CN101880822A - 用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢 - Google Patents
用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及钢铁冶金领域。用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其化学成分按重量百分比计组成为：C：0.60～0.80％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.70～1.70％、P≤0.020％、S≤0.020％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、As≤0.007％，H≤0.00015％，余量为Fe和不可避免的杂质。该热轧高韧性碳素钢无需添加合金元素或再进行热处理，抗拉强度≥880MPa，延伸率A≥9％。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢。
背景技术
随着铁路建设的发展，客货分离是发展的趋势。货运铁路主要面临重载，因此要求其钢轨耐磨；而客运铁路的运行速度不断提高，我国客运铁路最高时速已经达到350km以上。目前投入运营的高速铁路已达6552营业公里，居世界第一；到2012年，中国铁路营业里程将达到11万公里以上。由于客运专线主要承担人生命、财产的运输，因此安全性显得尤为重要。车速愈快，则对钢轨的韧性要求愈高，否则一旦在运行过程中出现断轨，后果不堪设想。为了满足客运铁路的迫切要求，开发高性价比、韧性好的钢轨成为必须。另外，随着人们对乘车舒适的要求，采用无缝线路已成为必然，从而钢轨的焊接性能也是开发客运钢轨所必须考虑的问题。
钢轨中夹杂物是形成疲劳源，影响行车安全的重要原因，因此降低钢中的夹杂物含量是钢轨制造过程中必须考虑的问题，除此，钢轨钢中氢含量过高将产生致命缺陷即白点，因此降低钢中氢含量以避免产生白点、氢脆等有害缺陷也是钢轨制造过程中必须考虑的问题。
200510022444.6提供了一种珠光体类热处理钢轨及其生产方法；200510022442.7提供了一种珠光体类高强度低合金钢轨钢及其生产方法；200710202530.4公开了冶金领域中一种抗接触疲劳伤损性能好的钢轨及该钢轨的生产方法，以上发明均采用添加合金及通过热处理工艺来生产钢轨，其不足之处在于，生产时采用了大量的贵重合金Mo、Ti、Cr、Nb、V等元素，这不但增加了生产成本，而且由于合金元素的添加，使钢轨连续冷却转变曲线(CCT曲线)强烈右移，大大降低了钢轨产生异常组织(如贝氏体、马氏体)的临界冷速，造成钢轨在焊接过程中易产生贝氏体、马氏体等脆性组织，从而降低了列车运行的安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，该热轧高韧性碳素钢抗拉强度≥880MPa，延伸率A≥9％。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其化学成分按重量百分比计组成为：C：0.60～0.80％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.70～1.70％、P≤0.020％、S≤0.020％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、As≤0.007％，H≤0.00015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述方案中，所述的用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其化学成分按重量百分比计组成优选为：C：0.69-0.75％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.10-1.30％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、H≤0.00015％，As≤0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。
上述方案中，所述的用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其化学成分按重量百分比计组成优选为：C：0.69-0.73％、Si：0.20-0.30％、Mn：1.10-1.25％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、H≤0.00015％，As≤0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。
以下详述本发明中限定各组分含量的理由：
C是一种能有效促进珠光体转变的元素。随着C含量的增加，钢的强度、硬度随之增加，但钢的塑性和韧性下降。当C含量超过0.80％时，在钢轨热轧和焊接过程中，容易在晶界析出先共析网状渗碳体，恶化钢轨韧性和塑性，或者成为疲劳源，降低钢轨的使用寿命。因此，将C含量控制在0.60～0.80％之间。
Si能抑制渗碳体的形成，促进铁素体的转变，同时由于其固溶强化的作用，对提高钢轨硬度有利。此外，Si的加入提高了铁素体基体硬度及焊接接头的硬度，当Si太低时，作用不明显；当Si大于0.60％时，钢轨可焊性降低。因此将Si含量限制在0.10～0.60％之间。
Mn在钢轨中即是固溶强化元素，又是良好的脱氧剂和脱硫剂，其可消除或减弱钢因硫引起的脆性，从而提高钢轨的使用性能。但当锰含量过高时，会明显降低钢轨产生马氏体的临界冷速，并且由于生产中不可避免的成分偏析和焊接过程中的成分聚集，易形成马氏体或贝氏体等异常组织，从而增加钢轨断裂的危险，不利于钢轨的安全使用。因此将Mn含量控制在0.70～1.70％之间。
P、S、As是强烈的裂纹敏感性元素，因而应尽可能的低：P会提高低温脆性转变温度，使钢的低温冲击性能大幅下降，因此一般要求P≤0.020％。S含量过高，会形成大量的MnS，MnS在钢液凝固时易在晶界析出，在热轧时被轧成带状夹杂，降低钢材的延展性及韧性，因此S含量越低越好，S含量≤0.020％。As使钢材产生冷脆性，使得钢轨的焊接性能变差，因此As含量越低越好，As≤0.007％。
