一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法
阅读说明：本技术 一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法 (Heavy-load locomotive wheel steel capable of resisting surface contact fatigue and wheel production method ) 是由 江波 姚三成 邹强 刘学华 赵海 万志健 杜松林 陈刚 丛韬 张关震 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法,车轮钢成分：C 0.60～0.67％、Si 0.15～1.00％、Mn 0.60～0.90％、V 0.04～0.15％、Cr 0.10～0.25％、Al≤0.040％、Als≤0.015％、N(70～100)×10～(-4)％、Ti≤0.003％、P≤0.020％、S≤0.015％,其余为Fe及不可避免的杂质元素。车轮生产中,奥氏体化均热温度较常规加热温度高30～50℃,均温段保持时间不低于1.5h。与现有技术相比,本发明提供的车轮抗表面接触疲劳性能明显优于传统机车车轮,减少车轮非计划镟修频次,延长车轮使用寿命。(The inventionThe heavy-load locomotive wheel steel capable of resisting surface contact fatigue and the wheel production method are provided, and the wheel steel comprises the following components: 0.60 to 0.67% of C, 0.15 to 1.00% of Si, 0.60 to 0.90% of Mn, 0.04 to 0.15% of V, 0.10 to 0.25% of Cr, less than or equal to 0.040% of Al, less than or equal to 0.015% of Als, and N (70 to 100). times.10% ‑4 Less than or equal to 0.003 percent of Ti, less than or equal to 0.020 percent of P, less than or equal to 0.015 percent of S and the balance of Fe and inevitable impurity elements. In the production of the wheel, the austenitizing soaking temperature is 30-50 ℃ higher than the conventional heating temperature, and the holding time of the temperature equalizing section is not less than 1.5 h. Compared with the prior art, the surface contact fatigue resistance of the wheel provided by the invention is obviously superior to that of the traditional locomotive wheel, the frequency of non-planned turning repair of the wheel is reduced, and the service life of the wheel is prolonged.)
技术领域
本发明属于铁路车轮制备技术领域，具体涉及一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢及车轮生产方法。
背景技术
