CN107746914A - 一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法 - Google Patents

一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法。本发明的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.16～0.26％；Si：0.7～1.5％；Mn：1.7～2.1％；Mo：0.3～0.5％；V:0.05～0.15％；Cr：0.15～0.35％；Al：0.005～0.012％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；RE：0.01～0.06％；N：20～90ppm；O：≤17ppm，H:≤1ppm，余量为Fe和不可避免的元素。本发明的热处理方法，使U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料综合性能优异，特别是实现了高强高韧高寿命的先进指标，显著提高了钢轨的使用寿命。

Description

一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法
技术领域
本发明涉及钢轨新材料技术领域，特别是涉及一种 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法。
背景技术
作为国民经济的大动脉，铁路在国家的运输任务上占据着重要地 位，同时在战略意义上也起到很大的作用。钢轨是铁路轨道的重要部 件，铁路运输的高速、重载发展对钢轨也提出了更高的性能要求，为 适应铁路运输的飞速发展，需要研究新一代钢轨以提高强度、硬度、 耐磨、韧性、疲劳寿命等性能指标。
国内的低合金高强度钢在发展中所存在的主要问题包括强度低、 质量较差、产品组成及结构不合理等，早期主要是依靠C元素及合金 元素的总量来提高钢材的强度。七十年代以来，世界范围内的低合金 高强度钢进入了一个全新的发展时期，化学成分-工艺-组织-性能四 位一体关系的提出，使钢材的组织和微观结构占据了主导地位。
目前，提高低合金高强度钢的强度的方法主要包括固溶强化、 析出弥散强化、细晶强化等。固溶强化是通过融入固溶体中的溶质原 子造成晶格畸变，从而增大位错运动的阻力，使滑移难以进行，合金 固溶体的强度与硬度得以增加，常用的合金元素包括Mn、Si、Al、 Cr、Ni、Mo等；细晶强化是通过细化晶粒使金属材料韧性指标提高， 常用的合金元素包括Al、V、Ti、RE等；而析出弥散强化通过在材料 中析出弥散分布的硬质微粒，利用弥散的超细微粒阻碍位错运动，从 而提高材料强度，常用的合金元素包括Nb、V、Ti等。
20SiMn2MoV是一种应用较为广泛的合金结构钢，其主要化学成 分为(质量百分含量)：C：0.17～0.23％；Si：0.9～1.2％；Mn：2.2～ 2.6％；Mo：0.3～0.4％；V：0.05～0.12％；P：≤0.025％；S：≤ 0.025％；Cu：≤0.25％；Cr：≤0.3％；Ni：≤0.3％；余量为Fe和 不可避免的元素。对20SiMn2MoV进行热处理的方法通常为：首先在 900℃淬火后油冷，然后在200℃回火后空冷，热处理后所获得的组 织为回火马氏体，其抗拉强度Rm≥1380MPa，断后伸长率A≥10％， 断后收缩率Z≥40％，冲击吸收功Aku2≥55J，该组织的强度和硬度虽 然有所提高，但是综合性能欠佳，特别是冲击韧性较低。
我国铁路在用钢轨主要为珠光体钢轨，执行TB/T2344-2012标 准。标准规定了5个牌号的钢种：U71Mn、U75V、U77MnCr、U78CrV 和U76CrRE，其中U77MnCr和U76CrRE用量极少，U78CrV是在U75V 化学成分的基础上增加Cr元素形成的钢种，但因其碳当量过高，在 线路上发生轮轨擦伤时易断轨而被主管部门明令禁止用作道岔钢轨， 实际上TB/T2344-2012标准规定的在铁路线路上大量使用的只有 U71Mn和U75V两个钢种。这两种材料的组织结构均为珠光体。对于 珠光体钢轨，采用合金化或合金化后再热处理的方式使强度达到 1300MPa级已接近极限，且此时的材料中存在高碳脆性组织或脆性复 合相组织，导致材料伸长率和冲击韧性下降，使用时易产生剥离掉块 和脆断危及行车安全。
现有珠光体钢轨抗拉强度Rm控制在1200MPa以下，伸长率在9％ 左右，常温冲击韧性Aku2一般小于10J/cm2。
为了改善珠光体钢轨因强度、硬度不足易磨损影响钢轨使用寿 命，而增加强度硬度易出现剥离掉块和脆断影响行车安全的状况，各 国都在研究新材料钢轨。
发明内容
本发明就是针对上述存在的缺陷而提供一种 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法，根据各元素的特性 及交互作用设计了钢种的化学成分，优化了冶炼、轧制及热处理工艺， 在提高钢轨强度和塑韧性的基础上，使疲劳寿命和耐磨性均得到了大 幅提升。
