[发明专利]一种轨道交通客车用贝氏体钢车轮及其制造方法

说明书

本发明公开了一种轨道交通客车用贝氏体钢车轮及其制造方法。其化学成分为：C 0.08‑0.35％、Ni 0.10‑1.50％、Cr 0.25‑1.50％、Mn 0.70‑2.10％、Si 0.20‑1.00％、W0.01～1.00％、Mo 0.05‑0.60％、Cu 0.01‑0.80％、V 0.01‑0.20％、Nb 0.001‑0.20％、B 0.0001‑0.0350％、RE 0.001‑0.040％、P≤0.020％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免的残余元素；且2.0％≤Mn+Cr≤3.0％。本发明采用C‑Ni‑Mn‑Cr‑Mo新的合金设计体系和合金化原理，车轮成型后，经先进的热处理后轮辋获得无碳化物贝氏体组织结构，车轮具有优异的综合力学性能、耐腐蚀性能和服役性能，尤其是高的强度、硬度与韧性、高的抵抗轮轨滚动接触疲劳性能(RCF)与抵抗热裂纹等特点。

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种轨道交通客车用贝氏体钢车轮及其制造方法，具体涉及一种轴重≤18t、运行速度≤160km/h轨道交通客车或者城轨用无碳化物贝氏体钢车轮及其制造方法。

背景技术

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。从目前国内外使用车轮种类来看，客车用车轮C含量一般在0.65％以下(国内为CL60，C含量0.55-0.65％；欧洲最高C含量为EN13262标准中ER9车轮，C含量上限为0.60％)，屈服强度低于650MPa，硬度在290HB以下(明显低于钢轨硬度)。由于客车运行速度较高(120-160km/h)，车轮收到较大的冲击载荷(一般发生在弯道，曲线轨硬度明显高于车轮)，当轮轨接触应力高于车轮屈服强度时，车轮局部就会发生塑性变形，受到滚动接触疲劳(Rolling ContactFatigue，简称RCF)的损伤，从而导致剥落，局部失圆，当车轮直径差达到一定数值后，如车轮不能及时镟修，则会加剧失圆从而使车轮形成多边形，导致列车震动严重，轻则影响乘坐舒适性，严重则导致行车事故。另外，我国铁路线路与其他国家存在差异，南北最大服役温差达到80℃以上，北方冬季最低温度达零下40℃以下，南方为潮湿、湿热腐蚀性气候，这对车轮材料有着更为苛刻的要求。

车轮各部位名称及其与钢轨接触示意图见图1，目前，国内客车车轮主要为CL60，欧洲是以ER9为代表的ER系列材质，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650MPa，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，产生马氏体及“白亮层”，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。