CN108531833B

CN108531833B - 一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨及其生产方法

Info

Publication number: CN108531833B
Application number: CN201810293628.3A
Authority: CN
Inventors: 王冬; 金纪勇; 陈昕; 王长顺; 刘祥; 丁宁; 刘宏
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-05-29
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: CN108531833A

Abstract

本发明提供一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨及其生产方法，该钢轨成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.35％，Si：1.00％～2.00％，Mn：1.00％～2.00％，P：≤0.025，S：≤0.015，Cr：0.50％～1.50％，Cu：0.20％～0.60％，Ni：0.10％～0.50％，B：0.0008％～0.0025％，Nb：0.02％～0.15％，Sb：0.02％～0.30％，余量为Fe和不可避免杂质。生产方法：冶炼‑精炼‑连铸‑连铸坯加热‑初轧‑万能轧制‑缓冷；钢轨抗拉强度≥1390MPa，屈服强度≥1200MPa，延伸率≥12.5％，常温冲击功AK_U2≥70J，耐蚀性能良好。

Description

一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及用于隧道潮湿和海洋环境下铁路用60kg/m级别耐腐蚀贝氏体钢轨。

背景技术

近年来，随着铁路运输事业的快速发展，列车的牵引重量、运输密度和运输范围都有明显增加。作为引导列车运行的钢轨，其使用环境也随之变得更加复杂，因复杂环境带来的腐蚀问题也越来越明显。由于我国山区面积占比较大，很多铁路难免需要穿越隧道，而隧道中阴暗潮湿的环境会给钢轨造成严重的腐蚀，缩短使用寿命；此外，环渤海、长三角和珠三角等地区铺设的钢轨也面临着海洋环境气雾腐蚀。铁路局反馈，该些地区的钢轨腐蚀加剧了钢轨的更换频率，显著提高了更换费用，因腐蚀加剧的钢轨伤损(包括断裂、掉块、起皮等)造成的损失更是难以估计。目前，国内外钢轨研究主要集中在高强度、高耐磨性方面，对于耐腐蚀方面研究相对较少，对于工业化生产兼具高强韧性和耐蚀性钢轨材料的成熟技术实属空白。因此，特别有必要对钢轨耐腐蚀问题进行深入研究，发现和生产出质量稳定的耐腐蚀与高强韧性能兼备钢轨，不仅可以提高隧道潮湿和海洋环境下钢轨的使用寿命，而且可以提升钢轨生产企业的品牌竞争力，降低各铁路局因频繁换轨造成的人力、物力与财力消耗，也将对促进我国铁路事业发展大有裨益。

现有的保护钢轨钢减少或防止隧道潮湿或海洋环境腐蚀的技术方案无非是以下三种：

一是钢轨表面通过涂层来形成腐蚀防护。如发明《一种腐蚀图层钢轨生产工艺》(申请号：03117936.3S)公开了的合金图层确实具备耐湿热、耐盐雾侵蚀能力，但该涂层属于两性金属，在酸、碱性条件下容易反应，致使涂层保持时间短，大大降低耐蚀效果。同时，该方法对钢表面除锈等级要求须高达Sa3.0级，工艺复杂，对于小且不对称的钢轨端面很难达到要求，涂层均匀性也无法保证，生产效率大幅下降。

二是牺牲阳极的阴极保护。如《耐腐蚀抗断裂的钢轨或列车钢轮》(申请号：CN200610021963.5)公开了技术方案是在钢轨或车轮的非工作面直接安置阳极，并在钢轨或车轮的表面涂覆具有离子导电和缓蚀功能的缓蚀层，通过牺牲阳极或外接可控直流电源，实施阴极保护与缓蚀剂相结合的新型电化学保护。该方法思路巧妙，但受线路限制较大，回路的电流严重影响铁路信号，并且更换消耗性牺牲锌片的成本很高，推广应用难度很大。