本发明的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方法 技术方案为，一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料，按质量百分比 计含有如下组分原料：C：0.16～0.25％；Si：0.7～1.5％；Mn：1.7～ 2.1％；Mo：0.3～0.5％；V:0.05～0.15％；Cr：0.15～0.35％；Al：0.005～0.012％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；RE：0.01～0.06％； N：20～90ppm；O：≤17ppm，余量为Fe和不可避免的元素。
进一步的，按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.17～0.21％； Si：0.9～1.0％；Mn：1.9～2.0％；Mo：0.35～0.45％；V:0.08～0.13％； Cr：0.20～0.30％；Al：0.005～0.010％；P：≤0.010％；S：≤0.003％； RE：0.02～0.04％；N：20～90ppm；O：≤17ppm，余量为Fe和不可避 免的元素。
优选的，按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.20％；Si： 0.95％；Mn：1.95％；Mo：0.40％；V:0.10％；Cr：0.25％；Al：0.007％； P：≤0.008％；S：≤0.002％；RE：0.02％；N：20～90ppm；O：≤17ppm， 余量为Fe和不可避免的元素。
对于一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料化学成分的说明，如 无特别说明，“％”表示质量百分比。
C：0.16～0.25％
碳元素(C)的含量为0.25％以下时，钢材在经过高温奥氏体化及 热变形后的冷却过程中，不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分 解，过冷的奥氏体将直接转变成各种形态的铁素体并留下少量富碳的 残留奥氏体，从而使钢材具有良好的塑性与韧性；而必要的碳含量 (0.16％以上)能与加入的微量合金元素(例如V)作用析出微合金碳 化物，其在高温阶段抑制再结晶并且低温阶段起析出强化作用。C进 一步可以优化为0.17～0.21％，例如0.20％。
Si：0.7～1.5％
0.7％以上的硅元素(Si)有利于提高钢材的抗冲击磨损性能、强 化铁素体(每1％的Si能使铁素体屈服强度提高85MPa)、促进残余 奥氏体的稳定化；硅元素还能起固溶强化作用以提高钢材的低温抗回 火脆性并对碳化物的析出起阻碍作用，其还能够降低贝氏体的转变温 度以及提高钢材的韧性；然而钢材的韧性会在Si含量过高时(＞ 1.5％)有所降低。Si进一步可以优化为0.9～1.0％，例如0.95％。
Mn：1.7～2.1％
锰元素(Mn)是强烈推迟珠光体转变的合金元素，一定的含量 (1.7％以上)有利于提高钢材的淬透性并通过固溶强化作用提高钢材 的强度，其可以替代部分金属Mo；但Mn含量过高(＞2.1％)会 使钢材晶粒具有粗化的倾向。Mn进一步可以优化为1.9～2.0％，例 如1.95％。
Mo：0.3～0.5％
0.3％以上的钼元素(Mo)能够推迟珠光体转变，然而对贝氏体转 变的推迟作用较小，Mo的加入可满足钢材在高强度和高韧性上的要 求；加入量在0.5％以下可以兼顾性能和成本。Mo进一步可以优化 为0.35～0.45％，例如0.40％。
V：0.05～0.15％
钒主要通过形成碳、氮化物来影响钢材的组织结构和性能，比 A1、Nb元素更容易熔入钢中，钒能细化钢材的晶粒，提高钢材的强 度、韧性和耐磨性，当钒在高温熔入奥氏体时，可增加钢材的淬透性； 反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低钢材的淬透性。钒含量在 钢中≤0.15％时，生成的化合物主要以氮化钒的形式存在，能细化晶 粒，提高强度和韧性。但钢中钒含量大于0.15％后，随着碳化钒化合 物的增多，材料的冲击韧性有降低的趋势，所以产品设计钒含量： V:0.05～0.15％。V进一步可以优化为0.08～0.13％，例如0.10％。
Cr：0.15～0.35％
铬属于中等碳化物形成元素，能提高钢材的淬透性和耐磨性，改 善钢材的抗腐蚀能力和抗氧化作用，稍微降低钢材的过热倾向。钢中 的Cr可降低贝氏体形成的初始温度，延迟先共析铁素体的转变，从 而保证在冷却时能以较低的温度促进贝氏体的转变，Cr含量过低时， 起到不到上述作用；Cr含量过高时，还容易导致Cr的碳化物析出， 降低钢的韧性。所以产品设计铬含量：Cr:0.15～0.35％。Cr进一步可 以优化为0.20～0.30％，例如0.25％。
Al：0.005～0.012％
