CN100387746C

CN100387746C - 准贝氏体钢及其在铁路行业中的应用

Info

Publication number: CN100387746C
Application number: CNB2005100175242A
Authority: CN
Inventors: 康沫狂; 翟明彦; 袁桂林
Original assignee: HENAN QIANGLI MACHINERY CO Ltd
Current assignee: HENAN QIANGLI MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2025-04-18
Also published as: CN1693521A

Abstract

本发明涉及一种铁路用钢，特别是涉及一种高强高韧可焊耐磨的准贝氏体钢及其在铁路行业中的应用。本发明的准贝氏体钢以重量百分比为单位，含有碳C 0.09～1.20，锰Mn 0.80～3.20，钼Mo 0.20～0.80，硅Si 0.90～2.50，余量为铁Fe，其冶炼方法采用电炉或转炉+炉外精炼，在精炼过程中控制钢液的气体含量为：氮气N₂≤80PPm，氢气H₂≤4PPm，氧气O₂≤25PPm。其热处理方法采用910℃～950℃淬火或空冷或油冷+200℃～450℃低温回火水冷。本发明的准贝氏体钢综合力学性能优异，具有高的塑性和韧性、良好的耐磨性、低的缺口敏感性，特别是缺口疲劳寿命能稳定地提高30～100%。其加工工艺简单，成本较低，用途广泛，值得推广。

Description

准贝氏体钢及其在铁路行业中的应用

一.技术领域：

本发明涉及一种铁路用钢，特别是涉及一种高强、高韧、可焊、耐磨的准贝氏体钢及其在铁路行业中的应用。

二.背景技术：

当前世界各国的铁道运输业向着高速、重载、大运货量的方向发展，特别是当前国内的铁路运输已经经历了若干次的大提速，这一国民经济的大动脉，对于促进工农业生产的发展，具有重大的意义，因而对使用的方方面面的材料要求越来越高，在高强、高韧、可焊、耐磨等方面，也提出越来越高的要求，原来铁路用的材料已经远远不能满足实际上的使用要求。我国在2000年已经提出：为配合200Km/h和300Km/h的高速铁路的建设，要解决高速钢轨的研制；高速铁路列车用车轮、轮箍的研制；高速重载铁路路枕、涵洞等用高强度钢筋上的研制；以及与高精度、耐磨重轨相互配套的易焊接、易加工的耐磨道岔钢的研制等都提到日程上来。对于钢铁而言，从上一世纪30年代发现贝氏钢体组织以后经历半个多世纪的广泛研究，在应用方面，自50年代成功研制出典型贝氏体钢以来，虽有进展，但因冲击韧性不高，断口上有较大脆性，使人们对其使用产生了疑虑。

目前在全国7万多公里的铁路营业线路中约有5万公里的铁路为短轨线路，每公里线路有40对钢轨接头，即使在无缝线路区段中，在道岔前后、长轨缓冲区、无碴桥线路等处仍有钢轨接头。当火车通过这些接头时，就会在接头处产生强大的复杂的冲击力，使钢轨接头产生塑性变形，导致钢轨接头处产生扣嘴、低塌线路翻浆、昌泥等缺陷，由于这些缺陷的存在又加大了车轮对钢轨接头的冲击和破坏，从而形成线路钢轨接头损害的恶性循环，造成线路更加不平，使列车行驶更加不平稳，在这种环境下选用新的高强、高韧、可焊、耐磨的铁路用材料势在必行。针对这种情况，人们不断研制出新的钢种，如中国专利(公开号为CN1014080B，申请号为88101251)公开了一种“含铌高强度鱼尾板钢”，其化学成分(％)为：C0.50～0.57，Si0.20～0.40，Mn0.50～0.80，P≤0.040，S≤0.045，Nb0.015～0.050，其余为铁。该发明通过将铌加入到钢液中，改变钢的机械性能，其合金含量低，生产工艺简单，产品的机械性能已经达到世界先进水平，但是它的含碳量高，不适合低温地区使用；又如：中国专利(公开号为CN1375573A，申请号为01138962.1)公开了一种“YW35钢及其应用”，其化学成分为：C0.32～0.40，Si0.30～0.50，Mn1.1～1.3，P≤0.035，S≤0.035，Cu≤0.2，Nb0.04～0.07，V0.06～0.2，Mo0.15～0.25。它以高锰钢为基础，在降低碳含量的情况下，加入适量的钼、钒、铌，用以改善钢的低温性能，但是该发明加工工艺复杂，成本较高；中国专利(申请号为86103008)，公开了一种“中碳空冷锰硼贝氏体钢”，中国专利(申请号为86103009)，公开了一种“中高碳空冷锰硼贝氏体钢”，这两个发明专利都是采用锰、硼作为合金元素，但因它们的硬度高，其抗拉强度、塑性和韧性相对较差，并且其使用寿命不及铁路钢轨；中国专利(公开号为CN1172171B，申请号为95113726.3)公开了一种“准贝氏体钢”，其特征在于：它的成分由主加合金元素和至少一种附加合金元素组成，所述主加合金元素的重量百分比组成为：碳C0.04～1.3，锰Mn1.0～3.5，阻碍碳化物析出元素0.8～2.8，所述附加合金元素的重量百分比组成为：钼Mo0～0.6，硼B0～0.005，铬Cr0～2.0，硅Si0～2.8，铝Al0～2.8等元素，在其从属权利要求的技术特征中又指出所述的阻碍碳化物析出元素为硅或铝，该发明的主加合金元素和附加合金元素组成都有硅或铝，并且含量范围混乱，让人不知道所述的硅或铝是主加合金元素还是附加合金元素，既然用“或”表示，但后面的从属权利要求又都同时包含硅和铝，该发明所公开的这些技术特征让本领域的技术人员无法实施其技术方案。并且，其必要技术特征既然是“至少一种附加合金元素组成”，但所述的附加合金元素的重量百分比组成却都从“0”开始，如果都取最小值“0”，那就意味着可以没有附加合金元素，造成前后矛盾，这也是该技术方案无法实施的原因之一。