机车车轮是机车关键零部件之一，与其他用途车轮的服役条件有很大差异，是牵引动力和制动力的主传递。对牵引重载货运列车的机车，由于牵引系数高、牵引力矩大，车轮承受的最大剪切应力处于踏面表面且水平更高。因此，重载机车车轮发生表面接触疲劳损伤的敏感性显著高于其他用途车轮，因表面萌生接触疲劳裂纹而导致的踏面剥离是机车车轮普发性、常发性的失效形式。
踏面剥离使轮轨接触表面产生冲击载荷，所引起的振动可能使机车其他零部件发生早期失效，对列车运行安全性、可靠性产生直接影响，须将踏面剥离缺陷镟修消除后，机车、车辆方能继续投入运用。车轮接触疲劳性能决定着踏面剥离发生周期，直接关系到车轮镟修频次、使用寿命，从而对铁路运输效率、经济性构成重要影响。
车轮踏面表面接触疲劳损伤的裂纹萌生是在高牵引系数条件下发生的。轮轨接触过程中，接触表面同时存在纵横向的滑动和相对转动，轮轨间滑动引起的牵引系数增大，使车轮上的最大剪切应力位置向接触表面移动，牵引系数超过0.25时，最大剪切应力位于车轮表面，这是表面萌生滚动接触疲劳裂纹的力学条件。在高牵引系数(>0.25)下，轮轨表面经历非比例拉、剪切、压缩载荷路径，使表面材料发生棘轮效应，当累积塑性应变达到材料的临界值时，导致表面萌生裂纹。滚动接触疲劳的力学本质为材料塑性变形，因而可通过提高车轮材料剪切屈服强度而提高裂纹萌生抗力。表面裂纹萌生后，能否继续向内部扩展，取决于表面裂纹尺寸及随后的环境条件，如果裂纹较深，遇到雨雪气候，进入裂纹的液体会影响作用在裂口的接触压力分布，阻止裂纹闭合，而被闭合在裂纹内部的液体使I型应力强度因子显著增加，即所谓的“油楔效应”，从而促进裂纹向内部扩展、分叉而导致踏面剥离。因此，为提高车轮抗表面接触疲劳性能，既要提高材料的裂纹萌生抗力，又要减小裂纹尺寸。
为解决现有重载机车车轮踏面剥离发生率高的问题，提供一种抗表面接触疲劳损伤性能高、经济性好的车轮及其制备方法尤为必要。
新日铁公司在中国的专利申请，申请公布号：CN 103221561 A，申请公布日：2013.07.24，公开了一种耐磨性、抗接触疲劳与热损伤等性能的平衡优异，具备长寿命的车轮用钢，其成分按重量百分比计含C 0.65～0.84；Si 0.02～1.00；Mn 0.50～1.90；Cr 0.02～0.50；V 0.02～0.20；S≤0.04；P≤0.05；Cu≤0.20；Ni≤0.20，满足[34≤2.7+29.5×C+2.9×Si+6.9×Mn+10.8×Cr+30.3×Mo+44.3×V≤43]且[0.76×exp(0.05×C)×exp(1.35×Si)×exp(0.38×Mn)×exp(0.77×Cr)×exp(3.0×Mo)×exp(4.6×V)≤25]。但该发明重点就车轮钢的成分进行优选设计、调整，不能快速识别出影响车轮钢综合性能的关键因素，且采用常规的踏面强冷工艺，车轮某些部位出现了不期望的非珠光体组织。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢，基于接触疲劳与磨耗竞争关系的优化，提供一种屈强比高、铁素体含量高的抗表面接触疲劳性能明显改善的重载机车车轮钢，适用于轴重27吨以上、牵引重量5000吨以上的重载机车车轮。
本发明另一目的在于提供一种利用抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢生产车轮的方法，车轮抗表面接触疲劳剥离性能明显优于传统机车车轮，解决传统机车车轮踏面剥离发生率高的问题，改善重载机车车轮抗表面接触疲劳性能，减少车轮非计划镟修频次，延长车轮使用寿命。
本发明具体技术方案如下：
一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢，包括以下质量百分比成分：
C 0.60～0.67％、Si 0.15～1.00％、Mn 0.60～0.90％、V 0.04～0.15％、Cr 0.10～0.25％、Al≤0.040％、Als≤0.015％、N(70～100)×10-4％、Ti≤0.003％、P≤0.020％、S≤0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步的，所述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢成分中，Ni≤0.25％、Mo≤0.08％、Cu≤0.30％、Cr+Mo+Ni≤0.50％；