铝与氧、氮有很大的亲和力，脱氧效果显著，并有较好的固氮作 用，能细化钢材的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效，还能提高钢材在低 温下的韧性、抗氧化性、耐磨性和疲劳强度等。但钢中Al含量＞ 0.012％时，随着Al含量的增加钢中氧化铝类夹杂物增多，影响钢轨的使用寿命。
P：≤0.015％
磷元素(P)为不可避免的杂质元素，其会使钢材的可塑性及韧性 明显下降，特别是在低温下更为严重(冷脆性)，因此应当对其含量 进行严格控制，以期达到极低的含量，可以容许的范围为≤0.015％， 进一步地≤0.010％，更进一步地≤0.008％。
S：≤0.005％
硫元素(S)为不可避免的杂质元素，其会使钢材产生热脆性，从 而降低钢材的延展性和韧性，其含量应当严格控制，容许的含量范围 为≤0.005％，进一步地≤0.003％，更进一步地≤0.002％。
RE：0.01～0.06％
稀土RE：稀土具有净化钢液，变性夹杂和微合金化作用，可延 缓钢的接触疲劳裂纹的萌生和扩展，推迟钢表面剥离的发生。稀土可 改善钢的加工硬化效果，既能减小应力集中区，又能细化组织、提高 强度，增加钢的抗变形能力。
N：20～90ppm
钢中细化晶粒的元素V和Al，都需要20～90ppm的N与之形 成氮化钒和氮化铝细化晶粒，保证一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新 材料的晶粒度级别≥7级，来保证高强高韧高寿命钢轨新材料的设计 要求。
在本发明的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料中，还包括其 它不可避免的杂质元素，例如O、H，其含量应该控制在ppm级， 例如O≤17ppm、H≤1.0ppm。
本发明的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料可以采用常规方 法进行制造，例如：电炉炼钢(出钢温度≥1620℃)+LF炉精炼+VD炉 真空脱气→钢水浇注成连铸坯或钢锭→连铸坯或钢锭加热(1230～1240℃保温4～6小时左右，升温速度≤80℃/小时)→连铸坯或钢锭轧 制成钢轨→钢轨热处理→钢轨精整→钢轨检查/检验→钢轨包装。其 中，可以采用常规方法在U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的精炼工 序中调整各化学成分，从而使制得的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材 料中的各元素达到上述的含量范围。
对上述一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料进行热处理，从而 获得U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料。
所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，包 括依次进行的正火处理、淬火处理和回火处理。其相变点AC3为885℃、 AC1为737℃、Ms点为389℃。
正火处理具体为：将钢轨新材料以150～160℃/小时的升温速度 加热至935±10℃并保温2～3小时后冷却至室温，冷却介质为空气。
淬火处理具体为：将经正火处理后的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材 料以150～160℃/小时的升温速度加热至915～935℃并保温2～3.5 小时后，放入到冷却介质中冷却到马氏体转变开始温度Ms点以下。
淬火处理中，所述的冷却介质为水基PAG聚合物，市售常规无毒 无污染的水基PAG聚合物即可。
回火处理包括：将经淬火处理的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料以 120～130℃/小时的升温速度加热至410±10℃并保温3.5～7.5小时 后空冷。优选的，在410℃保温3.5小时后冷却至室温。
本发明的有益效果为：本发明的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨 新材料突破了传统高强低合金钢的成分设计思路，不再单纯依靠C 及合金元素的总量提高钢的强度和性能，而是通过优化产品的组成和 结构(贝马氏体结构)，使U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料具有良好的 力学性能和理化性能，尤其是合金元素的位错强化、细晶粒强化和微 合金的析出强化提高了U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的强度及韧 性。
贝氏体钢组织处于珠光体和马氏体之间，具有良好的强韧性和耐 磨性。经过本发明热处理方法的热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新 材料，经显微观察组织中具有贝马氏体结构，其具有优异的综合性能， 特别是其抗拉强度、低温冲击韧性均有所提高。
