CN105112786B

CN105112786B - 一种超级珠光体钢轨钢及其制备方法

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Publication number: CN105112786B
Application number: CN201510628532.4A
Authority: CN
Inventors: 张福成; 吕博; 王明明; 李艳国; 郑炀曾
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105112786A

Abstract

一种超级珠光体钢轨钢，它的化学成分质量百分比为(wt％)：C0.75‑0.78、V0.05‑0.09，锰、硅、铬的含量要满足以下三个不等式：1Mn+2Si+2Cr<4、1Mn+1Si+2Cr<3和1Mn+1Si+3Cr>3。上述超级珠光体钢轨钢的制造方法：将上述成分的钢锭进行轧制，温度为1180～1220℃，轧制变形比为8；然后冷却到1100℃，轧制变形量50～65％；再冷却到1000℃，轧制变形量50～70％，然后冷却至室温。本发明成本较低、易于在生产中在线生产，超级珠光体钢轨钢的抗拉强度达到1500MPa、屈服强度达到1000MPa、冲击韧性达到8J/cm²、延伸率达到12％，硬度达到HRC44，弯曲应力疲劳强度达到750MPa.m^‑1/2。

Description

一种超级珠光体钢轨钢及其制备方法

技术领域

本发明属金属材料科学技术领域，特别涉及一种高速重载铁路轨道钢及其制备方法。

背景技术

从金属学角度来讲，当钢中的C含量超过共析点成分0.77％时，将在奥氏体中先析出先共析渗碳体(二次渗碳体)。共析碳化物的产生会严重降低钢轨的塑性和韧性，给钢轨使用带来巨大的安全隐患，这是绝对不容许的。然而，当在奥氏体向珠光体转变温度区间内提高冷速时，即使C含量超过共析点，也可抑制先共析渗碳体的形成，从而形成伪共析珠光体，并且随着冷速的提高，伪共析珠光体的C含量的上限也会提高。

现有高强度珠光体钢轨钢中基本都含有一定量的锰、铬和硅，Mn的加入降低相变A₁、A₃及A_cm温度；Cr的加入则提升A₁、A₃及A_cm温度；Si的加入降低A₁温度，但提升A₃及A_cm温度。另外，Al也可以提升A₁、A₃及A_cm温度。可以利用锰当量表示合金元素对珠光体的影响，添加1wt％的Mn相当于添加2wt％的Si，或者相当于添加1.8wt％的Cr，这样用三者换算出的锰当量来代替合金元素总量，而不是对合金元素单纯的相加。对于降低共析点碳含量的作用，Si、Cr的影响能力相当，但进一步相当于Mn的2倍。对于转变时间，Al含量较低时(＜0.1wt％)可以促进珠光体转变，但增加Al含量其推迟转变能力类似于Mn的作用，而Si的推迟作用要小于Mn的作用。对于珠光体片间距而言，Cr、Mn、Si、Al合金元素均可减小片间距，但Cr的影响最为强烈，Mn、Si、Al作用相当。对于珠光体钢共析点温度的影响规律是，Al提升共析点温度作用最强烈，Si、Cr作用类似，而Mn则强烈降低共析点温度。研究表明，稳定奥氏体元素的加入，如Mn、Ni等，降低了共析点转变温度，因此珠光体转变的驱动力降低，转变速度减慢；而对于稳定铁素体的元素的加入，如Cr、Al、Si等，提升了共析转变温度，使珠光体转变温度提升，促进了珠光体转变。

