CN104060187B

CN104060187B - 耐腐蚀性的微合金化钢和钢轨及其制备方法

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Publication number: CN104060187B
Application number: CN201410334327.2A
Authority: CN
Inventors: 韩振宇; 邹明; 贾济海; 郭华; 李大东; 邓勇; 王春建; 袁俊; 陈崇木
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Steel and Vanadium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Steel and Vanadium Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-07-14
Also published as: MY171873A; CN104060187A

Abstract

本发明涉及一种钢轨材料，具体涉及耐腐蚀性的微合金化钢。本发明所要解决的技术问题是提供耐腐蚀性的微合金化钢，其化学成分由以下重量百分比的元素组成：C：0.73％～0.85％，Si：0.30％～0.90％，Mn：0.80％～1.20％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：0.30％～0.50％，Ni：Cu含量的1/2～2/3，P：0.03％～0.05％，S：≤0.025％；以下三种元素中的至少一种：V：0.04％～0.12％，Nb：0.02％～0.06％、Re：0.005％～0.05％；余量为Fe和不可避免的杂质。钢轨产品的显微组织为珠光体+微量铁素体，抗拉强度≥1000MPa、具有良好的耐海洋环境及大气环境腐蚀性能，适宜于沿海地区及高相对湿度隧道应用。

Description

耐腐蚀性的微合金化钢和钢轨及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨材料，具体涉及耐腐蚀性的微合金化钢轨及其制备方法。

背景技术

钢轨作为引导列车运行并将载荷传递至道床的结构件，直接关系到铁路的运输效率和行车安全。由于铁路长期暴露于自然环境中，因而铁路用钢不仅要满足各项力学性能要求，还同时要具有一定的耐腐蚀性能。在钢轨服役过程中，不仅要承受各项复杂应力作用，还将面临因长期腐蚀导致的失效问题。在气候半湿润或干旱地区，采用普通碳素或微合金化钢制造的钢轨在服役周期内通常不会因腐蚀问题影响其使用寿命。相比之下，在沿海或桥隧区域铺设的钢轨，由于长期处于海洋环境和高湿度环境中，钢轨腐蚀问题的影响很更加显著，适当提高钢轨的耐腐蚀性能，使其至少满足一个换轨周期的要求，避免因腐蚀问题导致钢轨提前下道将是今后亟待解决的一个问题。此外，我国高速铁路路网布局已初具规模，由于高铁主要位于东南沿海区域；同时，高速铁路用钢轨的预期服役寿命一般在15年以上，远高于普通客货混运或重载铁路钢轨。因此，随着服役时间的延长，钢轨的腐蚀问题将逐步显现，研制出既能够满足铁道行业标准规定的组织与性能指标要求，同时耐腐蚀性能在现有钢轨基础上显著提高的钢轨新产品对促进我国铁路发展具有重要意义。

研究表明，提高钢轨的耐腐蚀性能通常有以下三种方法：一是表层涂覆耐腐蚀液态材料，通过在钢轨表层人为覆盖一层与基体隔离的薄膜，避免钢轨基体与空气或其它介质接触，提高钢轨耐腐蚀性能；二是通过牺牲阳极提高钢轨的耐腐蚀性能；三是通过向普通碳素轨中添加Cu、Cr、Ni等耐腐蚀元素，提高钢轨基体的耐腐蚀性能。前述两种方法的耐腐蚀原理与本发明有本质不同，对于第三种方式，是目前国内外的重点研究方向。

申请号为201010034200.0的发明专利公开了一种具有优良强韧性能抗疲劳性能和耐磨性能耐蚀重轨钢，其基本合金体系中合金元素的重量百分含量为：C：0.55％～0.72％、Si：0.35％～1.1％、Mn：0.7～1.40％、Cr：0.2％～0.65％、Cu：0.2％～0.65％，余量为Fe，在上述基本成分基础上，同时添加一种或几种微合金元素Nb、V、Ti、Ni、Mo，其中Nb：0.01％～0.055％、V：0.05％～0.10％、Ti：0.001％～0.05％；Ni：0.1％～0.3％、Mo：0.15％～0.3％。通过分析可知，该专利采用了在现有碳素钢轨钢的基础上添加Cr、Cu等廉价耐腐蚀合金元素的方式提高钢轨的耐腐蚀性能；同时，根据性能的需要添加V、Nb、Ti等合金元素，依据添加量不同在钢中发挥固溶或析出强化作用，最终提高钢轨的强韧性。

