一种高接触疲劳性能车轮及其生产方法
技术领域
本发明属于铁路车轮制备
技术领域
，具体涉及一种高接触疲劳性能车轮及其生产方法。背景技术
车轮工作环境复杂、恶劣，主要失效形式为踏面剥离，接触疲劳引起的麻坑剥落、疲劳剥离等。通常要求其材料具有良好的强韧性以及耐磨性，故可以通过材料的接触疲劳来反映材料的性能。鉴于车轮工作环境复杂，许多学者也对其接触疲劳做了相关研究：
2013年7月24日公开的新日铁住金株式会社在中国的专利申请《车轮用钢》，公布号：CN 103221561 A，其公开了一种耐磨性、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高接触疲劳性能车轮及其生产方法，通过Cr、V、Al微合金化、热处理工艺等优化，提供了一种屈强比高的抗表面接触疲劳性能明显改善的车轮，车轮抗表面接触疲劳剥离性能明显优于传统车轮。
本发明具体技术方案如下：
一种高接触疲劳性能车轮，包括以下质量百分比成分：
C：0.55～0.65％，Si：0.15～0.30％，Mn：0.40～1.2％，Cr：0.10～0.25％，Al：0.02～0.03％，P：≤0.010％，S：0.020～0.035％，V:0.10～0.20％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：80-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，Al/[N]：2.0～4.0。
本发明提供的上述高接触疲劳性能车轮的生产方法，包括加热；
所述加热具体为：钢坯在加热炉中，预热、加热和均热总时间控制5.0h～10.0h。
所述均热，温度控制在1230～1280℃加热保温≥4h，目的是让钢坯内外受热均匀，易于轧制，超过1280℃钢坯有过烧的风险，低于1230℃钢坯变形阻力大，不利于轧制；
所述生产方法还包括轧制，轧制在加热之后进行；
所述轧制具体为：开轧温度1120～1180℃，终轧温度930～980℃，在此温度下完成轧制过程，可将连续长条形A类夹杂物碎化，形成不连续的短小的A类夹杂。
进一步的，轧制后进行缓冷；
所述缓冷具体为：轧后经过冷床冷却至600～650℃入坑缓冷；缓冷时间≥8h；目的是让钢坯内的气体H元素大量排出，残余的H均匀。
所述制造方法还包括：将轧制成形的毛坯车轮装炉，采用870-910℃的温度，加热时间2.5-4.0h，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得车轮出炉转运至淬火台，采用使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，车轮再经回火处理。
所述回火处理为480-520℃回火处理≥4小时；
最后进行机加工、踏面仿形工序获得成品车轮。
本发明生产的高接触疲劳性能车轮显微组织为珠光和铁素体，体积比例铁素体≤4％；A类夹杂最大长度≤33μm；屈强比有明显提高。
本发明中各元素作用及工艺设计原理：
C：C是钢中最基本有效的强化元素，是影响淬透性最有效的元素，为了保证车轮钢足够的强度和淬透性，C含量不能低于0.55％，由于车轮钢要保证韧性，C含量不能高于0.65％，故确定C含量为0.55～0.65％。
Si：Si是脱氧剂，同时通过固溶强化提高钢的强硬度，也可以提车轮钢的淬透性，Si的含量不能低于0.15％，但过量的硅使C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向使得渗碳层易氧化，故Si的含量不能高于0.30％。Si含量控制在0.15～0.30％。
Mn：Mn可溶于铁素体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn可以提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性，钢在热轧时韧性变坏。Mn含量控制在0.40～1.2％。
Cr：Cr可提高钢的淬透性及强度，Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能，故Cr含量不能低于0.10％，过高的Cr会降低钢的韧性，同时会在渗碳层组织中出现大量的碳化物，影响渗碳层性能，故Cr的含量不能高于0.25％。Cr含量控制在0.10-0.25％。
V：钒是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0.10％～0.20％，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。
Al：Al是有效的脱氧剂，且能形成AlN细化晶粒，Al含量低于0.020％时，作用不明显，高于0.030％时易形成粗大的夹杂物，恶化钢的性能。因此，Al含量应控制在0.020-0.030％。
[N]：能与Al形成化合物，细化晶粒，合理的Al/[N]对晶粒细化明显作用，而过高的[N]会形成气泡等连铸缺陷。因此，[N]含量应控制在80-120ppm。同时控制Al/[N]：2.0～4.0。
P和S：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，使钢产生热脆，但是添加少量的S，在不影响产品性能的同时，会明显改善车轮钢的切削性能，而MnS同时具有细化晶粒的效果；P是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.010％，S：0.020～0.035％。
