CN105695849B

CN105695849B - 一种利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法以及钢轨

Info

Publication number: CN105695849B
Application number: CN201610154714.7A
Authority: CN
Inventors: 包喜荣; 王晓东; 陈林; 田仲良
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: CN105695849A

Abstract

本发明涉及利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法以及钢轨，在所述方法中包括：冶炼步骤，其中包括：脱氧脱硫步骤、元素添加步骤以及精炼和真空脱气步骤；轧制步骤；以及冷却步骤。根据该制备方法，由于添加了稀土La，稀土La会与价格低廉的Mn、Cr、Si合金元素共同增强淬透性的作用，提高强化效果，并且不添加昂贵合金Ni，结合轧后分阶段控制冷却进一步提高钢的强度；同时利用稀土在贝氏体钢中的变质夹杂、净化晶界、细化贝氏体板条、促进位错生成等作用来提高钢的韧性，从而使本发明所述钢轨获得优良的强韧性能。

Description

一种利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法以及钢轨

技术领域

本发明涉及钢轨的制造方法及其钢轨，尤其涉及利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法及其钢轨。

背景技术

随着高速铁路在世界范围内的蓬勃发展，对高速铁路钢轨的综合性能提出日趋苛刻的要求。贝氏体钢轨是我国根据铁路发展需要和自身资源特色开发的新一代超高强度钢轨，因独特的成分设计而具备超高强度(可达1500MPa)，其成分特色是钢中加入Mn、Cr、Mo、Ni等合金，提高贝氏体空冷淬透性，抑制碳化物析出，使C固溶，这样可对强度产生最大贡献；其空冷自硬化特性可实现钢轨的超短工艺流程生产，从而具有增加效益、节约能源、减少污染等一系列优点，使其成为高速铁路钢轨更新换代的新钢种。

但是随着强度的不断增加，贝氏体钢轨的韧性略显不足，以及环境中的氢元素进入钢轨中导致的延迟断裂等问题，大大削弱了贝氏体钢轨在强度性能方面的优势，强度与韧性的突出矛盾成为急需解决的研究难题；而且钢中加入较多的昂贵合金元素Mo、Ni，导致生产过程中的能耗增加，加大钢材使用后的回收难度，不利于提高经济效益以及环境的保护。此外，由于微合金贝氏体钢轨成分复杂，加之钢轨自身的断面特点，其冷却过程转变组织复杂多样，微观组织演变规律尚不明确，结果较难得到理想的强韧配比优良的贝氏体组织，致使钢轨在使用初期便出现了轨裂，同时伴有剥离掉块现象。

公开号为CN1916195的专利申请提供一种超高强度超低碳贝氏体钢的制备方法、公开号为CN255949的专利申请提供一种具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨、公开号为CN510156的专利申请提供一种抗磨损、高强韧性准贝氏体钢轨及其制造方法，上述申请都描述了一般的低碳贝氏体钢轨用钢，虽然合金元素Si、Mn、Cr、Mo含量低，但贝氏体的形成需要在较高温度下发生长时间转变，增加了生产环节及生产成本，而且钢的强度不是很高；公开号为CN103451556A的专利中用提高碳含量固溶强化来提高强度，也不能达到最佳的强化效果。

公开号为CN103243275B的专利申请提供了一种钢轨用贝氏体/马氏体/奥氏体复相高强钢的制备方法，其金相组织中含有马氏体，如果钢轨矫后残余应力大，易使钢轨在使用中造成开裂；钢中贝氏体体积分数仅为20-50％，并未细述其优势；而且为稳定这种复相钢组织，消除残余应力，还要将钢坯在200-350℃下保温6-60小时进行回火稳定化处理，并且少量不稳定的残余奥氏体还是有可能发生马氏体化。

公开号为CN102899471A、CN103160736A的专利申请提供了贝氏体钢轨的热处理方法，不仅使生产工序繁杂，控制不当还会造成杂质元素在晶界偏聚，残余奥氏体发生分解，析出碳化物，反而会使韧性不利，且钢轨的特殊断面形状并不适合采用回火热处理来提高韧性。