所述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢成分中，Ti+Als≤0.016％。
碳为钢中最重要的强化合金元素之一，本发明将碳含量范围定为0.60％～0.67％，在此范围内，采用钒微合金化可使车轮屈强比明显提高，产生屈服强度显著提高而硬度增量很小的性能特性，从而达到协调接触疲劳与磨耗竞争关系、改善车轮抗表面接触疲劳性能的目的。
钒是本发明所述车轮钢中重要的强碳氮化物形成元素，通过加热溶解与冷却析出，可以在钢中形成间隙型VC、V4C3和富氮的V(C,N)第二相粒子，产生强烈的析出强化与细晶强化，起到显著提高屈服强度的作用。此外，含钒第二相粒子的形成，粒子周围微区因贫碳以及与铁素体较小的晶格错配度，促进先共析铁素体的形成而起到适度提高正常磨损速率的作用，从而达到协调接触疲劳与磨耗竞争关系，改善车轮抗表面接触疲劳性能的目的。本发明将钒含量范围定为0.04％～0.15％，理由是：一方面钒含量超过该值，须采用更高的加热温度才能产生显著的强化效果，否则受固溶V含量低、基体碳含量较低的双重因素影响，会极大限制V微合金化提高强度的作用，甚至产生负效应；另一方面，钒含量过低起不到明显的析出强化作用，甚至因热处理制度不当，钒因夺基体中的碳而造成强度的下降。V含量的设计是本发明重要创新点之一。同类传统车轮钢材料要么不含V、要么低V，含量多在0.09％以下。本发明设定0.04％～0.15％，可以根据实际需要控制V的溶解比例，比如本发明较宽的加热温度范围。其中，溶解到基体中的V后续冷却析出产生析出强化作用，而未溶的V以热动力学稳定的V(C,N)粒子钉扎晶界产生细晶强化作用，通过调节析出强化和细晶强化两种机制的权重，进而实现高屈服强度、细晶粒度和高铁素体含量。
氮是本发明所述车轮钢中与钒元素作用的、有益廉价的合金元素。理论上，氮含量越高，富氮的V(C,N)第二相粒子析出驱动力越大，产生的强化效果更高，但考虑炼钢时控氮工艺稳定性，将本发明中的氮含量定为(70～100)×10-4％。
钛、铝也是强碳氮化物形成元素，而且形成比含钒析出物热动力学更加稳定的化合物，甚至是尺度大的有害夹杂物，也就是说与钒形成激烈的竞争关系，因此本发明对钛、铝的含量加以严格控制。
铝作为钢中最主要的脱氧剂，根据在钢中存在的形式，Al分酸溶铝Als和不溶铝，Als相当于钢中的合金元素，而不溶铝形成夹杂物，本发明同时限定Al和Als，限定整体和部分一是为了保证合金化程度，同时控制钢的洁净度。Ti、Als由于与N交互作用，形成比较稳定的化合物，从而影响V、N的结合，所以本案对Ti、Als及其组合上限作了限定。
本发明提供的一种车轮的生产方法，利用上述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢生产得到，所述车轮的生产方法包括：将轧制成形的毛坯车轮装炉，加热进行充分奥氏体化；
所述加热进行充分奥氏体化，是指均热温度860～930℃，总加热时间3.5～4h，具体时间根据装炉量、布料方式、加热炉实际状况等因素而定，但均温段保持时间不低于1.5h。
一般常规加热温度830～880℃均热保温。本发明奥氏体化加热温度较常规加热温度高30～50℃，进行充分奥氏体化。
将加热进行充分奥氏体化后的车轮出炉转运至淬火台，采用踏面大流量喷水完成热处理冷却；具体为：车轮出炉转运至淬火台，调整好车轮踏面与喷嘴出水面板的距离一致后，开启驱动电机使车轮转动起来，驱动电机转速控制在50～75r/min，采用踏面连续大水量喷淬完成热处理冷却。具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为40～55°，单个喷嘴出水流量为19～22m3/h，持续时间440～480s。
经上述淬火处理后的车轮经回火后，进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
所生产的车轮组织为细珠光体和体积分数4～5.5％的铁素体，晶粒度大于8.0级，由表及内，越往内铁素体含量增大；珠光体片间距130～150nm，由表及内，珠光体片间距增大。
