CN107326302B - 一种耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种耐蚀贝氏体钢，其组成包含：C：0.15‑0.45wt％，Mn：1.80‑3.00wt％，Cr：0.50‑1.20wt％，Mo：0.35‑0.7wt％，Ni：0.50‑0.80wt％，Si：0.50‑1.50wt％，W：0.3‑0.8wt％，Ca：≤0.020wt％，Ce：≤0.030wt％，S：≤0.010wt％，P：≤0.015wt％，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，W+Mo≥0.9wt％，Ca/S≥1.5。本发明还公开了有该耐蚀贝氏体钢制备得到的钢轨及其制备方法，该钢轨综合性能优良，具有高的韧性、塑性和耐大气腐蚀能力。

Description

一种耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法
技术领域
本发明涉及低合金高强钢领域。更具体地，涉及一种高强度、高韧性，且具有良好耐大气和环境腐蚀的综合性能好的低碳1300MPa级高强耐蚀贝氏体钢、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，未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，常温冲击功仅Aku2≥40J，实施例中最高冲击韧性为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，需要提供一种综合性能优良的耐蚀贝氏体钢。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种耐蚀贝氏体钢。
本发明的第二个目的在于提供一种耐蚀贝氏体钢轨。该钢轨的纤维组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，且其具有高强度、高韧性、良好的耐环境腐蚀性能，综合性能优良。
本发明的第三个目的在于提供一种耐蚀贝氏体钢轨的制备方法。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种耐蚀贝氏体钢，其组成包含：
C：0.15-0.45wt％，Mn：1.80-3.00wt％，Cr：0.50-1.20wt％，Mo：0.35-0.7wt％，Ni：0.50-0.80wt％，Si：0.50-1.50wt％，W：0.3-0.8wt％，Ca：≤0.020wt％，Ce：≤0.030wt％，S：≤0.010wt％，P：≤0.015wt％，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，W+Mo≥0.9wt％，Ca/S≥1.5。
优选地，所述耐蚀贝氏体钢的组成包含：
C：0.20-0.45wt％，Mn：2.00-3.00wt％，Cr：0.50-1.10wt％，Mo：0.35-0.7wt％，Ni：0.50-0.80wt％，Si：0.50-1.50wt％，W：0.4-0.8wt％，Ca：0.0005-0.020wt％，Ce：0.0005-0.030wt％，S：0.0005-0.010wt％，P：0.002-0.015wt％，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，W+Mo≥0.9wt％，Ca/S≥1.5。
本发明中，碳元素C：具有强烈的固溶强化作用，有利于钢种强度的提高。能显著提高钢种的淬透性，但不利于钢种的耐大气腐蚀性能，同时量过高时不利于钢轨的焊接。
锰元素Mn：是钢种CCT曲线右移，显著增加淬透性的元素。相对而言，锰元素能显著延缓高温区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，达到一定含量时(≥1.5wt％)，能使钢种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，锰元素有固溶强化的作用，有利于强度的提高，且锰元素含量增加，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Si：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，使内锈层致密，阻碍氯离子侵入，提高抗腐蚀能力。与其他元素如Cr、Ca等的配合使用可使钢耐候性效果更好。
铬元素Cr：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Mo：强烈提高钢种的淬透性，有利于钢轨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，当加Ca后效果更好，使得氯离子集中于锈层外部。此外，钼元素可提高钢的回火抗力。
镍元素Ni：有利于钢的韧性，尤其是低温冲击韧性的提高。
钨元素W：可将锈层中的阴离子选择改变为阳离子选择，阻碍氯离子等侵入，从而使得钢的腐蚀被抑制。当有Ca加入时，效果更好。此外，钨具有提高钢种回火抗力的作用。由于W与Mo有类似的原子层结构，二者含量当小于0.9wt％时，抗腐蚀作用不能充分显示。