公开号为CN101586216B、CN101921971B等的专利申请所提供的钢轨都未对组织形态进行描述，因为贝氏体组织形态千差万别，会使贝氏体钢轨具有不同的强韧性水平，尤其是贝氏体钢轨组织中应避免大块M-A岛、不稳定残余奥氏体，否则易诱发马氏体相变，增加钢轨对氢元素及非金属夹杂的敏感性，降低钢轨性能，特别是韧性，导致钢轨在使用出现安全隐患。

公开号为CN101613830B的专利申请介绍了一种热轧贝氏体钢轨及生产工艺，其成分设计中采用复合式方法加入Nb、V、Ti，因Nb、V、Ti属于强碳化物形成元素，其未溶的强碳化物硬质相较粗大，容易成为疲劳裂纹源，降低冲击韧性。

公开号为CN102899471A、CN103160736A、CN104087852A、CN102936700A的专利申请中，所述贝氏体钢轨组织均属于粗晶或微晶尺度，未达到纳米晶尺度，所谓的超细贝氏体钢轨的板条厚度也都在100nm以上，而且也未涉及板条内的超细亚结构对强韧性能的贡献，那么相应的钢轨性能潜力就未得到充分的挖掘。

公开号为CN101624683B的专利申请介绍了一种超高强度贝氏体钢轨用钢及其制造方法，虽然为纳米超细组织，但并未详细说明其贝氏体板条尺寸及细化原因。

上述专利所涉及贝氏体钢轨中存在以下各种技术问题：贝氏体钢轨中添加较多昂贵合金Mo、Ni合金；贝氏体钢轨的强度与韧性、延伸性很难同时匹配，换轨频繁；钢轨的制造、加工工艺及后序热处理工序繁杂，过程不易控制，不利于节能减排等等；这些因素大大限制了贝氏体钢轨的推广应用。

不断提高的冶炼技术水平使钢的洁净度越来越高，稀土在洁净钢中的微合金化作用被发现和采纳。但是目前针对稀土在含Mn、Cr等合金的空冷贝氏体钢轨中的应用还未见相关专利及报道。

发明内容

基于上述技术背景，本发明提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法以及依据该方法制造出的钢轨，其组织为带有微孪晶板条及高密度位错的纳米级贝氏体精细板条，钢轨具有优良强韧性配比。

本发明提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，包含如下步骤：

冶炼工艺：其中包括：1)脱氧脱硫步骤，对所述纳米贝氏体钢轨的材料基体进行脱氧脱硫，以便纯净的材料组织；2)元素添加步骤，在所述纯净的材料组织中，添加的元素和含量重量百分比计分别为：碳C：0.18％-0.30％，锰Mn：1.4％-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25-0.32％，镧La：0.0050％-0.015％，其余为铁Fe及杂质，合金元素锰、硅、铬和钼的总量满足关系：3.0≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％；3)精炼步骤，对于元素添加后得到的所述材料组织进行真空脱气处理，然后连铸成坯，随后轧制成钢轨；

轧制步骤：将铸坯加热至1200℃-1250℃，粗轧孔型轧制的开坯温度为1180℃，万能精轧的终轧温度范围为960℃-980℃；以及

冷却步骤：以分阶段控制冷却方式，对轧制后的所述钢轨进行冷却：首先利用所述轧制后的余热，将所述钢轨快冷至860℃；在860℃-450℃温度区间，冷却速度小于5℃/S；450℃-250℃温度区间，冷却速度小于2℃/S；250℃后空冷至室温。

在本发明中，钢中加入稀土La元素，La能够增强Mn、Cr、Mo等合金元素的淬透性，大大提高强化效果，结合热轧过程中的形变强化、稀土抑制再结晶细化晶粒作用、贝氏体相变过程中的控制冷却及稀土细化贝氏体板条作用，可将贝氏体铁素体板条细化至72nm～95nm，亚片条细化至50nm以下。