本发明在常规加热制度基础上，根据碳-氮-钒的固溶度积关系，即：lg([V]·[C])γ＝6.72-9500/T；lg([V]·[N])γ＝3.63-8700/T，通过适度提高奥氏体化温度，使钢中的钒以适当的比例溶解到奥氏体基体，而存在于未固溶V(C,N)第二相粒子中的V不参与后续析出强化，但可成为先共析铁素体的形核核心。在后续淬火冷却进程中，溶解到基体中的V沉淀析出与基体共格或半共格的V(C,N)第二相粒子，产生强烈的析出强化作用，从而显著提高屈服强度。而与基体非共格的未固溶V(C,N)第二相粒子附近由于微区C、V的贫乏，以及与铁素体较小的晶格错配度，成为铁素体异质形核的触媒，提高铁素体形核的界面能及驱动力，在淬火冷却进程中使先共析铁素体含量得以提高，抑制了抗拉强度及硬度的增量。
提高材料剪切屈服强度虽可提高表面RCF裂纹萌生寿命，但如果过度，则因磨损速率低而很难将已形成表面裂纹去除或减小，反而会增大接触疲劳剥离发生概率。可见，既有较高屈服强度，又有适度磨损速率，是轮轨材料需要具备的特性。从材料特性上协调、平衡剪切屈服强度与磨损性能关系是有效改善车轮表面接触疲劳性能的关键。
本发明可显著提高车轮的屈服强度，从而显著提高抵抗接触疲劳裂纹萌生的能力；另一方面，耐磨性与抗拉强度、硬度呈正相关关系，与铁素体含量呈负相关关系，抗拉强度及硬度增量小且铁素体含量增多，可使磨损速率有所提高。因此，采用本发明可改善接触疲劳-磨损的竞争关系，从而改善车轮材料抗表面接触疲劳性能。
与现有技术相比，本发明提供的车轮抗表面接触疲劳性能明显优于传统机车车轮，屈服强度700MPa以上，屈强比0.67以上，屈强比高、铁素体含量高，正常磨损速率略高于常规同类车轮产品，达到平衡、协调“磨损与接触疲劳竞争关系”的服役效果，屈服强度水平最大提高近20％，屈强比提高12％～16％。能够解决传统机车车轮踏面剥离发生率高的问题，改善重载机车车轮抗表面接触疲劳性能，减少车轮非计划镟修频次，延长车轮使用寿命。而且，本发明工艺简单易行，便于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1车轮踏面下15mm处的显微组织，为细珠光体(片间距134nm)+4.4％铁素体，晶粒度9.0级；
图2为对比例1车轮踏面下15mm处的显微组织，为细珠光体(片间距149nm)+2.1％铁素体，晶粒度8.5级；
图3为实施例1与对比例1车轮材料的棘轮行为演变；
图4为实施例1与对比例1车轮材料的磨损速率；
图5为实施例1车轮材料干磨实验后的表面接触疲劳裂纹形貌；
图6为对比例1车轮材料干磨实验后的表面接触疲劳裂纹形貌；
图7为实施例1车轮材料干磨实验后的纵剖面形貌；
图8为对比例1车轮材料干磨实验后的纵剖面形貌；
图9为实施例1车轮材料干磨+湿润滑接触疲劳实验后的纵剖面形貌，塑性变形层深约110μm；
图10为对比例1车轮材料干磨+湿润滑接触疲劳实验后的纵剖面形貌，塑性变形层深约167μm；
图11为实施例2车轮踏面下17.5mm处的显微组织，为细珠光体(片间距138nm)+4.9％铁素体，晶粒度9级；
图12为实施例3车轮踏面下17.5mm处的显微组织，为细珠光体(片间距135nm)+5.1％铁素体，晶粒度9级。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
实施例1-实施例3
一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢，包括以下质量百分比成分，如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe及不可避免的杂质。
对比例1-对比例3
一种车轮钢，包括以下质量百分比成分，如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe及不可避免的杂质。
表1车轮的主要化学成分(wt％)
元素
C
Si
Mn
V
N
Ti
Al
实施例1
0.64
0.56
0.75
0.13
84×10<sup>-4</sup>
2.4×10<sup>-3</sup>
0.013
对比例1
0.65
0.88
0.83
＜0.01
56×10<sup>-4</sup>
0.021
0.028
实施例2
0.60
0.16
0.75
0.08
80×10<sup>-4</sup>