钙元素Ca：促使钢中夹杂物的球化，减弱夹杂物附件的应力集中，有利于韧性的提高。当钢中Ca/S≥1.5时，夹杂物球化效果才比较明显。此外，微量Ca的存在可提高钢的耐大气腐蚀性能，尤其当其与Ni、Mo、W共存时效果更佳。
铈元素Ce：能净化晶粒界面，有利于提高钢种的断裂抗力，增强韧性。
为达到上述第二个目的，本发明提供一种耐蚀贝氏体钢轨，该耐蚀贝氏体钢轨由所述的耐蚀贝氏体钢制成。
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；
将铸坯经加热、开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型；
将钢轨原型连续冷却至室温，得耐蚀贝氏体钢轨。
本发明中，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，所述连续冷却的速度小于所述的耐蚀贝氏体钢的CCT曲线中发生马氏体转变的临界冷却速度。冷却速度小于所述的耐蚀贝氏体钢的CCT曲线中发生马氏体转变的临界冷却速度，可避免钢轨在连续冷却过程中只发生马氏体转变，而得不到贝氏体/马氏体的复相组织。
优选地，所述加热是指加热至1150-1250℃，保温2-3小时。
优选地，所述精轧的终轧温度≥900℃。
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，所述制备方法还包括：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℃，回火处理的保温时间≥3小时。
优选地，所述铸造的方式为连铸或模铸。
本发明中耐蚀贝氏体钢轨的力学性能指标如下：
屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1350MPa，延伸率A≥13.5％，冲击功AKU2(常温)≥75J，表现出良好的强韧性配合水平。
本发明耐蚀贝氏体钢轨的耐腐蚀性能如下：
在盐雾腐蚀试验条件下，平均腐蚀速率为0.642g/(m2h)，相对于U71Mn钢轨钢的平均腐蚀速率降低55％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：
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，采用少量Mo、W、Ca、Ce等元素的综合作用来提高钢轨的耐腐蚀性能，进一步结合本发明的制备方法，制备得到的耐蚀贝氏体钢轨与现有贝氏体耐蚀钢轨相比，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。
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制备得到的耐蚀贝氏体钢轨的显微组织结构图。
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耐蚀贝氏体钢的组分含量(质量百分数)，其中杂质是指不可避免的杂质。
表1示出了以下各实施例及对比例中的耐蚀贝氏体钢的组分含量(质量百分数)
实施例 C Mn Cr Si Mo W Ni P S Ca Ce Fe及杂质
实施例1 0.15 3.0 1.20 0.82 0.70 0.30 0.58 0.015 0.010 0.013 0.030 余量
实施例2 0.21 2.64 1.02 0.50 0.63 0.68 0.64 0.009 0.0042 0.0083 0.014 余量
实施例3 0.28 2.36 0.50 1.06 0.56 0.43 0.8 0.011 0.0012 0.0037 0.0088 余量
实施例4 0.36 2.01 0.64 1.31 0.35 0.55 0.73 0.0073 0.0008 0.0012 0.0051 余量
实施例5 0.45 1.80 0.91 1.50 0.46 0.80 0.5 0.0061 0.0078 0.016 0.0020 余量
对比例1 0.15 3.0 1.20 0.82 0.40 0.30 0.58 0.015 0.010 0.020 0.030 余量
对比例2 0.15 3.0 1.20 0.82 0.70 0.30 0.58 0.015 0.010 0.020 0.030 余量
实施例1
耐蚀贝氏体钢轨，其由耐蚀贝氏体钢制成，其中，该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2h，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)将钢轨原型采用强雾冷方式，平均6℃/s冷速连续冷却至室温。
4)在400℃温度下，回火处理3h，得耐蚀贝氏体钢轨。
该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1350MPa级综合性能优良的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。
实施例2
耐蚀贝氏体钢轨，其由耐蚀贝氏体钢制成，其中，该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2h，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)将钢轨原型采用强风冷的方式，平均5℃/s冷速连续冷却至室温；
4)在350℃温度下，回火处理3.5h，得耐蚀贝氏体钢轨。