本发明的发明人经过深入微观结构观察，发现在本发明的钢的贝氏体铁素体板条内部存在两种亚结构：2nm-5nm的超细孪晶板条及高密度位错，二者分别起到了显著的形变细晶强化及位错强化效果，这对贝氏体钢轨的高强韧性能做出了突出贡献，同时促成了硬度的迅速增加，耐磨性也随之提高，这与稀土促进位错生成及提高位错密度的研究报道相符。同时发现，本发明钢中贝氏体铁素体板条间存在残余奥氏体(RA)，能够吸收部分冲击功并使疲劳裂纹尖端钝化，大大改善韧性；因稀土La的加入，使其比例可控制在1％-5％，并呈现细条状，而非粗大块状，使本发明钢中的RA机械稳定性强，外力作用下不易诱发马氏体转变，保证了铁轨使用中的可靠性及安全性。

本发明钢中添加稀土La后，能有效提高钢的淬透性，提高强化效果；轧制过程中稀土抑制再结晶、细化晶粒；贝氏体形核及其长大过程中稀土细化贝氏体铁素体板条；稀土促进贝氏体板条内位错的生成；稀土影响残余奥氏体数量及其形貌；稀土在贝氏体钢中可起到变质夹杂物及净化晶界等作用，上述稀土作用使本发明钢中即使不添加昂贵合金Ni元素，也能保证本发明钢抗拉强度不低于1500MPa，室温下的冲击功不低于80J，硬度可达480HB，同时使钢轨兼具优异的耐磨性、抗疲劳性能及硬度。

本发明钢的合金设计特点是利用稀土与合金元素的这种优势互补作用及稀土自身在贝氏体钢中的独特作用，降低合金成本，且稀土的抑制再结晶作用可提高万能精轧的终轧温度至960℃-980℃的较宽范围，使钢轨在工业化生产中更容易实现本发明采用的分阶段控制冷却工艺，省去繁杂的热处理工艺，提高了本发明钢种的生产工艺适应性。本发明制造成本低廉、工艺简单，便于大规模生产，同时利于节能减排，可实现资源的经济型和可循环利用性。

此外，在轧制工艺中，粗轧孔型轧制的开坯温度为1180℃，因稀土La抑制轧制过程中的再结晶，实现在未再结晶区轧制，增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷，提高形核率，细化晶粒，这样便可将万能精轧的终轧温度提高至960℃-980℃范围内，降低设备消耗，同时保证有效利用轧后余热实现控制冷却，提高钢轨强度，利于节能环保。在冷却工艺中，首先利用轧后余热，快冷至860℃，进一步细化高温细小的奥氏体晶粒；为避免钢轨因横断面冷却不均匀而产生较大弯曲变形、增加矫直应力，860℃-450℃温度区间的冷却速度应小于5℃/S，这样可提高钢轨平直度，确保本发明钢轨使用安全性；450℃-250℃温度区间发生贝氏体转变，为促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最佳强韧性能，冷却速度应控制在0.8℃/S-1.5℃/S范围内，同时为避免生成马氏体，冷却速度须小于2℃/S；250℃后空冷至室温。

进一步地，本发明所述的含稀土La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，中，在所述冷却步骤中，在所述450-250℃温度区间，所述冷却速度控制在0.8℃/S-1.5℃/S范围内。通过将冷却速度控制在0.8℃/S-1.5℃/S范围内，能够促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最佳强韧性能。

进一步地，本发明所述的含稀土La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，中，在所述冶炼步骤中，所述纳米贝氏体材料中含有的磷P、硫S、铜Cu以及铝Al的含量以重量百分比计为：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，铜Cu≤0.10％，铝Al≤0.02％，能够使纳米贝氏体钢轨所用钢为洁净钢，保证稀土La更多地固溶于基体中。