三.发明的内容：

本发明的目的：通过合金种类和含量的改变，克服现有技术的缺陷，从而提供一种加工工艺简单、综合性能好的高强高韧可焊耐磨的准贝氏体钢，以及其在铁路行业中的应用。

本发明的技术方案：

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钼Mo0.20～0.80，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钼Mo0.20～0.80，镍Ni0.50～1.50，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钼Mo0.25～0.40，硼B0.002～0.005，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钼Mo0.25～0.40，硼B0.002～0.005，镍Ni0.50～1.50，余量为铁。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，镍Ni0.50～1.50，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，镍Ni0.50～1.50，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，硅Si0.25～1.50，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，镍Ni0.50～1.50，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，余量为铁Fe。

一种准贝氏体钢，以重量百分比为单位，含有碳C0.53～1.20，锰Mn0.80～1.98，铝Al0.50～1.10，铬Cr0.25～2.80，钨W0.30～1.20，硼B0.002～0.005，镍Ni0.50～1.50，余量为铁Fe。

所述的准贝氏体钢的冶炼方法，采用电炉或转炉+炉外进行精炼，在精炼过程中控制钢液的气体含量为：氮气N₂≤80PPm，氢气H₂≤4PPm，氧气O₂≤25PPm。

所述的准贝氏体钢的热处理方法，热处理方法采用910℃～950℃淬火或空冷或油冷200℃～450℃低温回火水冷。

上面所述的准贝氏体钢，当碳C的含量在0.10～0.25范围时，可以应用在铁路桥梁、铁路桥形鱼尾板、板型材、焊接构件、起重机械、建筑用钢、高强度标准件上。

上面所述的准贝氏体钢，当碳C的含量在0.20～0.35范围时，可以应用在铁路重型钢轨、高强度管材、渗碳零件用钢上。

上面所述的准贝氏体钢，当碳C的含量在0.30～0.70范围时，可以应用在铁路道岔、耐磨结构件、耐磨铸钢件上。

本发明的有益效果：

1.本发明的准贝氏体钢综合力学性能优异：参见表1、表2、表3、表4、表5和表6，由上述表中可以看出，本发明的准贝氏体钢的抗拉强度可达到500～1050MPa工程构件用的高强度钢、1050～1500MPa机器机械构件用的高强度钢和1500～2000MPa机器机械构件用的超高强度钢，并且同时具有高的塑性和韧性、良好的耐磨性、低的缺口敏感性，特别是缺口疲劳寿命能稳定地提高30～100％。低温冲击韧性良好，可以在-40℃～-50℃的低温下长期使用。耐磨性高，它与V70SiMn和Mn13道岔钢滚滑磨损试验比较，其磨损值远低于其他钢种，参见下表：

钢种	本发明钢种	V70SiMn	Mn13
钢种	本发明钢种	V70SiMn	Mn13	滚滑磨损率mg/m(载荷150Kg)	7.6	282	20

2.本发明的准贝氏体钢加工工艺简单，制造容易，可以适用多种热处理方法，在能控轧控冷的情况下可以不热处理或少热处理。准贝氏体钢在轧、锻或奥氏体状态下空冷即可得到准贝氏体组织，根据需要经过适当温度回火或不回火即可达到所需要的力学性能，因此零件在制造中变形小，无淬火裂纹，从而既保证产品质量又提高其合格率，且减少热处理工序。经过测定，直径10～1000mm的零件空冷后均获得组织，所以淬透性好，必要时可以淬火或油冷亦能获得良好的力学性能。

