CN108048741A - 热轧贝氏体钢轨及其制备方法 - Google Patents

热轧贝氏体钢轨及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法。该热轧贝氏体钢轨的化学成分按照重量百分比计包括：0.15‑0.35％的C，0.70‑1.80％的Si，1.40‑2.40％的Mn，0.40‑1.20％的Cr，0.10‑0.50％的Mo，0.1‑0.8％的Ni，0.01‑0.07％的Nb，0.05‑0.20％的V，其Nb+V≤0.30％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：5‑20ppm，Ce：5‑20ppm，N：80‑130ppm，H：≤1.5ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。该热轧贝氏体钢轨具有高强度、高塑性和高冲击韧性，制备工艺简单的优点。

Description

热轧贝氏体钢轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼领域，特别涉及一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法。
背景技术
中国铁路的迅猛发展要求各钢轨生产厂家不断地提升钢轨质量，对钢轨的综合性能提出日趋苛刻的要求，期望钢轨获得更高水平的耐磨性和塑性，目前普遍使用的珠光体钢轨，由于其成分和组织结构的特点其强韧性基本发挥到极限，且冲击韧性、断裂韧性也较低。而贝氏体钢轨具有良好的强度、塑性、冲击韧性、耐磨性、耐滚动接触疲劳性能备受全世界各国的青睐。由于资源分布和使用的地域差异性越来越凸显，重载铁路的运输会越来越繁忙，提高单位轴重可降低重载运输成本，国内新建重载铁路轴重基本达到30吨，国外的重载线路轴重已超过35吨。重载运输对钢轨耐剥离掉块即耐滚动接触疲劳性能提出了更高的要求，贝氏体钢轨恰好以其优异的耐滚动接触疲劳性能满足了这种要求。
但是随着贝氏体钢轨使用范围的扩大和使用环境的恶劣，对其综合力学性能提出更高的要求，随着强度的提高，贝氏体钢轨的韧性略显不足，尤其是低温冲击韧性，强度与韧性的突出矛盾成为急需解决的研究难题。目前国内外使用的贝氏体钢轨其强度级别为1300MPa，提高钢轨强度主要有两个途径：一、增加提高淬透性的合金元素；二、通过热处理工艺来实现，在线控冷或轧后正火+回火。通过添加元素提高钢轨的强韧性，主要是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，不利于提高经济效益。
美国的J6贝氏体钢轨，热轧钢轨强度级别达到1400MPa，轨头延伸率仅为5.0％，断面收缩率6.4％。强度级别的提高主要是合金元素含量过高，尤其是提高淬透性的元素Mn2.00％，Cr1.94％，Mn+Cr达到了3.94％，提高淬透性的元素含量达到这么高的水平，轧态组织中会出现较高比例的马氏体，且偏析严重。
公开号为CN103160736A的专利提供一种高强度贝氏体钢轨及其热处理工艺，通过热处理工艺来生产抗拉强度大于1400MPa的贝氏体钢轨，钢轨热轧后或热轧钢轨空冷至室温再重新加热至850-1000℃奥氏体化后：钢轨轨头以0.3-15℃/s的冷速冷却到620-570℃，低于620-570℃时，以0.5-5℃/s的冷速冷至350-200℃，随后空冷至室温。控冷后钢轨加热至250-450℃进行回火处理。不仅使生产工序繁杂，控制不当还会造成上贝氏体的形成，尤其是大块M-A岛的形成，残余奥氏体发生分解，析出碳化物，反而会使韧性不利。
公开号为CN102534387A的专利提供1500MPa级高强韧性贝氏体/马氏体钢轨及其制造方法，通过合金设计和轧后控冷来提高钢轨的强度，虽然RE含量0.01-0.05％之间，但没有明确其固溶稀土含量，冶炼中加入大量稀土工艺的可行性和科学性并没有科学依据。
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，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。
贝氏体钢轨的强化主要通过相变强化、固溶强化、位错强化、第二相(析出)强度。有的贝氏体钢轨采用无碳化物贝氏体，强化方式较为单一，提高强度只能增加提高淬透性元素的含量，较为经济的元素为C、Mn、Cr，组织中会出现大量的马氏体，或者成为马氏体/贝氏体复相钢，这类钢需经过热处理来改善其轧态性能。
鞍钢、铁道科学研究院、包钢申请的相关专利中都提到利用Nb、V、Ti、B、N、RE等微合金化来改善贝氏体钢轨的强化方式。微量的B就可以提高贝氏体钢轨的淬透性，但工业生产冶炼是难点，固溶硼的量很难控制，化合硼容易形成含硼脆性相。RE的加入量在0.01-0.05％，这么大的加入量同样带来工业生产冶炼的难度，稀土化合物容易堵水口，且La、Ce稀土在贝氏体钢轨的作用机理不同，所以稀土加入种类、数量要严格控制。
目前国内只有攀钢拥有成熟的钢轨在线淬火线，主要以生产珠光体钢轨为主，贝氏体钢轨由于其相变的复杂性，贝氏体、马氏体、残余奥氏体三种组织的比例控制增加了控冷工艺的难度，控冷时的冷却介质有压缩空气、气雾、水等，钢轨对称面上的冷速需保持一致，不然由于冷速的不同，钢轨端面相变开始时间不同将增加钢轨的内应力，变形严重，影响钢轨的矫直。工业生产的钢轨都是100m且过程是动态连续的，这也增加了钢轨在线控冷的难度。如百米钢轨轧后进行热处理，还需新建百米热处理炉，如加速冷却不当同样会引起钢轨的变形。