本发明另一方面提供了一种利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法所制造的钢轨，所述钢轨的组织为纳米级贝氏体结构，所述贝氏体结构的组织体积分数为95％以上，所述贝氏体结构的铁素体板条宽度为72nm～95nm，亚片条细化至50nm以下，存在于板条间的薄膜状奥氏体的比例为1％-5％，所述贝氏体结构的贝氏体铁素体板条内存在微细孪晶及高密度位错，所述微细孪晶的板条的尺寸为2nm-5nm，所述高密度位错的位错密度为10⁹-10¹⁰cm^-2。

进一步地，在本发明的钢轨中，所述钢轨的热轧态力学性能为：R_m≥1522MPa，R_p0.2≥900MPa，A≥18％，A_ku2≥83J，HB≥481。

本发明的钢轨所表现出的组织特性及性能够更适用于高速重载铁路线上。

附图说明

图1是本发明提供的钢轨成分实施例5的连续冷却转变曲线。

图2是本发明提供的钢轨成分实施例5的冷却工艺曲线。

图3是本发明提供的钢轨成分实施例5的贝氏体板条透射电镜照片。

图4是本发明提供的钢轨成分实施例5的微观亚结构透射电镜照片。

图5是本发明提供的钢轨成分对比例3的渗碳体透射电镜照片。

具体实施方式

为获得本发明的所述产品，本发明在无碳化物纳米贝氏体成分设计基础上，钢中加入稀土La元素，主要化学元素含量及生产工艺应满足以下要求：C：0.18％-0.30％，Mn：1.4％-1.8％，Si：0.8％-1.0％，Cr≤1.0％，Mo：0.25％-0.32％，La：0.0050％-0.015％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Cu：≤0.10％，Al：≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质，并满足3.0≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％，以下详细说明本发明所述钢轨主要化学元素限制在上述范围的原因：

C：C含量过高，不利于形成贝氏体组织；为使少量C全部固溶，防止碳化物析出，同时又能够获得良好的塑韧性及焊接性能，本发明钢中C含量限定在0.18％-0.30％。

Mn：钢中Mn元素压低Bs点，提高纳米贝氏体空冷淬透性，易得到细小的板条贝氏体，钢的强韧性好；但Mn含量过高易产生偏析，析出马氏体，恶化韧性，故本发明钢中Mn含量控制在1.4％-1.8％。

Cr：Cr可强烈压低ΔBs/ΔMs比值，明显提高钢的淬透性，细化组织、增加位错密度形成超细晶粒，有效提高强韧性能；但为防止形成Cr的碳化物而降低韧性，本发明钢中控制Cr含量为Cr≤1.0％。

Mo：显著降低Bs点，并助于得到稳定及强化的贝氏体组织。本发明钢中由于轧后利用余热结合加速冷却，可实现细化贝氏体板条，故Mo的添加量可降低至0.25％-0.32％。

Si：Si压低Bs点，使CCT曲线右移，并有效抑制碳化物析出，使C固溶，可对强度产生最大贡献，同时增加残余奥氏体稳定性，改善钢的耐磨性及延迟断裂性能；但Si过高则残余奥氏体含量过高，故本发明钢中控制Si含量为0.8％-1.0％。

本发明钢中同时添加Mn、Cr、Mo合金，可强烈提高钢的淬透性，大大增加钢的过冷能力，为保证空冷时足以在较低温度下获得高比例纳米级板条贝氏体组织，同时避免生成马氏体组织，本发明钢中Mn+Si+Cr+Mo含量要求：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。