三是从钢轨基体耐蚀机理入手，通过调整工艺、合金元素添加、微合金元素强化等手段提高钢轨基体耐腐蚀性，这也是目前国内外针对钢轨耐腐蚀技术方案中的重点研究方向。《一种耐腐蚀贝氏体钢轨》(申请号：201110077892.1)公开技术方案是在引鉴日本的公开号为2002-363697A专利的基础上，通过Cr、Cu、Ni元素的最佳合金匹配以获得高强度及具有优异耐腐蚀性能的贝氏体钢轨，提高钢轨使用寿命。但该方法中合金元素加入量过高，尤其是Cr元素高达4.0％，强淬透性导致低速冷却(如正火)即可出现马氏体，使贝氏体钢轨组织中出现体积分数高达20％～30％的马氏体，韧塑性严重下降。耐蚀能力提高了，但是已经不具备使用性能，同时，Mn+Cr超过5.0％，这也显著降低了钢轨的工艺性能，元素偏析加剧，生产成本飙升。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题和不足而提供一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨，钢轨的抗拉强度(Rm)≥1390MPa，屈服强度(Rp_0.2)≥1200MPa，延伸率(A)≥12.5，常温冲击试验的冲击功AK_U2≥70J且耐蚀性能良好。

结合我国隧道潮湿、海洋气候地区对钢轨耐蚀性的迫切需要，针对现阶段耐腐蚀钢轨技术依旧尚不完备，本发明通过优化常规的合金元素Cr、Cu、Ni的有机配合外，特别添加了Sb提高耐腐蚀性，并综合了B、Nb的“综合作用”，获得了一种贝氏体体积分数可达80％-90％以上，具有很好的耐腐蚀效果，同时兼备高强韧性配合和耐磨贝氏体钢轨，而且该贝氏体钢轨性价比较高，易于市场推广。

本发明的额目的是这样实现的：

一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨，该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.35％，Si：1.00％～2.00％，Mn：1.00％～2.00％，P：≤0.025，S：≤0.015，Cr：0.50％～1.50％，Cu：0.20％～0.60％，Ni：0.10％～0.50％，B：0.0008％～0.0025％，Nb：0.02％～0.15％，Sb：0.02％～0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述钢轨组织为贝氏体+马奥岛，且贝氏体组织体积百分数80％-90％。

本发明成分设计理由如下：

C是性价比最高的基体强化型元素，主要是保证基体的强度和硬度，对于贝氏体钢轨来说，C含量低于0.10％时，钢轨的耐磨性无法保证，即使其它强化元素弥补也无济于事；而C含量高于0.35％时，首先会增加钢轨断面心部偏析程度，降低性能；其次是导致马氏体过冷相析出，降低韧塑性。因此，选择C含量为0.10％～0.35％。

Si是固溶型强化元素，主要固溶于铁素体，提高钢的屈服强度，但在贝氏体钢轨钢中主要是为了抑制碳化物(尤其是渗碳体)析出，提高韧塑性。低于1.00％时，会明显降低韧塑性；高于2.00％时，则组织中会出现较多的残余奥氏体相以及马奥岛，基体稳定性降低，韧塑性也会下降。所以，选择Si含量为1.00％～2.00％。

Mn是性价比最高的相变型强化元素，同时还置换并固溶于铁素体起强化作用，也是良好的淬透性元素。低于1.00％时，需要加入其它高价的替代元素；高于2.00％时，会导致严重的偏析，生成马氏体，破坏基体强度和塑性。所以，Mn范围确定为1.00％～2.00％。

P虽然具有耐海洋大气腐蚀的作用，但P对焊接性损害巨大，而且极易造成偏析。在保证炼钢条件、炼钢成本等前提下，本发明要求P含量≤0.025％。

S是有害元素，容易形成非金属夹杂MnS，S还是热轧过程中产生“热脆”的主要元素，所以在保证不增加非必要工序和额外成本的前提下，越低越好，本发明要求S≤0.015％。