总之，上述专利和文献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，合金含量高容易生成马氏体；贝氏体钢轨的强度与韧性、延伸性很难同时匹配；钢轨的制造、加工工艺及后序热处理工序繁杂，过程不易控制等；这些因素大大限制了贝氏体钢轨的推广应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法。
本发明提供一种热轧贝氏体钢轨，其化学成分按照重量百分比计包括：0.15-0.35％的C，0.70-1.80％的Si，1.40-2.40％的Mn，0.40-1.20％的Cr，0.10-0.50％的Mo，0.1-0.8％的Ni，0.01-0.07％的Nb，0.05-0.20％的V，其Nb+V≤0.30％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：5-20ppm，Ce：5-20ppm，N：80-130ppm，H：≤1.5ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
进一步地，其化学成分按照重量百分比计包括：0.18-0.33％的C，0.80-1.60％的Si，1.80-2.10％的Mn，0.70-1.10％的Cr，0.20-0.40％的Mo，0.2-0.4％的Ni，0.02-0.05％的Nb，0.07-0.16％的V，其Nb+V≤0.25％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：10-15ppm，Ce：10-15ppm，N：80-120ppm，H：≤1.0ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
进一步地，其化学成分中，La含量为5-20ppm，Ce含量为5-20ppm。
本发明还提供一种上述任意一项所述的热轧贝氏体钢轨的制备方法，其包括：冶炼，加热，轧制和冷却；冶炼过程中：
加入La-Ce-Fe合金和V-N合金；其中，La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的10～30％，所加La-Ce-Fe合金中氧含量小于等于20ppm，且La-Ce-Fe合金加入工位位于真空处理后5～10分钟；加入的V-N合金中N质量百分比占所加V-N合金的6～16％。
进一步地，加热温度为1250-1280℃，保温4-6h；轧制过程中，粗轧孔型轧制的开坯温度为1150℃-1200℃，终成型温度930～950℃。
进一步地，所述冷却为空冷冷却。
本发明提供一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法，该热轧贝氏体钢轨是一种La-Ce复合稀土处理的Nb-V微合金化热轧贝氏体钢轨，合金设计中优化了Mn、Cr、Ni的配比，连铸坯冶炼过程中加入V-N合金、La-Ce-Fe合金，充分发挥V(C，N)的析出强化作用，微量固溶Ce可净化晶界、促进V(C，N)、Nb(C，N)均匀弥散细小地析出，可同时提高强度、塑性、冲击韧性，利用工业化能够容易实现的空冷工艺，简化了材料的制造工艺。热轧态轨头力学性能为：Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1000MPa，A≥14％，AKU2(室温)≥100J，AKU2(-40℃)≥60J，HB≥430。
具体实施方式
本发明公开了一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本专利申报依托的国家项目《重载铁路用高耐磨高强韧性钢轨关键技术研究与应用》，属于国家重点研发计划资助，课题编号：2017YFB0304504。
本发明提供一种热轧贝氏体钢轨，其化学成分按照重量百分比计包括：0.15-0.35％的C，0.70-1.80％的Si，1.40-2.40％的Mn，0.40-1.20％的Cr，0.10-0.50％的Mo，0.1-0.8％的Ni，0.01-0.07％的Nb，0.05-0.20％的V，其Nb+V≤0.30％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：5-20ppm，Ce：5-20ppm，N：80-130ppm，H：≤1.5ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
进一步地，其化学成分按照重量百分比计包括：0.18-0.33％的C，0.80-1.60％的Si，1.80-2.10％的Mn，0.70-1.10％的Cr，0.20-0.40％的Mo，0.2-0.4％的Ni，0.02-0.05％的Nb，0.07-0.16％的V，其Nb+V≤0.25％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：10-15ppm，Ce：10-15ppm，N：80-120ppm，H：≤1.0ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