为使稀土La更多地固溶于基体中，本发明钢要求为洁净钢：P≤0.015％，S≤0.008％，Cu≤0.10％，Al≤0.02％。

La：La可结合Cr、Mn元素共同提高钢的淬透性，保证了本发明钢在空冷条件下即可得到贝氏体组织；同时稀土在晶界的偏聚能抑制合金元素Mn、Cr在晶界的偏聚，强化贝氏体铁素体基体，这对强韧性将有很大贡献；稀土在轧制时可抑制变形过程中的奥氏体再结晶晶粒长大，且稀土可作为贝氏体相变形核质点，增加形核数量，尽可能多地产生板条贝氏体铁素体，使本发明钢中的贝氏体组织体积分数达95％以上；同时稀土易偏聚在晶界、亚晶界及其缺陷处吸引C原子形成偏聚区，并与Si共同作用阻碍BF生长，以激发形核方式形成分枝并将以台阶长大方式生长，使贝氏体条中的亚结构更加丰富细化，将贝氏体铁素体板条宽度细化至72nm～95nm，亚片条细化至50nm以下，亚片条之间和亚单元之间的形变协调性更好，易于松弛微观应力集中，具有明显的细晶强韧化效应；本发明钢中稀土La含量控制为0.0050％-0.015％。优选本发明钢中稀土La含量控制为0.0090％-0.015％，此时，所获得的钢轨力学性能最佳。

另外，稀土与氢的交互作用还可降低白点生成倾向，防止钢轨生产中的氢脆现象；富集于晶界表面的稀土，形成稀土氧化膜，可充当润滑膜，减轻轮轨间的摩擦；稀土具有细化和球化作用，改善钢轨在服役过程中的塑性和横向强度；稀土降低钢轨中硫化物含量，并使细长的硫化物变得短粗，从而提高耐磨性；尤为注意的是，稀土净化晶界，减少有害元素的宏观偏析及在晶界上的偏聚，并使夹杂物变性及细化，减小夹杂物周围的应力集中，从而阻止裂纹的形成及扩展，使钢的韧性尤其是低温韧性得到明显改善，这对承受高速重载的钢轨来讲极为重要。

本发明另一方面提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，包含如下步骤：

冶炼步骤：具体包括：1)脱氧脱硫步骤，对所述材料基体进行脱氧脱硫，以便纯净的材料组织；2)元素添加步骤，在所述纯净的材料组织中，添加的元素和含量重量百分比计分别为：碳C：0.18％-0.30％，锰Mn：1.4％-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25-0.32％，镧La：0.0050％-0.015％，其余为铁Fe及杂质，满足关系：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％；3)精炼步骤，加入合金元素后进入LF炉(LADLE FURNACE，钢包精炼炉)进行精炼，添加不同含量稀土La后采用VD炉(Vacuum Degassing，真空脱气炉)进行真空脱气处理，然后连铸成坯，轧制成钢轨；

轧制步骤：将铸坯加热至1200-1250℃，粗轧孔型轧制的开坯温度为1180℃，因稀土La抑制轧制过程中的再结晶，实现在未再结晶区轧制，增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷，提高形核率，细化晶粒，这样便可将万能精轧的终轧温度提高至960-980℃范围，降低设备消耗，同时保证有效利用轧后余热实现控制冷却，提高钢轨强度，利于节能环保；

冷却步骤：结合图2所示的本发明钢CCT曲线，采用分阶段控制冷却方式，强韧化钢轨：首先利用轧后余热，快冷至860℃，进一步细化高温细小的奥氏体晶粒；为避免钢轨因横断面冷却不均匀而产生较大弯曲变形、增加矫直应力，860℃-450℃温度区间的冷却速度应小于5℃/S(其中，S为秒)，这样可提高钢轨平直度，确保本发明钢轨使用安全性；450-250℃温度区间发生贝氏体转变，为促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最佳强韧性能，冷却速度应控制在0.8-1.5℃/S范围内，同时为避免生成马氏体，冷却速度须小于2℃/S；250℃后空冷至室温。

在所述精炼以及真空脱气步骤中，在加入合金元素后进入LF炉(LADLE FURNACE，钢包精炼炉)进行精炼，在添加不同含量稀土La后采用VD炉(Vacuum Degassing，真空脱气炉)进行真空脱气处理。但是，不限定所使用的LF和VD炉，只要能够实现精炼以及真空脱气即可，可以是任何形式的炉。