T.O和[H]：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤10ppm；[H]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[H]≤1.5ppm。
在生产过程中，由于V在钢中以置换溶质原子存在，V原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，因而对再结晶具有强烈的阻止作用。V元素加热到奥氏体化温度以上，使得晶内溶质，有充足时间向位错上新形成的MC处迁移，孕育成新的晶界，从而再进行淬火时，得到更细的晶粒。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。
与现有技术相比，本发明采用特定成分及合理的制备方法生产的一种高接触疲劳车轮用钢，并通过一定的轧制、热处理工艺，屈服强度与抗拉强度的比值提高明显，本发明车轮屈服强度≥640MPa，抗拉强度≥1040MPa，屈强比≥0.61，磨耗处平均硬度≥295HB，确保所制备出的车轮抗表面接触疲劳性能明显改善。
附图说明
图1为实施例1车轮材料的显微组织，为珠光体+4％铁素体；
图2为对比例1车轮材料的显微组织，为珠光体+少量贝氏体+2％铁素体；
图3为实施例2车轮材料的显微组织，为珠光体+2％铁素体；
图4为对比例2车轮材料的显微组织，为珠光体+3％铁素体；
图5为实施例3车轮材料的显微组织，为珠光体+2％铁素体；
图6为对比例3车轮材料的显微组织，为珠光体+4％铁素体。
具体实施方式
下面结合实施例和图对本发明技术方案进一步详细说明。
一种高接触疲劳性能车轮，包括以下质量百分比成分：
C：0.55～0.65％，Si：0.15～0.30％，Mn：0.40～1.2％，Cr：0.10～0.25％，Al：0.02～0.03％，P：≤0.010％，S：0.020～0.035％，V:0.10～0.20％；T.O：≤10ppm，[H]：≤1.5ppm，[N]：80-120ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步的，Al/[N]：2.0～4.0。
上述高接触疲劳性能车轮的生产方法，包括以下工艺流程：
采用电弧炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-锯切-加热-轧制-热处理-加工；
其中生产的连铸坯经锯切后，在加热炉的均热温度控制在1230～1280℃；预热、加热和均热总时间控制5.0h～10.0h；经过1230～1280℃加热保温≥4h；再进行圆钢轧制，开轧温度：1120～1180℃，终轧温度930～980℃，轧后经过冷床冷却至600～650℃入坑缓冷，缓冷时间≥8h；车轮钢的热处理工艺：将轧制成形的毛坯车轮装炉，采用870-910℃的温度加热2.5-4.0h，进行充分奥氏体化；将充分奥氏体化所得车轮出炉转运至淬火台，采用使轮辋内部金属以2℃/s-5℃/s的冷却速度加速冷却到550℃以下，车轮再经回480-520℃回火处理≥4小时，后进行机加工、踏面仿形等工序获得成品车轮。
实施例1-实施例3
一种高接触疲劳性能车轮，包括以下质量百分比成分：如下表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例1-对比例3
一种车轮，包括以下质量百分比成分：如表1，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1本发明实施例和对比例化学成分((单位：[N]为ppm，其余wt％))
上述实施例1-实施例3和对比例1-对比例3所述的860车轮按照上述生产方法进行生产，具体参数如表2、表3所示：
表2轧钢生产工艺参数
表3车轮热处理工艺参数
各实施例和对比例生产的车轮获得拉伸力学性能测试与布氏硬度测试的屈服强度与磨耗处平均硬度，见表4；在MMS-2A型微机控制试验机上进行了磨耗性能、接触疲劳性能对比试验，在相同的试验条件下(试验过程中主试样为本实施例制备的车轮试样和对比例车轮试样，配试样均为相同硬度的U71Mn钢轨试样，主试样和配试样直径均为60mm。磨损试验：一组3套试样，主试样转速360rpm，配试样转速400rpm，对应转动滑差率0.75％，接触应力1100MPa，循环次数50万次。接触疲劳试验：一组6套试样，转速为2000rpm，对应转动滑差率0.3％，接触应力1100-1500MPa，采用20#机油润滑)，车轮磨损性能对比，见表5，车轮接触疲劳性能对比见表6。
表4车轮的强度及硬度
表5实施例1-3和对比例1-3车轮磨损性能对比
表6实施例1-3和对比例1-3车轮车轮接触疲劳性能对比
本发明车轮的磨耗失重量比对比例车轮明显降低，实施例车轮材料磨损后的试样最大直径差明显小于对比例车轮。同时，本发明车轮的发生接触疲劳的循环周次明显高于对比例车轮，这表明本实施例车轮材料的抗滚动接触疲劳性能优于对比例车轮。
本发明提供了一种屈强比高的抗表面接触疲劳性能明显改善的车轮及其制备方法，所制备出的车轮抗表面接触疲劳剥离性能明显优于传统车轮。
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