3.本发明的准贝氏体钢焊接性良好。由于准贝氏体钢焊接后空冷仍然为准贝氏体组织，焊接前后比容变化极小，故而其组织内应力小，焊接裂纹倾向小。经过研究测定，比同强度的合金结构钢焊接性好，同时准贝氏体组织抗回火能力高，所以热影响区的力学性能损失较小。

4.本发明的准贝氏体钢节能效果好、生产效率高。准贝氏体钢在轧、锻或奥氏体状态下空冷即可得到准贝氏体组织，故而不再进行单独的淬火处理，简化工艺流程，节约大量能源，改善产品质量和降低生产成本。

5.本发明的准贝氏体钢成本低廉、生产开发方便。其主加元素为普通的碳C、硅Si、锰Mn和少量的钼Mo或硼B，故其成本不高，考虑特殊要求如耐蚀、疲劳、高淬透性等，可以加入少量的铬Cr、镍Ni等，一般钢厂在不增加设备的前提下即可组织生产，基本上不存在冶炼、浇注、轧制等方面的困难，经过测定高温变形抗力并无明显增高现象，在生产过程中只需要注意生产场合的冷却条件即可，若轧、锻后控制冷却，力学性能可大幅度提高，不必回火或在范围较宽的低温状态下回火，这样在不增加投资或投资很少的条件下即可进行生产。

6.本发明的准贝氏体钢应用广泛。适用于铁路桥梁、建筑、起重机械、大型结构架各类高强板材及高速钢轨、铁路道岔、高强度螺栓等用材；适用于高精度高速铁路列车用车轮及轮毂上；适用于重载铁路路枕、涵洞等用高强度钢筋上。

四.具体实施方式：

本发明的准贝氏体钢，各个钢种根据组分和含量的不同可以组成多个实施例，详见下表，表中各组分的含量均以百分比为单位：

以上各个实施例的准贝氏体钢的冶炼方法均为：采用电炉或转炉+炉外进行精炼，在精炼过程中控制钢液的气体含量为：氮气N₂≤80PPm，氢气H₂≤4PPm，氧气O₂≤25PPm；其热处理方法采用910～950℃淬火或空冷或油冷200～450℃低温回火水冷即可。

实施例十六到实施例三十所述的准贝氏体钢可以应用在铁路桥梁、铁路桥形鱼尾板、板型材、焊接构件、起重机械、建筑用钢、高强度标准件上。

实施例三十一到实施例四十五所述的准贝氏体钢可以应用在铁路重型钢轨、高强度管材、渗碳零件用钢上。

实施例四十六到实施例六十所述的准贝氏体钢可以应用在铁路道岔、耐磨结构件、耐磨铸钢件上。

Claims

1.一种准贝氏体钢，其特征是：以重量百分比为单位，含有碳C 0.53～1.20，锰Mn 0.80～1.98，硅Si 0.25～1.50，铝Al 0.50～1.10，铬Cr 0.25～2.80，钼Mo 0.20～0.80，余量为铁Fe。

2.一种准贝氏体钢，其特征是：以重量百分比为单位，含有碳C 0.53～1.20，锰Mn 0.80～1.98，硅Si 0.25～1.50，铝Al 0.50～1.10，铬Cr 0.25～2.80，钼Mo 0.20～0.80，镍Ni 0.50～1.50，余量为铁Fe。

3.一种准贝氏体钢，其特征是：以重量百分比为单位，含有碳C 0.53～1.20，锰Mn 0.80～1.98，硅Si 0.25～1.50，铝Al 0.50～1.10，铬Cr 0.25～2.80，钼Mo 0.25～0.40，硼B 0.002～0.005，余量为铁Fe。

4.一种准贝氏体钢，其特征是：以重量百分比为单位，含有碳C 0.53～1.20，锰Mn 0.80～1.98，硅Si 0.25～1.50，铝Al 0.50～1.10，铬Cr 0.25～2.80，钼Mo 0.25～0.40，硼B 0.002～0.005，镍Ni 0.50～1.50，余量为铁。

5.一种权利要求1～4中任一权利要求所述的准贝氏体钢的冶炼方法，采用电炉或转炉+炉外进行精炼，其特征是：在精炼过程中控制钢液的气体含量为：氮气N₂≤80PPm，氢气H₂≤4PPm，氧气O₂≤25PPm。

6.一种权利要求1～4中任一权利要求所述的准贝氏体钢的热处理方法，其特征是：热处理方法采用910℃～950℃淬火或空冷或油冷200℃～450℃低温回火水冷。