CN107130171A - 一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法 - Google Patents

一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢，按质量百分比，其组成包含：C：0.10‑0.40％，Mn：1.50‑3.00％，Si：0.50‑1.50％，Cr：0.50‑1.50％，Mo：0.35‑1.20％，Ni：0.50‑1.20％，Cu：0.25‑0.60％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。本发明还公开了由该钢制备得到的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨以及其制备方法，得到的钢轨兼具高的强度、韧性以及优异的耐腐蚀性。

Description

一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法
技术领域
本发明涉及低合金高强钢。更具体地，涉及一种高强度、高韧性，并具有良好耐大气和环境腐蚀的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法。
背景技术
随着铁路朝高速重载方向发展，现有珠光体型钢轨无法满足铁路发展需求，新型贝氏体钢轨已成为国际国内的研究热点。目前，大量相关贝氏体钢轨的研究着眼于力学性能的提高，但未能充分考虑不同环境下对钢轨服役性能的差异要求。而在我国南方潮湿地区、沿海高盐分地区、长距离隧道等湿度大的环境中及海洋性气候区域等环境中，现有钢轨因腐蚀造成的病害十分严重，因此，针对上述大气及环境腐蚀服役条件，急需开发高性能耐腐蚀的贝氏体钢轨产品，以提高应用经济性和适应铁路发展需求。
要在复杂长铁路线上具有优良的耐磨损、抗疲劳、抗腐蚀等综合服役性能，贝氏体钢轨需同时具有良好的强韧性配合和良好耐腐蚀能力。目前，绝大多数贝氏体钢轨产品研发主要关注其强韧性、耐磨性或抗疲劳性能等，公开的报道中，仅公开号为CN102719762A的中国发明专利申请注重了贝氏体钢轨的耐环境腐蚀性能。该申请主要通过3.2-4.0wt％Cr元素发挥耐腐蚀作用，再辅以少量Ni和Cu元素(0.1-0.3wt％Ni，0.25-0.60wt％Cu)，以提高钢轨的耐腐蚀性能。但是该专利更侧重于兼顾钢轨的高强度和耐腐蚀性能，而所申请保护的钢轨韧性水平可提高的空间较大，在强度1350MPa水平下，其常温冲击功仅Aku2≥40J，最高冲击韧性为60J。
因此，为顺应铁路发展趋势，解决目前国内外贝氏体钢轨开发过程中的存在的缺陷与不足，需要提供一种1300MPa级高强度高韧性贝氏体耐蚀钢。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢。
本发明的第二个目的在于提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。该钢轨兼具高的强度、高的韧性和好的耐腐蚀性。
本发明的第三个目的在于提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨的制备方法。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢，按质量百分比，其组成包含：
C：0.10-0.40％，Mn：1.50-3.00％，Si：0.50-1.50％，Cr：0.50-1.50％，Mo：0.35-1.20％，Ni：0.50-1.20％，Cu：0.25-0.60％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。
优选地，按质量百分比，其组成包含：
C：0.20-0.40％，Mn：1.8-3.00％，Si：0.50-1.50％，Cr：0.80-1.50％，Mo：0.35-1.20％，Ni：0.70-1.20％，Cu：0.51-0.60％，S：0.0001-0.010％，P：0.0005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。
优选地，按重量百分比，所述组成还包含0.005-0.030％的Re元素。
本发明中，碳元素：钢中典型的强化元素，在提高强度的同时能大大提高钢种的淬透性，但不利于钢种的耐大气腐蚀性能，同时过高量时会不利于焊接性能。
锰元素：有固溶强化的作用，能显著延缓高温区的铁素体和珠光体转变，而对中低温区贝氏体转变的影响较小，在其他元素共同作用下，达到一定含量时(≥1.5wt％)，能将钢种CCT曲线的高温珠光体转变区和贝氏体转变区分离，并使得钢种的CCT曲线上出现上下与左右方向俱完全分开的典型的高温转变区和中温贝氏体转变区，大大增加了钢种淬透性，有利于尺寸较厚产品从奥氏体化高温空冷即可获得性能优良的贝氏体组织，便于简化生产工艺和降低成本。此外，增加锰元素含量，有利于提高钢的耐点蚀能力和对海洋大气的耐蚀性。
硅元素：起到固溶强化作用，有利于提高强度。可抑制脆性的碳化物析出，利于韧塑性配合良好的残余奥氏体膜的形成。硅可阻止锈层中酸的形成，使得内锈层致密，阻碍氯离子的侵入，提高抗腐蚀能力。与其他元素如Cu、Cr配合使用可改善钢的耐候性。
铬元素：具有固溶强化的作用，有利于强度的提高。同时，铬元素能提高钢种的淬透性，有利于钢轨轨头部分内外性能的均匀一致。
钼元素：具有固溶强化的作用。能强烈提高钢种的淬透性，有利于钢轨在轧制后空冷条件下即可获得贝氏体组织和性能的均匀一致性。此外，钼使得钢的锈层致密，可提高钢在海洋大气环境中的抗腐蚀能力。锈层中的Mo可抑制氯离子的侵入，使得氯离子集中于锈层外部。钼元素过少，小于0.35％时，上述提高抗环境腐蚀能力效果不明显，而其含量过多，大于1.2％时，会明显提高材料的制造成本。
镍元素：有利于钢的韧性，尤其是低温冲击韧性的提高。同时是一种比较稳定的元素，能使得钢的自腐蚀点位相正方向变化，增强了钢的稳定性，有利于耐蚀性的提高。当钢中含有Cu元素时，Ni元素的适当加入可抑制由于Cu元素的存在而导致的“铜脆”现象。镍元素过少，小于0.70％时，上述提高低温冲击韧性效果不明显，且可能无法完全抑制“铜脆”现象的发生，为保证不会发生铜脆现象，要Ni/Cu>1.8；而其含量过多，大于1.2％时，会明显提高材料的制造成本。
铜元素：典型的改善钢耐环境大气腐蚀性能的元素。但其存在可能会导致钢轨生产过程中的“铜脆”现象发生，需采取一定措施进行预防。
Re元素：稀土元素Re在钢中可起到净化晶界、变质夹杂物和细化晶粒的作用，有利于强度和韧性的提高，进而有利于提高钢种的耐磨损和抗接触疲劳等服役性能。
本发明中，贝氏体钢轨钢成分及含量的确定，是在基于同时兼顾钢的强度、韧性和耐腐蚀性的要求，主要通过添加Ni、Cu、Mo元素的综合作用，控制Ni/Cu＞1.8，结合原料中各元素的合理配比，使得贝氏体钢在具有好的耐腐蚀性的同时，还具有高的强度和韧性。进一步地，在该特定组成的条件下，添加一定量的Re元素，更好的改善了所得贝氏体钢的强度、韧性等。
为达到上述第二个目的，本发明提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，该贝氏体钢轨是由上述中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成。
为达到上述第三个目的，本发明提供一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨的制备方法，包括如下步骤：