实施例3
耐蚀贝氏体钢轨，其由耐蚀贝氏体钢制成，其中，该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2.5h，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)将钢轨原型采用雾冷的方式，平均4℃/s冷速连续冷却至室温；
4)在320℃温度下，回火处理4h，得耐蚀贝氏体钢轨。
实施例4
耐蚀贝氏体钢轨，其由耐蚀贝氏体钢制成，其中，该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2.5h，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)将钢轨原型采用风冷方式，平均3℃/s冷速连续冷却至室温；
4)在300℃温度下，回火处理4h，得耐蚀贝氏体钢轨。
实施例5
耐蚀贝氏体钢轨，其由耐蚀贝氏体钢制成，其中，该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1150℃，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)将钢轨原型采用空冷的方式，平均2℃/s冷速连续冷却至室温；
4)在250℃温度下，回火处理6h，得耐蚀贝氏体钢轨。
对比例1
重复实施例1，区别在于，配方如表1中对比例1的配方，W+Mo总量为0.7wt％，其余制备方法与实施例1相同，制备得到耐蚀贝氏体钢轨。
对比例2
重复实施例1，区别在于，配方如表1中对比例1的配方，其中Ca/S为1.3，其余制备方法与实施例1相同，制备得到耐蚀贝氏体钢轨。
对比例3
重复实施例1，区别在于，将“连续冷却至室温”，改为等温冷却，即“先冷却至500℃，保温4h后，再空冷至室温”，其余条件不变，制备得到耐蚀贝氏体钢轨。
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及对比例制备的钢轨试样的力学性能，如表2所示。由表2可知，本发明的耐腐蚀贝氏体钢轨的屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1350MPa，延伸率A≥13.5％，冲击功AKU2(常温)≥75J，具有高强度、高韧性和高塑性的良好匹配。
表2各实施例制备的耐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各实施例制备的耐腐蚀贝氏体钢轨的盐雾腐蚀实验性能
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 (10)

1.一种耐蚀贝氏体钢，其特征在于，其组成包含：
C：0.15-0.45wt％，Mn：1.80-3.00wt％，Cr：0.50-1.20wt％，Mo：0.35-0.7wt％，Ni：0.50-0.80wt％，Si：0.50-1.50wt％，W：0.3-0.8wt％，Ca：≤0.020wt％，Ce：≤0.030wt％，S：≤0.010wt％，P：≤0.015wt％，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，W+Mo≥0.9wt％，Ca/S≥1.5。
2.根据权利要求1所述的耐蚀贝氏体钢，其特征在于，其组成包含：
C：0.20-0.45wt％，Mn：2.00-3.00wt％，Cr：0.50-1.10wt％，Mo：0.35-0.7wt％，Ni：0.50-0.80wt％，Si：0.50-1.50wt％，W：0.4-0.8wt％，Ca：0.0005-0.020wt％，Ce：0.0005-0.030wt％，S：0.0005-0.010wt％，P：0.002-0.015wt％，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，W+Mo≥0.9wt％，Ca/S≥1.5。
3.一种耐蚀贝氏体钢轨，其特征在于，由如权利要求1-2任一项所述的耐蚀贝氏体钢制成。
4.一种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1-2任一项的组成的耐蚀贝氏体钢的原料采用炼钢工艺进行冶炼、铸造，得铸坯；
将铸坯经加热、开坯、粗轧、精轧后，得钢轨原型；
将钢轨原型连续冷却至室温，得耐蚀贝氏体钢轨。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热是指加热至1150-1250℃，保温2-3小时。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述精轧的终轧温度≥900℃。
8.根据权利要求4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。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在将钢轨原型连续冷却至室温后，再进行热处理，得耐蚀贝氏体钢轨。
10.根据权利要求9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≥3小时。
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