钢轨中含有Al2O3或高Al2O3含量铝酸盐类脆性非金属夹杂物是形成疲劳源的重要原因之一，为了提高钢轨的疲劳性能，需要降低氧化物夹杂的总量，因此必须严格控制钢水中全氧含量及Al含量。钢中O≤20ppm、Al≤0.004％。
N由于具有加重钢材的时效性以及使焊接热影响区脆化，对钢轨的使用性能不利。为此，要求钢中N≤60ppm。
钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷，进入钢液的氢会以过饱和状态固溶于铸坯中，当高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。而冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面逸出，在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢的析出使钢轨头部产生微小裂纹。为了避免在钢轨中产生白点，钢中H≤1.5ppm。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢在强调C、Si、Mn、P、S的成分范围基础上，根据客运专线用钢轨对安全性的要求，通过降低钢中P、S、O、N、H含量，减少钢中夹杂物，从而提高钢轨的韧性指标，其中：抗拉强度≥880MPa，延伸率A≥9％，断面收缩率Z≥25％，落锤弯曲度≥47mm；该发明无需添加合金元素或再进行热处理，性价比高，满足了客运铁路安全第一的要求。
具体实施方式
本发明实施例1-9：
用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢的化学成分见表1，表中所列化学成分的余量为Fe及不可避免的杂质，该热轧高韧性碳素钢的试验结果列入表2。
表1
| 实施例(各组分含量(wt.％)) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| C | 0.69 | 0.72 | 0.75 | 0.70 | 0.71 | 0.64 | 0.60 | 0.80 | 0.69 |
| Si | 0.25 | 0.20 | 0.32 | 0.15 | 0.23 | 0.5 | 0.1 | 0.6 | 0.25 |
| Mn | 1.10 | 1.15 | 1.20 | 1.25 | 1.30 | 1.50 | 0.7 | 1.7 | 1.10 |
| P | 0.012 | 0.009 | 0.015 | 0.008 | 0.011 | 0.010 | 0.009 | 0.011 | 0.012 |
| S | 0.009 | 0.011 | 0.007 | 0.005 | 0.008 | 0.006 | 0.011 | 0.008 | 0.009 |
| N | 0.0045 | 0.0050 | 0.0040 | 0.0055 | 0.0043 | 0.0041 | 0.0050 | 0.0043 | 0.0045 |
| Al | 0.0035 | 0.0030 | 0.0038 | 0.0036 | 0.0028 | 0.0029 | 0.0030 | 0.0028 | 0.0035 |
| O | 0.0018 | 0.0013 | 0.0009 | 0.0008 | 0.0007 | 0.0015 | 0.0013 | 0.0007 | 0.0018 |
| As | 0.0060 | 0.0052 | 0.0054 | 0.0050 | 0.0056 | 0.0048 | 0.0052 | 0.0048 | 0.0090 |
| H | 0.00010 | 0.00005 | 0.00011 | 0.00009 | 0.00008 | 0.00003 | 0.00005 | 0.00008 | 0.00010 |
| Fe及不可避免的杂质 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 | 余量 |
本发明的生产方法为：
铁水脱硫处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→堆垛缓冷→铸坯加热→轧制→钢轨(带预弯)冷却→复合矫直→精整→钢轨进入检测中心检查→人工检查→入库。
表2
由上表可知，实施例9不能达到用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢的性能要求。实施例1-8均可实现发明目的，由于延伸率A、断面收缩率Z、落锤弯曲度越大显示韧性越好，因此其中的实施例2，4，6为最佳实施例，实施例1，3，5为较佳实施例。
Claims (3)
1.用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比计组成为：C：0.60～0.80％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.70～1.70％、P≤0.020％、S≤0.020％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、As≤0.007％，H≤0.00015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比计组成为：C：0.69-0.75％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.10-1.30％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、H≤0.00015％、As≤0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.用于客运钢轨的热轧高韧性碳素钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比计组成为：C：0.69-0.73％、Si：0.20-0.30％、Mn：1.10-1.25％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤0.002％、N≤0.006％、Al≤0.004％、H≤0.00015％、As≤0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。
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