本发明提供了一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料及其热处理方 法，根据各元素的特性及交互作用设计了钢种的化学成分，优化了冶 炼、轧制及热处理工艺，在提高钢轨强度和塑韧性的基础上，使疲劳 寿命和耐磨性均得到了大幅提升，能够达到的性能指标如表1所示：
表1
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技 术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料(按质量百分比计)：C：0.20％；Si： 0.95％；Mn：1.95％；Mo：0.40％；V:0.10％；Cr：0.25％；Al：0.007％； P：0.008％；S：0.002％；RE：0.02％；N：42ppm；O：12ppm；余量 为Fe和不可避免的元素。
采用热膨胀法检测该U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的相变点，其 相变点AC3为885℃、AC1为737℃、Ms点为389℃，测定相变点有利于 对热处理工艺的参数进行选择和优化。
对上述U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料进行热处理，具体包括如下 顺序进行的步骤：
正火处理：以升温速度为155℃/小时将上述钢材加热至约 935℃，于该温度下(约935℃)保温2小时左右后空冷至室温；
淬火处理：以升温速度为155℃/小时将经上述正火处理的钢材 加热至约925℃，于该温度下(约925℃)保温2小时后放入调质液 (市售常规无毒无污染的水基PAG聚合物)中冷至200℃以下；
回火处理：以升温速度为120℃/小时将经上述淬火处理的钢材 加热至约410℃，并于该温度下保温3.5小时左右后空冷至室温，即 形成热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料。
经显微观察，该热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的组织中具 有贝氏体和马氏体复合相结构；此外，采用本领域常规方法检测上述 热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料和20SiMn2MoV的综合性能，结 果见表2。
实施例2
按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料(按质量百分比计)：C：0.25％；Si： 1.5％；Mn：2.1％；Mo：0.5％；V:0.08％；Cr：0.35％；Al：0.005％； P：0.008％；S：0.003％；RE：0.02％；N:46ppm；O：10ppm；余量为 Fe和不可避免的元素。
对上述U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料进行热处理，具体包括如下 顺序进行的步骤：
正火处理：以升温速度为150℃/小时左右将上述 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约925℃，于该温度下保温3小 时左右后空冷至室温；
淬火处理：以升温速度为150℃/小时左右将经上述正火处理的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约915℃，于该温度下保温3小 时左右后放入调质液(市售常规无毒无污染的水基PAG聚合物)中冷 至300℃左右；
回火处理：以升温速度为120℃/小时左右将经上述淬火处理的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约410℃，于该温度下保温5小 时左右后空冷至室温，即形成热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料， 其组织中具有贝马氏体复合结构，力学性能检测结果见表2。
实施例3
按照上述常规制造方法制备含有如下原料组分的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料(按质量百分比计)：C：0.16％；Si： 1.1％；Mn：1.7％；Mo：0.3％；V:0.05％；Cr：0.30％；Al：0.008％； P：0.010％；S：0.002％；RE：0.05％；N：49ppm；O：15ppm；余量 为Fe和不可避免的元素。
对上述U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料进行热处理，具体包括如下 顺序进行的步骤：
正火处理：以升温速度为150℃/小时左右将上述 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约945℃，于该温度下保温2.5 小时左右后空冷至室温；