表1为本发明化学成分的几个具体实施例及对比例；将含有实施例及对比例所述成分的钢坯均轧制成60kg/m的钢轨，并采用表2所示分阶段冷却工艺进行风冷控制冷却，随后将钢轨空冷至室温，经检验后得到如表3所示的力学性能指标。

表1本发明实施例及对比例钢轨的化学成分

以下为表1成分对比分析：

表1中本发明实施例1至5钢轨的化学成分中，随着稀土含量递增、合金总量递减，结合表3中数据可知贝氏体铁素体板条宽度逐渐细化，钢的塑韧性明显增强，而强度、硬度略有增加，说明钢中加入稀土，在不必添加过多合金的情况下，保证本发明钢超高强度、硬度的同时又能增加钢的塑韧性。上述实施例中，实施例5的贝氏体铁素体板条最细，为72nm-83nm，其透射显微组织见图3所示；对比图5中的对比例3的渗碳体透射电镜照片，图4中的透射电镜照片所示的实施例5的贝氏体铁素体板条内精细亚结构中，发现细至2-5nm的微孪晶与大量高密度位错交互存在，这对强韧性能作出了突出贡献，使本发明中对应实施例5成分的钢轨具备最佳强韧性配比，抗拉强度可达1526MPa，延伸率为26％，室温下冲击功可达到95J，硬度达到485HB。其它实施例的显微组织与实施例5的显微组织类似，只是板条宽度稍有差异，各项性能指标均较高。

此外，在图1中，附图标记分别说明如下：B：贝氏体；M：马氏体；A_c1：加热时室温组织向奥氏体转变的开始温度；A_c3：加热时室温组织全部转变成奥氏体的终了温度；M_s：马氏体转变开始点；M_f：马氏体转变结束点；曲线上的数字0.05、0.1、0.5、0.8、1、1.5、2、4、10代表测定CCT曲线时分别采用的冷却速度；曲线下的一系列数字分别表示不同冷却速度冷却后所测定的硬度。

表1中本发明对比例1钢轨的化学成分中未添加稀土，贝氏体铁素体板条粗大，其塑韧性不理想；对比例2中也不含稀土，且由于其合金总量高，生成了马氏体组织，塑韧性也较差。基于实施例5中的化学成分，对比例3、4钢轨的化学成分中，加入较多稀土La，贝氏体板条析出了渗碳体，其形貌呈黑色细针状，见图5所示，渗碳体虽然可强化基体，增加钢的强度、硬度，但对韧性极为不利；对比例5中Mn+Si+Cr+Mo含量较高，组织不稳定，易产生马氏体，发生轨裂。

表2本发明实施例及对比例钢轨的分阶段冷却工艺

以下为表2冷却工艺对比分析：

表2中本发明实施例1至5钢轨的分阶段冷却工艺中，随着终轧温度降低、860-450℃及450-250℃温度区间冷却速度增加至合理范围，结合表3中数据可知贝氏体铁素体板条宽度逐渐细化，钢的强韧性增强，这是由于稀土抑制变形再结晶，使再结晶温度升高，故可实现较高温度的终轧，但终轧变形仍处于未再结晶区，这样可增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷，提高形核率，细化晶粒，不仅降低设备消耗，同时保证有效利用轧后余热实现控制冷却，提高钢轨强度，利于节能环保；依据本发明钢的CCT曲线，实现贝氏体相变前即860-450℃温度区间，及相变区即450-250℃温度区间的合理快速冷却，在保证钢轨平直度的前提下，进一步促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最佳强韧性能，说明针对本发明钢的成分特点而采用的分阶段控制冷却工艺可行。