Cr和Cu是本发明中提高腐蚀性的主要两种元素，只有通过Sb元素配合，才能使二者相互协同生成α-FeOOH和δ-FeOOH致密锈膜层，提高贝氏体钢轨钢的耐腐蚀性。Cr低于0.50％时，几乎没有耐腐蚀作用，Cr高于1.50％时，热加工性劣化；Cu低于0.20％时，不能与Cr和Sb形成有效地耐蚀保护，Cu高于0.60时％，会形成ε-Cu沉淀，降低低温韧性，同时会产生“铜脆”现象；所以Cr含量为0.50％～1.50％，Cu含量为0.20％～0.60％。

Ni是贵金属元素，本发明被迫加入Ni是为了消除“铜脆”，Ni需要加入至Cu含量的三分之一至二分之一才会起到消除“铜脆”的作用，但是本发明中，加入Ni还有一个提高基体耐腐蚀的作用。低于0.10％时，没有效果；高于0.50％时，成本显著增加。所以，Ni含量为0.10％～0.50％。

B：0.0008％～0.0025％，Nb：0.02％～0.20％，本发明中特别注重微量Nb与B的综合作用。由于贝氏体钢轨钢在获得贝氏体组织时需要加入一定量的提高淬透性、促进贝氏体转变元素，而B元素的效果显著又价格低廉，是最优之选，当钢中加入0.001％～0.003％的B所达到的提升淬透性效果相当于加入0.5％左右的Mn、Cr或Mo，主要是通过在奥氏体晶界处偏聚，抑制铁素体在奥氏体晶界处优先形核，使奥氏体分解时新相在奥氏体晶界处形核困难，奥氏体分解的孕育期增长，从而提高淬透性；B会使贝氏体转变曲线变得扁平，B和Cu(本发明中的耐蚀元素之一)联合会进一步抑制贝氏体转变前的先共析铁素体生成，促进贝氏体转变，使得即使在低碳的情况下也能得到全部贝氏体组织，有效细化晶粒。Nb和B的综合作用，一会形成Nb(C、N、B)，在位错线上析出，提高再结晶停止温度，保证轧制时在非再结晶区大量变形，大幅细化晶粒；二会固溶于奥氏体并偏聚在晶界，有效拖慢再结晶速度，进一步细晶强化；三会扩大贝氏体转变的冷速范围；四会在冷却和相变之后在贝氏体内析出Nb(C、N、B)化合物，进一步强化基体，Nb还会防止基体出现点蚀和局部腐蚀。本发明经过试验优化，将B加入量定在了0.0008％～0.0025％，低于所设计的下限值时，几乎没有效果；超过上限时，淬透性提高了，但是大大降低冲击韧性，严重破坏了使用性能；配合之Nb含量控制在0.02％～0.15％。

Sb：0.02％～0.30％，本发明中特别巧妙地引入了能够提高贝氏体钢轨钢耐腐蚀性元素Sb，Sb的加入会促使贝氏体钢轨钢基体表面形成一层均匀致密的氧化膜(富含Sb、Cu、Cr等元素)，氧化膜中的Cu²⁺促使δ-FeOOH增加，δ-FeOOH可以有效地阻止水蒸气和氧继续进入基体构成腐蚀内环境，Cr离子可以促使α-FeOOH生成，α-FeOOH则是有效的保护基体避免继续腐蚀的成分，Sb则可以使α-FeOOH和δ-FeOOH产生协同作用，共同提高机体耐腐蚀性，增强钢轨的耐腐蚀能力。经过试验优化，将Sb元素加入量控制在0.02％～0.30％，低于所设计的下限值时，使钝化膜分散不均匀，达不到整体抗腐蚀效果；超过设计上限时，起到了防腐效果，但是显著降低热加工性能。

本发明中特别考虑了合金元素的成本问题，在保证贝氏体钢轨钢达到耐蚀、高强、耐磨的同时，控住主要合金元素含量，经过B与Mn、Cr有机配合，有效地降低了合金元素的非必要加入量，降低了冶炼成本。