优选地，化学成分中，La含量为5-20ppm，Ce含量为5-20ppm。
本发明提供的热轧贝氏体钢轨，在C-Si-Mn-Cr-Mo合金成分的基础上，添加了Nb、V、RE等微合金，同时优化Mn、Cr、Ni的配比，充分发挥V(C，N)的析出强化作用，微量固溶Ce净化晶界、促进V(C，N)、Nb(C，N)均匀弥散细小地析出，可同时提高强度、塑性、冲击韧性。以下详细说明本发明所述热轧贝氏体钢轨主要化学元素限制在上述范围的原因：
C：C含量过高，容易形成马氏体，不利于焊接性能和冲击性能，C含量太低，容易形成上贝氏体，不利于碳化物的形成和析出，同时贝氏体钢轨的强度就会大幅降低，对耐磨性起重要作用的硬碳化物就很难在滚动摩擦中形成，本发明贝氏体钢轨中C含量限定在0.15％-0.35％，优选为0.18-0.33％。
Si：压低Bs点，并有效抑制渗碳体的析出，使C固溶，可对硬度产生最大贡献，同时增加残余奥氏体稳定性，改善贝氏体钢轨的耐磨性、延迟断裂性能、低温冲击性能，本发明贝氏体钢轨中Si含量限定在0.70％-1.80％，优选为0.80-1.60％。
Mn：贝氏体钢轨中Mn元素压低Bs点，提高贝氏体空冷淬透性，易得到细小的板条贝氏体，提高材料的强韧性好；但Mn含量过高易产生偏析，容易生成马氏体，恶化韧性，本发明贝氏体钢轨中Mn含量控制在1.40％-2.40％，优选为1.80-2.10％。
Cr：在贝氏体钢轨中，和Mn元素作用类似，也可以压低Bs点，细化下贝氏体板条束，但Cr含量过高，不仅容易产生偏析，更容易形成复杂的碳化物，本发明贝氏体钢轨中Cr含量控制在0.40-1.20％，优选为0.70-1.10％。
Ni：强压低Bs点元素，提高残余奥氏体稳定性，细化贝氏体组织，提高可动位错滑移，降低钢的韧脆转变温度，是获得高冲击韧性必不可少的合金元素，本发明贝氏体钢轨中Ni含量控制在0.1-0.8％，优选为0.2-0.4％。
Nb：形成碳化物和细化原始奥氏体晶粒度来提高强度和韧性，含量太高容易形成间隙化合物和粗大碳化物，将降低钢轨韧性，本发明贝氏体钢轨中Nb含量控制在0.01％-0.07％，优选为0.02-0.05％。
V：通过析出强化来增加强度，即热轧冷却过程中或低温回火时形成碳氮化钒来提高强度，通过钢在加热到高温时来阻碍奥氏体晶粒长大，提高钢的强度、硬度和耐磨性，含量太低，不能充分发挥其析出强化作用，本发明贝氏体钢轨中V含量控制在0.05％-0.20％，优选为0.07-0.16％。
为使稀土La、Ce更多地固溶于基体中，可使所述贝氏体钢轨中含有的磷P、硫S以重量百分比计为：P：≤0.012％，S：≤0.010％，这样就保证了本发明材料为洁净钢。
La、Ce：La可和Cr、Mn元素一起提高钢的淬透性，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，可以提高强度，稀土La、Ce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，扩大贝氏体相变区。
相应的，本发明还提供一种上述热轧贝氏体钢轨的制备方法，其包括：冶炼，加热，轧制和冷却；冶炼过程中：
加入La-Ce-Fe合金和V-N合金；其中，La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的10～30％，所加La-Ce-Fe合金中氧含量小于等于20ppm，且La-Ce-Fe合金加入工位位于真空处理后5～10分钟；加入的V-N合金中N质量百分比占所加V-N合金的6～16％。
该制备方法中，为保证La、Ce稀土的收得率，在贝氏体钢轨的冶炼过程中，脱硫脱氧的基础上，添加La-Ce-Fe合金，其中La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的10-30％，且加入工位位于钢液真空处理后5～10分钟。同时为了提高V(C，N)的析出率，发挥其析出强化作用，还加入V-N合金，其中N质量百分比占所加V-N合金的6～16％。
进一步地，加热温度为1250-1280℃，保温4-6h；轧制过程中，粗轧孔型轧制的开坯温度为1150℃-1200℃，终成型温度930～950℃。在轧制过程中，一定量的Nb细化了原始奥氏体晶粒；轧后空冷至室温，通过细微的(Nb、V)、(C，N)析出进一步提高强度。
上述冷却可以采用空冷冷却即可，工业化容易实现，简化了材料的制造工艺。
本发明提供一种热轧贝氏体钢轨及其制备方法，该热轧贝氏体钢轨是一种La-Ce复合稀土处理的Nb-V微合金化热轧贝氏体钢轨，合金设计中优化了Mn、Cr、Ni的配比，连铸坯冶炼过程中加入V-N合金、La-Ce-Fe合金，充分发挥V(C，N)的析出强化作用，微量固溶Ce可净化晶界、促进V(C，N)、Nb(C，N)均匀弥散细小地析出，可同时提高强度、塑性、冲击韧性，利用工业化能够容易实现的空冷工艺，简化了材料的制造工艺。热轧态轨头力学性能为：Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1000MPa，A≥14％，AKU2(室温)≥100J，AKU2(-40℃)≥60J，HB≥430。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1