2.3×10<sup>-3</sup>
0.015
对比例2
0.62
0.85
0.84
＜0.01
52×10<sup>-4</sup>
0.022
0.027
实施例3
0.66
0.94
0.74
0.05
84×10<sup>-4</sup>
2.5×10<sup>-3</sup>
0.014
对比例3
0.67
0.88
0.83
＜0.01
55×10<sup>-4</sup>
0.021
0.028
元素
Cr
Als
Ni
Mo
Cu
P
S
实施例1
0.22
0.011
0.07
0.01
0.08
0.011
0.010
对比例1
0.14
0.019
0.09
0.04
0.10
0.014
0.012
实施例2
0.12
0.009
0.12
0.05
0.08
0.012
0.008
对比例2
0.15
0.022
0.20
0.02
0.13
0.012
0.010
实施例3
0.24
0.012
0.11
0.04
0.06
0.009
0.009
对比例3
0.15
0.023
0.17
0.04
0.09
0.010
0.013
利用实施例1所述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
将轧制成形的毛坯车轮装炉，经2h升温至890±10℃(均热目标温度890℃)，并均热保温1h45min后，出炉转运至淬火台，调整好车轮踏面与喷嘴出水面板的距离一致后，开启驱动电机使车轮转动起来，驱动电机转速控制在60r/min，采用现行的踏面大水量喷淬完成热处理冷却。具体采用6个喷嘴，均匀分布在淬火台四周，喷嘴出水角度与车轮旋转方向夹角为45°，单个喷嘴出水流量为20m3/h，持续时间450s。再经回火后进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
本发明在常规加热制度基础上，根据碳-氮-钒的固溶度积关系，通过适度提高奥氏体化温度，使钢中的钒以适当的比例溶解到奥氏体基体，而存在于未固溶V(C,N)第二相粒子中的V不参与后续析出强化，但可成为先共析铁素体的形核核心。在后续淬火冷却进程中，溶解到基体中的V沉淀析出与基体共格或半共格的V(C,N)第二相粒子，产生强烈的析出强化作用，从而显著提高屈服强度。而与基体非共格的未固溶V(C,N)第二相粒子附近由于微区C、V的贫乏，以及与铁素体较小的晶格错配度，成为铁素体异质形核的触媒，在淬火冷却进程中使先共析铁素体含量得以提高，抑制了抗拉强度及硬度的增量。采用本发明技术措施，可显著提高车轮的屈服强度，从而显著提高抵抗接触疲劳裂纹萌生的能力；另一方面，耐磨性与抗拉强度、硬度呈正相关关系，与铁素体含量呈负相关关系，抗拉强度及硬度增量小且铁素体含量增多，可使磨损速率有所提高。因而，采用本发明可改善接触疲劳-磨损的竞争关系，从而改善车轮材料抗表面接触疲劳性能。
利用对比例1所述车轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
采用现行通用的热处理工艺制度：将毛坯车轮经1h30min加热至860±10℃(均热目标温度860℃)保温2h，完全奥氏体化状态后运至淬火台。采用踏面大水量喷淬完成热处理冷却，具体的淬火制度同实施例1。回火后再经预加工、精加工等工序获得成品车轮。
通过常温拉伸力学性能测试与布氏硬度测试获得实施例1和对比例1车轮的屈服强度与磨耗处平均硬度，见表2。可见，实施例1车轮的屈服强度明显较对比例1车轮的高，但硬度水平却略低于对比例1车轮。采用光学显微镜对实施例1和对比例1车轮材料的显微组织进行观察，如图1、2所示，实施例1车轮组织中的铁素体含量明显多于对比例1车轮。静强度及显微组织特征均符合平衡、协调“磨损与接触疲劳竞争关系”的发明设计。
表面接触疲劳裂纹萌生的本质是棘轮效应，因此，棘轮寿命可作为表征材料抗接触疲劳损伤的一个参量。通过非对称循环拉压塑性实验获得车轮的棘轮演变行为，实施例1与对比例1车轮试样的棘轮失效寿命见表3。可见，在相同应力条件下，实施例1车轮材料的棘轮寿命较对比例的高，且应力越低，差异越显著。棘轮应变与循环周次的演变如图3所示。曲线上任一点处的斜率为棘轮速率，可见，实施例1车轮材料的棘轮速率较对比例1车轮材料的低，且应力越低，差异越显著。表明在相同的应力条件下，实施例1车轮较对比例1车轮抵抗疲劳裂纹萌生的能力更强。