将具有上述组成的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的原料采用炼钢工艺进行冶炼、铸造，得铸坯；
将铸坯加热至1150-1250℃，保温2-3小时，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度≥900℃；
将钢轨原型连续冷却至室温，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
优选地，所述连续冷却的速度小于所述的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的CCT曲线中发生马氏体转变的临界冷却速度。采用低于CCT临界冷却速度进行连续冷却，可使得钢轨在连续冷却到室温时即可获得贝氏体/马氏体的复相组织。此外，相对于常规冷却过程中进行的等温处理，本专利采取的连续冷却工艺，可使得该过程中先形成的贝氏体组织起到明显分割原奥氏体晶粒，细化显微组织的效果，进而有利于同时提高强度、韧性、塑性等综合力学性能。
优选地，所述连续冷却的方法为空冷、雾冷或风冷中的一种或几种。
优选地，所述铸造的方式为连铸或模铸。
优选地，所述方法还包括：在将钢轨原型连续冷却至室温后，再进行热处理，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
优选地，所述热处理为回火处理，回火处理的温度≤400℃。进一步地，回火处理的温度可为250-400℃等。
优选地，所述回火处理的保温时间大于3小时。
本发明中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨的显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其力学性能指标如下：
屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1320MPa，延伸率A≥13％，冲击功AKU2(常温)≥80J，表现出良好的强韧性配合水平。
本发明中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨耐腐蚀性能指标如下：
在盐雾腐蚀试验条件下，平均腐蚀速率低至0.68g/(m2h)，相对于U71Mn钢轨钢的平均腐蚀速率降低50％以上，可大幅提高钢轨在大气和腐蚀环境下的使用寿命。
本发明的有益效果如下：
1、本发明中通过对原料的合理选择以及原料添加量的精确控制，进一步结合本发明的制备方法，与现有贝氏体耐腐蚀钢轨相比，本发明制备得到的贝氏体钢轨，在保持同强度水平前提下，可大幅度增加钢轨的韧性水平，同时可进一步提高钢轨的塑性和耐大气腐蚀能力，进而有利于提高钢轨的耐磨损、抗腐蚀等综合服役性能。
2、本发明的抗震钢筋屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1320MPa，延伸率A≥13％，冲击功AKU2(常温)≥80J。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1制备得到的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨内部的显微组织照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
表1示出了以下各实施例及对比例中的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的组分含量(质量百分数)
表1不同实施例制备的耐腐蚀贝氏体钢的组分及含量(质量百分数)
实施例1
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，该钢的CCT曲线中，发生马氏体转变的临界冷却速度在10℃/s以上。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用连铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1200℃，保温3h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为950℃；
3)将钢轨原型连续采用空冷的方式，以平均6℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在400℃温度下，回火处理3h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨内部的显微组织照片如图1所示。从图1可知，本发明的1300MPa级高强度高韧性耐腐蚀贝氏体钢轨的显微组织为贝氏体+马氏体复相组织。
实施例2
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，该钢的CCT曲线中，发生马氏体转变的临界冷却速度在10℃/s以上。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用连铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1250℃，保温3h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为900℃；
3)将钢轨原型连续采用风冷的方式，以平均5℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在350℃温度下，回火处理3h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
实施例3
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，该钢的CCT曲线中，发生马氏体转变的临界冷却速度在10℃/s以上。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用模铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1200℃，保温3h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为980℃；
3)将钢轨原型连续采用空冷的方式，以平均4℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在320℃温度下，回火处理3h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
实施例4
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，该钢的CCT曲线中，发生马氏体转变的临界冷却速度在10℃/s以上。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用模铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1200℃，保温3h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为930℃；