对比例1由于其对应成分未含稀土，故终轧温度低，即使860℃-450℃及450℃-250℃温度区间均采用较快的冷却速度，贝氏体板条还是比较粗大；对比例2中也不含稀土，但由于其合金总量高，虽然冷速较慢，仍生成了马氏体组织，塑韧性较差。对比例3、4中因加入较多稀土La，提高合金淬透性作用过强，故860℃-450℃及450℃-250℃温度区间需采用较慢的冷却速度，不利于细化贝氏体板条；对比例5中稀土含量最高，抑制变形再结晶作用最强，故采用较高温度终轧，但由于其合金总量也高，慢速冷却下也易生成马氏体。

表3本发明中实施例及对比例钢轨的热轧态力学性能

本发明涉及的一种含稀土La的纳米级贝氏体钢的优异强韧性能归于其组织结构，使其优于传统意义上的贝氏体钢轨组织，因此为稀土贝氏体钢在铁路钢轨上的大范围使用创造了条件。

综合上述表1-3可以得出本发明提出的稀土La纳米级贝氏体钢达到的技术效果在于：

(1)充分发挥我国的稀土资源优势，可有效提升稀土在铁路钢轨中的应用价值。

(2)适量稀土不仅提高贝氏体钢的淬透性、细化贝氏体铁素体板条并增加其体积分数，促进位错生成，提高钢轨强韧性能，同时能有效降低板条间的残余奥氏体含量，并使其薄膜细化、粒化，这对提高钢材性能特别是韧性起到突出作用；但过多稀土会促进渗碳体析出，对韧性不利。

(3)当加入稀土含量达到150ppm时，贝氏体铁素体板条最细，可细化至72nm-83nm，达到最佳强韧性能，抗拉强度可达1526MPa，延伸率为26％，室温下冲击功可达到95J，硬度达到485HB。

(4)本发明制备及冷却工艺简单，设备消耗低，环保节能，生产效率高，成本低廉。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法，其特征在于，在所述制造钢轨的方法中包括：

冶炼步骤，其中包括：

1)脱氧脱硫步骤，对所述纳米贝氏体材料的基体进行脱氧脱硫，以便得到纯净的材料组织；

2)元素添加步骤，在所述纯净的材料组织中，添加的元素和含量重量百分比计分别为：碳C：0.18％-0.30％，锰Mn：1.4％-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25％-0.32％，镧La：0.0050％-0.015％，其余为铁Fe及杂质，所述锰、所述硅、所述铬和所述钼的总量满足关系：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％；

3)精炼以及真空脱气步骤，对于元素添加后得到的所述材料组织进行真空脱气处理，然后连铸成坯，并轧制成钢轨；

轧制步骤：将铸坯加热至1200℃-1250℃，粗轧孔型轧制的开坯温度为1180℃，万能精轧的终轧温度在960℃-980℃范围内；以及

2.根据权利要求1所述的制造钢轨的方法，其特征在于：

在所述冷却步骤中，在所述250℃-50℃温度区间，所述冷却速度控制在0.8-1.5℃/S范围内。

3.根据权利要求1或者2所述的制造钢轨的方法，其特征在于：

在所述冶炼步骤中，所述纳米贝氏体材料中含有的磷P、硫S、铜Cu以及铝Al的含量以重量百分比计为：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，铜Cu≤0.10％，铝Al≤0.02％。

4.一种利用权利要求1至3中任一项所述的利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法所制造的钢轨，其特征在于：

所述钢轨的组织为纳米级贝氏体结构，所述贝氏体结构的组织体积分数为95％以上，所述贝氏体结构的铁素体板条宽度为72nm～95nm，亚片条细化至50nm以下，存在于板条间的薄膜状奥氏体的比例为1％-5％，所述贝氏体结构的贝氏体铁素体板条内存在微细孪晶及高密度位错，所述微细孪晶的板条的尺寸为2-5nm，所述高密度位错的位错密度为10⁹-10¹⁰cm^-2。

5.根据权利要求4所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨的热轧态力学性能为：抗拉强度R_m≥1522MPa，屈服强度R_p0.2≥900MPa，断面收缩率A≥18％，室温冲击韧性A_ku2≥83J和硬度HB≥481。