目前，关于珠光体钢轨的专利、论文、研究报告数不胜数，但与本申请专利相近的主要有以下专利。

中国专利201410285670.2，该专利涉及一种纳米珠光体钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体平均片厚度间距为60nm左右的钢轨，钢的化学成分wt％为：C：0.83～0.93，Mn：0.05～0.10，Al：(8～12)Mn，Si：1.5-Al，Cr：1.0～1.5，Co：0.1～0.3，Zr：0.35～0.55，Mg：0.02～0.06，Cu：0.01～0.05，S＜0.025，P＜0.025，其余为Fe。它的制备方法主要是：开始轧制温度不高于1150℃，轧制变形速率为5～8s^-1，单道次变形量为30～50％，总压缩比应大于10，终轧温度不低于950℃；轧后空冷至轨头温度为850℃保温20～30min，接着以30～50℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温30～40min，之后空冷至350℃保温60～90min，最后空冷至室温；再加热到250～300℃，保温60～90min进行去应力回火处理。中国专利200510022444.6，该专利提供了一种珠光体类热处理钢轨及其生产方法，其化学成分按重量百分比包括：C：0.70％～0.95％、Si：0.20％～1.10％、Mn：0.50％～1.50％、V：0.01％～0.20％、Cr：0.15％～1.20％、P：≤0.035％、S：≤0.035％和Al：≤0.005％。该方法包括：冶炼、浇铸并轧制，从650～880℃以1～10℃/s的冷速冷却到400～500℃，或将冷却到室温的钢轨钢先加热到850～1100℃后，再自然冷却到650～880℃，以1～10℃/s的冷速冷却到400～500℃，然后在空气中自然冷却到室温。中国专利201010148333.0，该专利涉及高碳高强热处理钢轨及其制造方法，钢轨化学成分按重量百分比包括：C：0.80～1.20％、Si：0.20～1.20％、Mn：0.20～1.60％、Cr：0.15～1.20％、V：0.01～0.20％、Ti：0.002～0.050％、P≤0.030％、S≤0.030％、Al≤0.010％、N≤0.0100％，其余为铁和不可避免的杂质。终轧温度控制在850～980℃，轧制后热态钢轨余热温度为680～900℃。采用喷雾或压缩空气作为冷却介质冷却轨头和轨底，以1.5～10℃/s的冷速冷却轨头和轨底至400℃～500℃，然后采用自然空冷冷却。中国专利200610043112.0，该专利公开了一种珠光体轨道钢，其合金成分的重量百分比为：C：1.0～1.8％，Al：0.1～6.0％，Cr：0.1～2.5％，Mn：0.2～0.8％，Si：0～1.5％，Mo：0～0.8％，Nb：0～0.1％，V：0～0.1％，Ti：0～0.1％，Re：0～0.05％，余量为Fe。制备方法包括：熔炼、铸锭方法获得坯料，然后进行大变形量变形，空冷后所得材料无须热处理。中国专利201010034200.0，该专利涉及一种重轨钢，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％。钢轨奥氏体化后空冷可以获得超细珠光体组织。

日本专利JP63-024045，该专利设计了一种钢轨用钢，钢的成分为：0.5～0.85％C,0.1～1％Si,0.5～1.5％Mn，≤0.035％P，≤0.035％S，≤0.050％Al，其余是Fe和不可避免的微量杂质元素，或者在成分中添加0.05～1.5％Cr，0.02～0.2％Mo，0.01～0.1％V，0.1～1％Ni和0.005～0.05％Nb中的一种或多种。还有日本专利JP5171268-A，该专利设计了一种珠光体钢，钢的成分为：C0.6～1％，S0.1％～1％，Mn0.4～1.5％，Al最多为0.02％，B0.0005～0.004％，N最多为0.003％，并至少添加了以下元素中的至少一种，Cr0.05～2％，Mo0.05～0.5％，V0.02-0.1％，Nb0.01～0.05％和Co0.1～2％。钢加热到1000～250℃并轧制，轧制后的冷却方法为：在900～800℃范围内至少要超过空冷速度，在800～750℃范围内以不超过50℃/min的速度冷却，然后以100～300℃/min的冷却速度冷却到500℃以下。

美国专利US,2003192625-A1，该专利设计了一种全珠光体钢轨用钢，钢的成分为：C：0.9～1.1％，Si：0.26～0.8％，Mn：0.8～1.2％，Cr最多为0.35％，其余是铁和其他元素。热轧钢坯，终轧温度为800～1000℃,然后轧制成钢轨，再以3.3～4.3℃/s的冷却速率冷却钢轨到珠光体开始形成的温度，最高到400℃。

以上有关珠光体钢钢轨的专利的钢轨强度都比较低，低于1350MPa。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本较低、且易于在生产中在线生产、综合力学性能好的超级珠光体钢轨钢及其制备方法。

本发明的超级珠光体钢轨钢的化学成分包括：碳、钒、锰、硅、铬、微合金化元素和铁，其中，各化学成分的质量百分比(wt％)为：C 0.75-0.78、V 0.05-0.09，锰、硅、铬的含量要满足以下三个不等式：1Mn+2Si+2Cr<4、1Mn+1Si+2Cr<3和1Mn+1Si+3Cr>3。1Mn+2Si+2Cr<4是保证钢的碳当量较低、并低于0.85wt％的要求；1Mn+1Si+2Cr<3是保证钢的珠光体转变速度较快、并在500-600℃温度区间10min之内转变完成的要求；1Mn+1Si+3Cr>3是保证钢中珠光体片间距较小、并平均片间距小于120nm的要求；所述微合金化元素为Al、N和Re元素，且0.1wt％<Al+N+Re<0.3wt％；余量为铁。

上述超级珠光体钢轨钢的制备方法：

将上述成分的钢锭采用控轧控冷技术制造，开始轧制温度1180～1220℃，轧制变形比为8；然后以250-300℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量50～65％；再以150-200℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量50～70％；在1000℃-950℃温度区间内冷速120～135℃/min，在950-600℃温度区间冷速为60-80℃/min，在600-500℃温度区间冷速5～10℃/min，500℃以下空冷至室温。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的超级珠光体钢轨钢的综合力学性能指标明显高于其它任何一项珠光体钢轨专利技术所能达到的水平，其抗拉强度达到1500MPa、屈服强度达到1000MPa、冲击韧性达到8J/cm²、延伸率达到12％，硬度达到HRC44，弯曲应力疲劳强度达到750MPa.m^-1/2。