研究表明，在低碳或超低碳钢中添加Cr、Cu、Ni等元素同时增加提高耐腐蚀性能显著的P元素含量，可以在原有碳素钢的基础上显著提高耐大气及海洋环境性能，如我国早期研制的09CuPTiRE、09CuPCrNi耐候钢等。对于如钢轨等高碳钢，添加Cr、Cu、Ni元素对于组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响与低碳钢有类似之处，同时也存在明显不同。首先，Cr含量是目前钢轨钢普遍采用的强化元素，提高Cr含量不仅对强韧性提高显著，同时也能够提高耐腐蚀性能；添加0.2％～0.65％的Cu以及根据需要添加0.1％～0.3％的Ni能够略微提高钢轨的强硬度指标而不损失韧塑性；对于耐腐蚀性能，如钢中P含量≤0.025％，对于耐海洋环境耐腐蚀性能尚有一定帮助，但在大气酸性环境下，其耐腐蚀性能无法得到有效提高。同时，Cu含量超过0.5％以后，还将引起焊接性能特别是铝热焊冲击韧性的恶化并增加铜脆的倾向性，不利于钢轨的服役安全。同时，该专利中碳含量上限为0.72％，钢轨强度级别较低，仅能满足高速及普通客货混匀铁路需要，难以满足大轴重、大运量重载铁路运输需求。因此，亟需一种耐腐蚀性能优良的高强度钢轨满足铁路发展需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供耐腐蚀性能优良的微合金化钢。

本发明耐腐蚀性的微合金化钢，其化学成分由以下重量百分比的元素组成：C：0.73％～0.85％，Si：0.30％～0.90％，Mn：0.80％～1.20％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：0.30％～0.50％，Ni：Cu含量的1/2～2/3，P：0.03％～0.05％，S：≤0.025％；以下三种元素中的至少一种：V：0.04％～0.12％，Nb：0.02％～0.06％、Re：0.005％～0.05％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明专利含有0.30％～0.50％的Cu、Cu含量1/2～2/3的Ni以及0.03％～0.05％的P，三种元素缺一不可。

Cu含量需要严格控制在0.30％～0.50％。当钢中Cu含量＜0.20％，作为钢中提高耐腐蚀性能最重要的元素，无法发挥相应作用，进而达到本发明提高钢轨耐腐蚀性能的目的；当钢中Cu含量＞0.50％，一方面，如在强氧化气氛中较长时间高温加热及保温时，由于Fe的选择性氧化，在岗的表层氧化皮与基体界面将富集一层熔点低于1100℃的富Cu相，并沿奥氏体晶界渗透，将使钢坯以及轧制后的钢轨产生表层裂纹或角裂；另一方面，通过焊接模拟实验证实，Cu含量提高后将显著恶化钢轨的焊接性能特别是铝热焊的冲击韧性，不利于钢轨接头的服役安全性。因此，Cu含量为0.30％～0.50％为宜。

Ni含量为Cu含量的1/2～2/3。在含Cu钢中添加Ni，能够提高Cu在奥氏体中的溶解度，在含Cu钢中加入一定量的Ni，能够防止Cu脆现象的发生,同时可进一步提高钢轨的耐腐蚀性能，由于Ni为昂贵合金元素，适宜的含量为Cu含量的1/2～2/3，即Ni在钢中的作用除提高耐腐蚀性能外，主要用于减轻Cu含量提高对钢轨各项指标的危害。

对于钢中的P元素，则是耐腐蚀钢材中作用仅次于Cu的最重要的耐腐蚀元素，P在钢中提高耐大气腐蚀方面有着特殊的作用，主要表现为P促使非晶态锈层的形成并改善锈层结果，提高致密度及和钢表面的粘结性、增强与大气隔离方面有着独特的效应有关。钢中适量的Cu和P同时添加到钢中，其复合耐腐蚀作用更加显著。因此，低于耐腐蚀钢中的P含量，一般不宜超过0.1％。然而，P提高耐腐蚀性能的同时也带来了脆性增加、韧塑性特别是冲击韧性降低的危害，在钢轨等高碳钢中十分明显。研究表明，既要发挥P对提高耐腐蚀性能的有益作用，又要降低因脆性导致服役风险的增加，适宜的P含量控制在0.03％～0.05％为宜，如P含量低于0.03％，钢轨在大气环境中的耐腐蚀性能无法有效提高；如P含量高于0.05％，钢轨脆性过大，无法满足服役要求。

本发明耐腐蚀性的微合金化钢的显微组织为珠光体或者珠光体和少量铁素体的混合体，其力学性能为：抗拉强度Rm≥1000MPa，A≥11％。

本发明耐腐蚀性的微合金化钢可采用常规工艺制备。

本发明还提供本发明耐腐蚀性的微合金化钢制备的钢轨。

本发明耐腐蚀性的微合金化钢，可用以下方法制备成大轴重、大运量重载铁路运输用的钢轨：采用转炉或电炉冶炼含所述成分的钢水，经炉外精炼、真空脱气处理，连铸为大方坯后送入加热炉加热并保温，采用孔型法或万能法轧制成单重50～75kg/m钢轨，空冷至室温后可获得耐腐蚀性能优良的微合金化钢轨。可采用如下的具体工艺步骤：将含本发明所述化学成分的钢，经转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空处理后浇铸为一定断面连铸坯后，送至步进式加热炉中加热至1200～1300℃并保温3h以上，将钢坯轧制为50～75kg/m所需断面钢轨，空冷至室温并完成后续矫直、探伤、加工等工序后获得成品钢轨。

