni、Cu元素具有耐腐蝕性能，實現(xiàn)車輪耐大氣腐蝕性能，提高車輪使用壽命。

通過上述合金成分設(shè)計和制造工藝，車輪輪輞獲得無碳化物貝氏體組織結(jié)構(gòu)；輻板、輪轂獲得粒狀貝氏體和過飽和鐵素體組織結(jié)構(gòu)為主的金相組織結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明制備的貝氏體鋼車輪與CL60車輪相比，輪輞強韌性匹配明顯提高，從而在確保安全性的前提下，有效提高了車輪的屈服強度、韌性和低溫韌性，提高車輪抗?jié)L動接觸疲勞(RCF)性能，提高車輪抗熱裂紋性能，提高車輪的耐蝕性能，降低了車輪缺口敏感性，減小車輪在使用過程中剝離、剝落發(fā)生的幾率，實現(xiàn)車輪踏面均勻磨耗以及少鏇修，提高車輪輪輞金屬使用效率，提高車輪的使用壽命和綜合效益，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1為車輪各部位名稱示意圖；

1為輪轂孔，2為輪輞外側(cè)面，3為輪輞，4為輪輞內(nèi)側(cè)面，5為輻板，6為輪轂，7為踏面；

圖2a為實施例1輪輞100×光學(xué)金相組織圖；

圖2b為實施例1輪輞500×光學(xué)金相組織圖；

圖3a為實施例2輪輞100×光學(xué)金相組織圖；

圖3b為實施例2輪輞500×光學(xué)金相組織圖；

圖3c為實施例2輪輞500×染色金相組織圖；

圖3d為實施例2輪輞透射電鏡組織圖；

圖4為實施例2鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)。

圖5a為實施例3輪輞100×光學(xué)金相組織圖；

圖5b為實施例3輪輞500×光學(xué)金相組織圖；

具體實施方式

實施例1、2、3中的車輪鋼的化學(xué)成分重量百分比如表2所示，實施例1、2、3均采用電爐冶煉經(jīng)LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成的圓坯，經(jīng)切錠、加熱與輾壓軋制、熱處理、精加工后形成直徑為840mm貨車輪或者915mm客車輪等。

實施例1

一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪，含有以下重量百分比的元素如下表2所示。

一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪的制造方法，包括以下步驟：

將化學(xué)成分如表2實施例1的鋼水經(jīng)過電爐煉鋼工序、LF爐精煉工序、RH真空處理工序、圓坯連鑄工序、切錠軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：加熱至860-930℃保溫2.0-2.5小時，輪輞踏面控制噴水冷卻，然后在220℃回火處理4.5-5.0小時，然后冷卻至室溫。

如圖2a、圖2b所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織為無碳化物貝氏體組織。本實施例車輪機械性能如表3所示，車輪實物強韌性匹配優(yōu)于CL60車輪。

實施例2

一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪，含有以下重量百分比的元素如下表2所示。

一種高強度、高韌性、抗熱裂軌道交通用貝氏體鋼車輪的制造方法，包括以下步驟：

將化學(xué)成分如表2實施例2的鋼水經(jīng)過煉鋼工序、精煉工序真空脫氣工序、圓坯連鑄工序、切錠工序、鍛壓軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：加熱至860-930℃保溫2.0-2.5小時，輪輞踏面控制噴水冷卻，然后在280℃回火處理4.5-5.0小時，冷卻至室溫。

如圖3a、3b、3c、3d所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織主要為無碳化物貝氏體。本實施例車輪機械性能如表3所示，車輪實物強韌性匹配優(yōu)于CL60車輪。

實施例3

將化學(xué)成分如表2實施例3的鋼水經(jīng)過煉鋼工序、精煉工序真空脫氣工序、圓坯連鑄工序、切錠工序、鍛壓軋制工序、熱處理工序、加工、成品檢測工序而形成。所述的熱處理工序為：加熱至860-930℃保溫2.0-2.5小時，輪輞踏面控制噴水冷卻，然后在320℃回火處理4.5-5.0小時。

如圖5a、5b所示，本實施例制備的車輪輪輞金相組織主要為無碳化物貝氏體。本實施例車輪機械性能如表3所示，車輪實物強韌性匹配優(yōu)于CL60車輪。

表2實施例1、2、3及對比例車輪的化學(xué)成分(wt％)

表3實施例1、2、3及對比例車輪輪輞機械性能