淬火处理：以升温速度为155℃/小时左右将经上述正火处理的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约915℃，于该温度下保温2.5 小时左右后放入调质液(市售常规无毒无污染的水基PAG聚合物)中 冷至350℃左右；
回火处理：以升温速度为120℃/小时左右将经上述淬火处理的 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料加热至约420℃，于该温度下保温4.5 小时左右后空冷至室温，即形成热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材 料，其组织中具有贝马氏体结构，力学性能检测结果见表2。
表2热处理U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的力学性能检测结果
由表1结果可知：
本发明的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的抗拉强度≥1450MPa， 低温(-20℃)冲击韧性≥70J；相对于传统的20SiMn2MoV，其抗拉 强度提高了70MPa以上，低温冲击韧性提高了43J以上，该热处理 U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的综合性能优异，可广泛应用于铁路轨道交通等领域。

Claims (8)

1.一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料，其特征在于，按质量百分比计含有如下组分原料：C：0.16～0.25％；Si：0.7～1.5％；Mn：1.7～2.1％；Mo：0.3～0.5％；V:0.05～0.15％；Cr：0.15～0.35％；Al：0.005～0.012％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；RE：0.01～0.06％；N：20～90ppm；O：≤17ppm，余量为Fe和不可避免的元素。
2.根据权利要求1所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料，其特征在于，按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.17～0.21％；Si：0.9～1.0％；Mn：1.9～2.0％；Mo：0.35～0.45％；V:0.08～0.13％；Cr：0.20～0.30％；Al：0.005～0.010％；P：≤0.010％；S：≤0.003％；RE：0.02～0.04％；N：20～90ppm；O：≤17ppm，余量为Fe和不可避免的元素。
3.根据权利要求1所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料，其特征在于，按质量百分比计含有如下原料组分：C：0.20％；Si：0.95％；Mn：1.95％；Mo：0.40％；V:0.10％；Cr：0.25％；Al：0.007％；P：≤0.008％；S：≤0.002％；RE：0.02％；N：20～90ppm；O：≤17ppm，余量为Fe和不可避免的元素。
4.如权利要求1所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，其特征在于，包括依次进行的正火处理、淬火处理和回火处理。其相变点AC3为885℃、AC1为737℃、Ms点为389℃。
5.根据权利要求4所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，其特征在于，正火处理具体为：将钢轨新材料以150～160℃/小时的升温速度加热至935±10℃并保温2～3小时后冷却，冷却介质为空气。
6.根据权利要求4所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，其特征在于，淬火处理具体为：将经正火处理后的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料以150～160℃/小时的升温速度加热至915～935℃并保温2～3.5小时后，放入到冷却介质中冷却到Ms点以下。
7.根据权利要求6所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，其特征在于，淬火处理中，所述的冷却介质为水基PAG聚合物。
8.根据权利要求4所述的一种U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料的热处理方法，其特征在于，回火处理包括：将经淬火处理的U21SiMn2CrMoVRE钢轨新材料以120～130℃/小时的升温速度加热至410±10℃并保温3.5～7.5小时后空冷。
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