为比较车轮试样的磨损性能，进行不同循环周次的干态磨损实验，对磨试样为U75钢轨试样，初始点接触应力2200MPa，转速800转/min，滑差率0.75％，实验周次50万转，对试样进行风冷。
为比较车轮试样抗表面裂纹萌生、扩展能力，进行干磨+水润滑组合接触实验。干磨实验模拟表面接触疲劳裂纹萌生过程，对磨试样为U75钢轨试样，接触应力1200MPa，转速500转/min，滑差率0.75％，实验周次15000转，对试样进行风冷；干磨实验后紧接着进行湿润滑接触实验，模拟表面接触疲劳裂纹扩展过程，接触应力、转速同干磨实验，滑差率0.3％，实验周次20000转，润滑介质为10％乙二醇水溶液。
实施例1与对比例1车轮试样不同循环周次下的磨损量如图4所示。可见，在相同的实验条件下，实施例1车轮试样的磨损速率较对比例1的略高，符合平衡、协调“磨损与接触疲劳竞争关系”的发明设计。实施例1与对比例1车轮试样进行干磨+水润滑组合接触实验后的失重及接触疲劳裂纹密度、裂纹深度见表3，表面接触疲劳裂纹及纵剖面裂纹形貌、组织形貌及塑性变形层纵剖面形貌如图5～10所示。可见，实施例1车轮材料较对比例1车轮材料的抗接触疲劳裂纹萌生及扩展能力更大。
表2车轮的静强度及硬度
表3车轮的棘轮寿命及接触疲劳性能
本发明效果之一是提高铁素体含量，同时使抗拉强度增幅小于屈服强度增幅，以协调平衡磨耗与疲劳性能关系。图4是不产生疲劳剥离情况下的正常磨耗速率，实施例大于对比例是期望得到的效果，而表2的失重指的是剥离情况下的失重，因剥离导致金属流失，所以对比例里的剥离失重大于实施例。
利用实施例2所述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
将轧制成形的毛坯车轮装炉，经1h45min升温至870±10℃(均热目标温度870℃)，并均热保温2h后，出炉转运至淬火台，所采用的淬火冷却制度同实施例1。再经回火后进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
利用对比例2轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
采用现行通用的热处理工艺制度：将毛坯车轮经1h30min加热至840±10℃(均热目标温度840℃)保温2h，完全奥氏体化状态后运至淬火台，所采用的淬火制度同对比例1。回火后再经预加工、精加工等工序获得成品车轮。
参照实施例1与对比例1进行静载力学性能测试、显微组织分析、循环塑性实验及对磨接触实验等，相关实验结果见表2、3。可见，实施例2车轮材料的静强度、显微组织特征、磨损速率及抗接触疲劳裂纹萌生及扩展能力均符合平衡、协调“磨损与接触疲劳竞争关系”的发明设计，实施例2车轮抗表面接触疲劳性能较对比例2车轮的高。
利用实施例3所述抗表面接触疲劳的重载机车车轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
将轧制成形的毛坯车轮装炉，经2h升温至920±10℃(均热目标温度920℃)，并均热保温2h后，出炉转运至淬火台，所采用的淬火冷却制度同实施例1。再经回火后进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
利用对比例3轮钢生产车轮的方法，包括以下步骤：
采用现行通用的热处理工艺制度：将毛坯车轮经1h45min加热至870±10℃(均热目标温度870℃)保温2h，完全奥氏体化状态后运至淬火台，所采用的淬火制度同对比例1。回火后再经预加工、精加工等工序获得成品车轮。
参照实施例1与对比例1进行静载力学性能测试、显微组织分析、循环塑性实验及对磨接触实验等，相关实验结果见表2、3。可见，实施例3车轮材料的静强度、显微组织特征、磨损速率及抗接触疲劳裂纹萌生及扩展能力均符合平衡、协调“磨损与接触疲劳竞争关系”的发明设计，实施例3车轮抗表面接触疲劳性能较对比例3车轮的高。
上述参照实施例及附图对一种抗表面接触疲劳的重载机车车轮及其制备方法进行了详细描述，仅仅为说明性的而非限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。