3)将钢轨原型连续采用空冷的方式，以平均3℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在280℃温度下，回火处理4h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
实施例5
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，该钢的CCT曲线中，发生马氏体转变的临界冷却速度在10℃/s以上。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用模铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1150℃，保温4h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为950℃；
3)将钢轨原型连续采用雾冷的方式，以平均3℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在250℃温度下，回火处理6h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
实施例6
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示。该钢轨的制备方法如下：
1)按照表1中本实施例的配方，采用常规的炼钢工艺，由转炉或电炉进行冶炼和精炼，再采用模铸的方式进行铸造，得铸坯；
2)将铸坯加热至1200℃，保温3h，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度为980℃；
3)将钢轨原型连续采用雾冷的方式，以平均4℃/s的冷速连续冷却至室温；
4)在320℃温度下，回火处理4h，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
对比例1
重复实施例1，区别在于，将步骤3)中的钢以6℃/s速度冷却到500℃进行保温4小时，然后空冷到室温，其余条件不变，制备得到中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
对比例2
中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其由中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成，其中，该中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的各组分含量如表1所示，Ni/Cu为0.94。其制备方法同实施例4，制备得到中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。制备过程中，出现少量钢轨开裂现象。。
试验例1力学性能测试
通过万能拉伸试验机，采用标准拉伸试样，根据相关国家标准的规定，分别测定了各实施例制备的贝氏体耐腐蚀钢轨试样的力学性能，结果如表2所示。
由表2可知，本发明的高强度高韧性耐腐蚀贝氏体钢轨的屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1320MPa，延伸率A≥13％，冲击功AKU2(常温)≥80J，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配。
表2各实施例及对比例制备的耐腐蚀贝氏体钢轨的力学性能
试验例2耐腐蚀性能测试
通过盐雾腐蚀实验来评价钢轨的耐腐蚀性能。盐雾腐蚀条件为：50±10g/L的NaCl水溶液，PH值为6.5-7.2，温度35℃，采用连续喷雾方法，实验持续1个月时间，结果如表3所示。
表3各实施例及对比例制备的耐腐蚀贝氏体钢轨的盐雾腐蚀实验性能
实施例 腐蚀速率g/(m2h) 相对U71Mn耐腐蚀速率
实施例1 0.83 157％
实施例2 0.71 183％
实施例3 0.53 245％
实施例4 0.6 217％
实施例5 0.76 171％
实施例6 0.52 248％
平均 0.65 203％
现有U71Mn 1.3 100％
对比例1 0.82 158％
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：
C：0.10-0.40％，Mn：1.50-3.00％，Si：0.50-1.50％，Cr：0.50-1.50％，Mo：0.35-1.20％，Ni：0.50-1.20％，Cu：0.25-0.60％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。
2.根据权利要求1所述的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢，其特征在于，按质量百分比，其组成包含：
C：0.20-0.40％，Mn：1.8-3.00％，Si：0.50-1.50％，Cr：0.80-1.50％，Mo：0.35-1.20％，Ni：0.70-1.20％，Cu：0.51-0.60％，S：0.0001-0.010％，P：0.0005-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。
3.根据权利要求1或2所述的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢，其特征在于，按重量百分比，所述组成还包含0.005-0.030％的Re元素。
4.一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨，其特征在于，由如权利要求1-3任一项所述的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢制成。
5.一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将具有权利要求1-3任一项的组成的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的原料采用炼钢工艺进行冶炼、铸造，得铸坯；
将铸坯加热至1150-1250℃，保温2-3小时，再经开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型，其中，精轧的终轧温度≥900℃；
将钢轨原型连续冷却至室温，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述连续冷却的速度小于所述的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢的CCT曲线中发生马氏体转变的临界冷却速度。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述连续冷却的方法为空冷、雾冷或风冷中的一种或几种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在将钢轨原型连续冷却至室温后，再进行热处理，得中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为回火处理，回火处理的温度≤400℃，回火处理的保温时间大于3小时。
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