(2)成本较低、且易于在生产中在线生产；适合于制造重载铁路钢轨、高速铁路和重载铁路辙叉翼轨、以及护轨等高速重载铁路轨道零部件。

附图说明

图1是本发明实施例1所获得的超级珠光体钢轨钢的扫描电镜观察的组织图。

具体实施例

实施例1：

采用真空炉后浇铸成钢锭，该钢锭的化学成分为(wt％)：C 0.76、Mn0.12、Si0.60、Cr0.96、V0.068、Al0.1、N0.005、Re0.10，其余为铁；然后将钢锭加热到1210℃开始轧制，轧制变形比为8；然后以250℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量55％；再以200℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量60％；在1000℃-950℃温度区间内冷速为125℃/min，在950-600℃温度区间冷速为62℃/min，在600-500℃温度区间冷速为8℃/min，500℃以下空冷至室温，获得超级珠光体钢轨钢。如图1所示，其中的组织是铁素体和渗碳体相间的超细片状组织，片间距为100nm以下。该钢抗拉强度达到1550MPa、屈服强度达到1020MPa、冲击韧性达到10J/cm²、延伸率达到12％，硬度达到HRC45。

实施例2：

采用真空炉后浇铸成钢锭，该钢锭的化学成分为(wt％)：C 0.77、Mn0.43、Si0.58、Cr0.69、V0.079、Al0.1、N0.006、Re0.12，其余为铁；然后将钢锭加热到1180℃开始轧制，轧制变形比为8；然后以280℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量60％；再以180℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量69％；在1000℃-950℃温度区间内冷速为130℃/min，在950-600℃温度区间冷速为70℃/min，在600-500℃温度区间冷速为5℃/min，500℃以下空冷至室温，获得超级珠光体钢轨钢。该钢抗拉强度达到1567MPa、屈服强度达到1031MPa、冲击韧性达到9.5J/cm²、延伸率达到13％，硬度达到HRC45。

实施例3：

采用真空炉后浇铸成钢锭，该钢锭的化学成分为(wt％)：C 0.78、Mn0.49、Si0.95、Cr0.55、V0.052、Al0.2、N0.012、Re0.05，其余为铁；然后将钢锭加热到1220℃开始轧制，轧制变形比为8；然后以300℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量65％；再以150℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量70％；在1000℃-950℃温度区间内冷速为132℃/min，在950-600℃温度区间冷速为75℃/min，在600-500℃温度区间冷速为9℃/min，500℃以下空冷至室温，获得超级珠光体钢轨钢。该钢抗拉强度达到1580MPa、屈服强度达到1060MPa、冲击韧性达到8J/cm²、延伸率达到13％，硬度达到HRC46。

实施例4：

采用真空炉后浇铸成钢锭，该钢锭的化学成分为(wt％)：C 0.75、Mn0.78、Si0.45、Cr0.75、V0.089、Al0.2、N0.016、Re0.00，其余为铁；然后将钢锭加热到1200℃，轧制变形比为8；然后以260℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量50％；再以160℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量52％；在1000℃-950℃温度区间内冷速为128℃/min，在950-600℃温度区间冷速为80℃/min，在600-500℃温度区间冷速为6℃/min，500℃以下空冷至室温，获得超级珠光体钢轨钢。该钢抗拉强度达到1570MPa、屈服强度达到1040MPa、冲击韧性达到8J/cm²、延伸率达到12％，硬度达到HRC46。

Claims

1.一种超级珠光体钢轨钢的制备方法，所述超级珠光体钢轨钢的化学成分包括：碳、钒、锰、硅、铬及微合金化元素，其中，各化学成分的质量百分比wt％为：C0.75-0.78、V0.05-0.09，锰、硅、铬的含量要满足以下三个不等式：1Mn+2Si+2Cr<4、1Mn+1Si+2Cr<3和1Mn+1Si+3Cr>3，微合金化元素为Al、N和Re元素，且0.1wt％<Al+N+Re<0.3wt％，余量为铁；所述1Mn+2Si+2Cr<4是保证钢的碳当量较低、并低于0.85wt％的要求；所述1Mn+1Si+2Cr<3是保证钢的珠光体转变速度较快、并在500～600℃温度区间10min之内转变完成的要求；所述1Mn+1Si+3Cr>3是保证钢中珠光体片间距较小、并平均片间距小于120nm的要求，其特征在于：将上述成分的钢锭采用控轧控冷技术制造，开始轧制温度1180～1220℃，轧制变形比为8；然后以250～300℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量50～65％；再以150～200℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量50～70％；在1000℃～950℃温度区间内冷速120～135℃/min，在950-600℃温度区间冷速为60-80℃/min，在600～500℃温度区间冷速5～10℃/min，500℃以下空冷至室温。