化学成分列于表1。
制备工艺如下：
冶炼：脱硫脱氧的基础上，添加La-Ce-Fe合金和V-N合金，其中La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的30％，且加入工位位于钢液真空处理后5分钟；V-N合金中，其中N质量百分比占所加V-N合金的16％。
加热：加热温度为1280℃，保温4h；
轧制：粗轧孔型轧制的开坯温度为1200℃，终成型温度950℃。
空冷。
实施例2
化学成分列于表1。
制备工艺如下：
冶炼：脱硫脱氧的基础上，添加La-Ce-Fe合金和V-N合金，其中La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的22％，且加入工位位于钢液真空处理后10分钟；V-N合金中，其中N质量百分比占所加V-N合金的10％。
加热：加热温度为1260℃，保温4-6h；
轧制：粗轧孔型轧制的开坯温度为1170℃，终成型温度940℃。
空冷。
实施例3
化学成分列于表1。
制备工艺如下：
冶炼：脱硫脱氧的基础上，添加La-Ce-Fe合金和V-N合金，其中La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的10％，且加入工位位于钢液真空处理后6分钟；V-N合金中，其中N质量百分比占所加V-N合金的6％。
加热：加热温度为1250℃，保温6h；
轧制：粗轧孔型轧制的开坯温度为1150℃，终成型温度930℃。
空冷。
实施例4
化学成分列于表1。
制备工艺如下：
冶炼：脱硫脱氧的基础上，添加La-Ce-Fe合金和V-N合金，其中La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的20％，且加入工位位于钢液真空处理后8分钟；V-N合金中，其中N质量百分比占所加V-N合金的11％。
加热：加热温度为1260℃，保温5h；
轧制：粗轧孔型轧制的开坯温度为1170℃，终成型温度940℃。
空冷。
表1为本发明实施例中热轧贝氏体钢轨的化学成分
对上述四个实施例子制备的热轧贝氏体钢轨进行力学性能测试，测试结果列于表2。
表2为本发明实施例制备的热轧贝氏体钢轨的力学性能
由上述内容可知，本发明提供的热轧贝氏体钢轨力学性能优异，Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1000MPa，A≥14％，AKU2(室温)≥100J，AKU2(-40℃)≥60J，HB≥430。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种热轧贝氏体钢轨，其特征在于，其化学成分按照重量百分比计包括：0.15-0.35％的C，0.70-1.80％的Si，1.40-2.40％的Mn，0.40-1.20％的Cr，0.10-0.50％的Mo，0.1-0.8％的Ni，0.01-0.07％的Nb，0.05-0.20％的V，其Nb+V≤0.30％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：5-20ppm，Ce：5-20ppm，N：80-130ppm，H：≤1.5ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的热轧贝氏体钢轨，其特征在于，其化学成分按照重量百分比计包括：0.18-0.33％的C，0.80-1.60％的Si，1.80-2.10％的Mn，0.70-1.10％的Cr，0.20-0.40％的Mo，0.2-0.4％的Ni，0.02-0.05％的Nb，0.07-0.16％的V，其Nb+V≤0.25％，小于0.012％的P，小于0.010％的S，La：10-15ppm，Ce：10-15ppm，N：80-120ppm，H：≤1.0ppm，其余为铁元素及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的热轧贝氏体钢轨，其特征在于，其化学成分中，La含量为5-20ppm，Ce含量为5-20ppm。
4.权利要求1至3任意一项所述的热轧贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，包括：冶炼，加热，轧制和冷却；冶炼过程中：
加入La-Ce-Fe合金和V-N合金；其中，La+Ce质量百分比占所加La-Ce-Fe合金的10～30％，所加La-Ce-Fe合金中氧含量小于等于20ppm，且La-Ce-Fe合金加入工位位于真空处理后5～10分钟；加入的V-N合金中N质量百分比占所加V-N合金的6～16％。
5.根据权利4所述的热轧贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，加热温度为1250-1280℃，保温4-6h；轧制过程中，粗轧孔型轧制的开坯温度为1150℃-1200℃，终成型温度930～950℃。
6.根据权利4所述的热轧贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，所述冷却为空冷冷却。
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