本發(fā)明屬于鋼的化學成分設計和車輪制造的領域，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計和生產制造方法。

背景技術：

“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，以及周圍介質有著非常復雜的作用關系，處在動態(tài)的、交替變化的應力狀態(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。客運用車輪更加關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表1。

表1 CL60車輪主要技術要求

生產制造過程中，要保證車輪材質優(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(yōu)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?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(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(fā)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(yōu)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?jié)L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(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?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。

技術實現要素：

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性能，生產控制容易。

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％；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相結構，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。

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，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％，容易使鋼表面產生龜裂，因此Cu含量應控制在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，使力學性能變差。鋼中B含量高于0.035％，將會產生過量的“B相”，降低淬透性；B含量低于0.0001％時，降低晶界能作用有限，會導致淬透性不足，因此B含量應控制在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較大幅度下降，且增加生產成本，因此Ni含量應控制在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)明通過設計其化學成份為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，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性能，生產控制容易；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，實現多元復合強化，容易實現無碳化物貝氏體組織結構。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計和制造工藝，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為主的金相組織結構。

與現有技術相比本發(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為輪輞外側面，3為輪輞，4為輪輞內側面，5為輻板，6為輪轂，7為踏面；

圖2a為實施例1輪輞100×光學金相組織圖；

圖2b為實施例1輪輞500×光學金相組織圖；

圖3a為實施例2輪輞100×光學金相組織圖；

圖3b為實施例2輪輞500×光學金相組織圖；

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)冷卻轉變曲線(CCT曲線)。

圖5a為實施例3輪輞100×光學金相組織圖；

圖5b為實施例3輪輞500×光學金相組織圖；

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LF+RH精煉真空脫氣后直接連鑄成的圓坯，經切錠、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：

將化學成分如表2實施例1的鋼水經過電爐煉鋼工序、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：

將化學成分如表2實施例2的鋼水經過煉鋼工序、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

將化學成分如表2實施例3的鋼水經過煉鋼工序、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成分(wt％)

表3實施例1、2、3及對比例車輪輪輞機械性能