本发明技术方案之二是提供一种耐腐蚀的高强韧耐磨贝氏体钢轨的生产方法，包括:冶炼-精炼-连铸-连铸坯加热-开坯初轧-万能轧制-缓冷；

连铸坯加热温度须控制在1250～1300℃，保温2～4h，开坯初轧温度控制在1100℃以上，万能轧制温度不低于900℃，轧后空冷。本发明中添加的0.0008％～0.0025％的B和0.02％～0.15％的Nb能够共同作用提高钢轨的再结晶终了温度,使其达到1000℃以上,保证生产时终轧是在非再结晶区进行的,这样能够大幅提高冷却时相变形核率，有效细化晶粒，获得预期强韧性。

本发明的有益效果在于，本发明经过各元素成分的合理优化，冶炼时成分比较容易稳定控制，给试验、生产过程带来便利。本发明的耐腐蚀的高强韧耐磨贝氏体钢轨的力学性能可以达到如下效果：抗拉强度(Rm)≥1390MPa，屈服强度(Rp_0.2)≥1200MPa，延伸率(A)≥12.5％，常温冲击试验的冲击功AK_U2≥70J。本发明的耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨具有良好的高强韧性配合。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行包括:冶炼-精炼-连铸-连铸坯加热-开坯初轧-万能轧制-缓冷；连铸坯加热温度须控制在1250～1300℃，保温2～4h，开坯初轧温度控制在1100℃以上，万能轧制温度不低于900℃，轧后空冷。

本发明实施例钢轨的成分见表1。本发明实施例钢轨的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢轨的力学性能与组织见表3。本发明实施例钢轨周期浸润腐蚀试验结果见表4。

表1本发明实施例钢轨的成分(Wt％)

表2本发明实施例钢轨的主要工艺参数

表3本发明实施例钢轨的力学性能与组织

表4本发明实施例钢轨周期浸润腐蚀试验结果

为了测试本发明中的耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨的耐腐蚀性能，根据TB/T2375-93铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法，对实验钢进行周浸试验。同时，以目前铁路用钢轨主要牌号之一的U71Mn作为对比钢种，进行了如下实验：

实验条件：初始浓度为(1.0±0.05)*10^-2mol/L的NaHSO₃溶液，PH在4.4～4.8；采用2.0*10²mol/L的NaHSO₃溶液作为补给液；试验温度为45±2℃，试验湿度为70±5％RH；循环周期设定为60Min，其中浸润时间12min；烘烤后试样表面最高温度为70±10℃，试验时间为72h。

试验中金属腐蚀速率运用公式V＝(W₀－W_t)/S_t计算，式中：V—腐蚀速率，g/(m·2h)；W₀—金属的初始质量，g；W_t—金属表面除去腐蚀产物后的质量，g；S—金属的表面积，m²；t—腐蚀时间，h。经过周期浸润腐蚀试验，本发明中的“耐腐蚀的高强韧耐磨贝氏体钢轨”的平均腐蚀速率为0.82g/(m·2h)，相当于对比钢1(U71Mn)钢轨钢的耐腐蚀率的241％。

由表4可知，本发明耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨周期浸润腐蚀试验结果表明，本发明的耐腐蚀的高强韧耐磨贝氏体钢轨耐蚀性能良好。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨，其特征在于，该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.35％，Si：1.60％～2.00％，Mn：1.00％～2.00％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.50％～1.50％，Cu：0.20％～0.60％，Ni：0.10％～0.50％，B：0.0015％～0.0025％，Nb：0.12％～0.15％，Sb：0.15％～0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述钢轨组织为贝氏体+马奥岛，且贝氏体体积百分数在80％-90％，所述钢轨的抗拉强度≥1390MPa，屈服强度≥1200MPa，延伸率≥12.5％，常温冲击试验的冲击功AK_U2≥70J；所述的耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨的生产方法，包括冶炼-精炼-连铸-连铸坯加热-开坯初轧-万能轧制-缓冷；连铸坯加热温度须控制在1270～1300℃，保温2.8～4h，开坯初轧温度控制在1100℃以上，万能轧制温度不低于960℃，轧后空冷。