本发明钢轨产品的显微组织为珠光体+少量铁素体，抗拉强度≥1000MPa、耐海洋环境及酸性大气环境，在海洋环境中锈蚀率不超过相同条件下普通碳素钢轨的1/2，在酸性大气环境中锈蚀率不超过相同条件下普通碳素钢轨的2/3，适宜于沿海地区及高相对湿度隧道应用。

具体实施方式

本发明耐腐蚀性的微合金化钢可采用常规工艺制备。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本发明耐腐蚀性的微合金化钢，选用本发明所述的化学成分，其中，C含量0.73％～0.85％、Si含量0.30％～0.90％、Mn含量0.80～1.20、Cr含量0.20％～0.40％，Cu含量0.30％～0.50％、Ni含量为Cu含量的1/2～2/3、P含量0.03％～0.05％、S含量≤0.025％，同时，可根据需要至少添加V(0.04％～0.12％)、Nb(0.02％～0.06％)、Re(0.005％～0.05％)中一种，余量为Fe和不可避免的杂质，具体各组的化学成分见表1。

表1本发明八组实施例化学成分

对比例1

微合金化钢，其具体化学成分见表2。其中，1#、2#为申请号为201010034200.0的专利公开的成分、3#～8#采用Cr、Ni、Cu，同时添加V、Nb或Re中的一种复合微合金化，钢中P含量为不可避免的残余，9#为我国铁标中U75V钢轨、10#为我国铁标中U71Mn钢轨。

表2十组对比例化学成分

试验例1

将实施例1和对比例1中所述化学成分的钢经转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空处理后浇铸为一定断面连铸坯后送至步进式加热炉中加热至1200-1300℃并保温3h以上，将钢坯轧制为50-75kg/m所需断面钢轨，空冷至室温并完后续矫直、探伤、加工等工序后获得成品钢轨，进行显微组织、拉伸性能及周期浸润加速腐蚀试样测试，试验过程如下：

模拟大气酸性及海洋环境周期浸润加速腐蚀试验参数。

①温度：45±2℃

②湿度：70±5％RH

③每一个循环周期60±3min，其中，浸润时间12±1.5min

④循环次数：100次

⑤烘烤后试样表面最高温度：70±10℃

⑥溶液：大气酸性环境：0.05mol/l NaHSO₃

海洋环境：质量分数为2％的NaCl

试验结束后，取出试样，流动水冲洗并自然过夜干燥后，称重。

根据GB/T16545-1996对试样表面的腐蚀产物进行清除。根据公式r_corr＝m/(A×t)计算腐蚀速率。其中，m为失重量，单位是g；A为试样表面面积，单位为m2，t为腐蚀时间，单位为h，每种工艺下每组成分试样3片，计算平均腐蚀速率。

实施例1及对比例1的显微组织、拉伸性能及腐蚀速率见表3。

表3实施例及对比例的显微组织、拉伸性能及腐蚀速率

测试结果表明，钢的显微组织均为珠光体，部分试样包含少量铁素体。实施例抗拉强度均＞1000MPa，同时延伸率＞10％。本发明实施例在0.05mol/L的NaHSO₃溶液中腐蚀速率在0.985～1.250g/(m²·h)之间，采用已有专利公开的对比例1#、2#钢腐蚀速率分别为2.138g/(m²·h)、2.227g/(m²·h)，采用与本发明成分相近，但钢中P含量为不可避免的残余的3#～8#钢的腐蚀速率在2.196～2.617g/(m²·h)之间，而目前我国铁路广泛应用的9#(U75V钢轨)、10#(U71Mn钢轨)的腐蚀速率分别为2.196g/(m²·h)、2.010g/(m²·h)，表明采用本发明所述方法制造的钢轨在大气酸性环境中的相对腐蚀速率未超过普通碳素及微合金钢的2/3。同样地，在2％NaCl溶液中，采用本发明所述方法制造的钢轨在海洋环境下的相对腐蚀速率未超过普通碳素及微合金钢的1/2，钢轨具有优异强韧性配合的同时具有优良的耐大气及海洋环境腐蚀性能，适宜于沿海地区及高相对湿度隧道应用。

Claims

1.耐腐蚀性的微合金化钢，其特征在于，其化学成分由以下重量百分比的元素组成：

C：0.73％～0.85％，Si：0.30％～0.90％，Mn：0.80％～1.20％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：0.30％～0.50％，Ni：Cu含量的1/2～2/3，P：0.05％，S：≤0.025％；

以下三种元素中的至少一种：V：0.04％～0.12％，Nb：0.02％～0.06％、Re：0.005％～0.05％；

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀性的微合金化钢，其特征在于：钢的显微组织为珠光体或者珠光体和少量铁素体的混合体，力学性能为：抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥11％。

3.权利要求1或2所述的耐腐蚀性的微合金化钢制备的钢轨。

4.制备权利要求3所述的钢轨的方法，其特征在于步骤如下：用转炉或电炉冶炼钢水，经炉外精炼、真空脱气处理，连铸为大方坯后送入加热炉加热并保温，采用孔型法或万能法轧制成单重50～75kg/m钢轨，空冷至室温后，获得耐腐蚀性的微合金化钢轨。