CN108690941B - 一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，其化学成分质量百分比为：C:0.20‑0.27%，Si:1.60‑1.80%，Mn:1.70‑1.80%，Cr:1.00‑1.50%，Mo:0.50‑0.60%，Ni:0.50‑0.60%，V:0.04‑0.10%，Al≤0.007%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cu≤0.15%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。采用在常规的转炉中熔炼后，在精炼装置中进行精炼，在精炼采用低碱度终渣脱硫、去除夹杂物，并在精炼后采用RH进行脱气和去除夹杂物，钢水经浇铸成连铸坯后轧成大规格扁钢。本发明与目前市场上供应的高强度辙叉用钢相比具有更高的强度与韧性，能有效提高复杂环境下辙叉的疲劳寿命，显著提高辙叉通载量，提高使用效率，降低综合使用成本。

Description

一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中铁路辙叉用扁钢的技术领域，具体涉及一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法。

背景技术：

铁路是国民经济的大动脉、关键基础设施和民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要运输方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。加强现代化铁路建设，对扩大铁路运输有效供给，构建现代综合交通运输体系，建设交通强国。

铁路运输重点朝着高速、重载方向发展，动车组承担客运比重已接近50%，货运能力也在不断释放提升。这对铁路基础设施建设提出了非常高的要求，辙叉作为车辆行走基础部件的重要组成部分，其质量和稳定性至关重要。辙叉在使用过程中反复受车轮碾压和冲击，不断磨损，对辙叉用材质提出了非常高的要求，高强度、高冲击韧性、高接触疲劳寿命、高耐磨。高速铁路无缝衔接对辙叉的焊接性能提出了非常高的要求。

而目前国内铁路辙叉一般使用高锰钢，经浇铸成型。这种辙叉特点在于结构简单、维护简便，但是力学性能和焊接性能差，使用寿命普遍低于通载量1.2亿吨，综合使用成本高。而淮钢按照铁路需求开发出的高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用钢，由于是热轧态交货，经用户锻造、热处理、车削，压缩比大，力学性能稳定优异，焊接性能优秀，可以实现与钢轨的无缝焊接，使用寿命可达通载量4亿吨以上，综合成本低。

铁总《采用合金钢心轨组合辙叉技术条件（暂行）》（运基线路【2005】230号）标准对辙叉力学性能等级进行了规定：抗拉强度Rm≥1240MPa、屈服强度Rp0.2≥1100MPa、断后伸长率A≥8%、冲击韧性KU2（20℃）≥70J/cm²、冲击韧性KU2（-40℃）≥35J/cm²、踏面硬度38~42HRC。目前国内已经采用的贝氏体辙叉钢，可以达到上述强韧性要求，但这种钢抗拉强度达到1240MPa已是极限，强度再进一步提升的空间有限，且现有贝氏体辙叉钢的疲劳寿命在通载量2亿吨以下。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢，同时提供这种钢的生产工艺，具备较铁总《采用合金钢心轨组合辙叉技术条件（暂行）》（运基线路【2005】230号）标准中合金钢辙叉心轨更高的强度与韧性。具有如下力学性能：抗拉强度Rm≥1300MPa、屈服强度Rp0.2≥1200MPa、断后伸长率A≥16%、冲击韧性KU2（20℃）≥100J/cm2、冲击韧性KU2（-40℃）≥40J/cm2、踏面硬度40~42HRC。疲劳寿命可达通载量4亿吨以上。

本发明通过以下技术方案实现：

一种一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢，其化学成分质量百分比为：C:0.20-0.27%，Si:1.60-1.80%，Mn:1.70-1.80%，Cr:1.00-1.50%，Mo:0.50-0.60%，Ni:0.50-0.60%，V:0.04-0.10%，Al≤0.007%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cu≤0.15%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

下面具体说明本发明高强度、高韧性、高耐磨、高接触疲劳寿命，焊接性能优秀的合金辙叉用钢化学成分的限定理由：

C：能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的硬度和耐磨性能，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转变温度。所以为保证本钢种具备良好的强韧性配合，并合理避开包晶钢0.08%~0.17%的碳含量区域，防止出现表面和皮下缺陷，影响产品疲劳性能，C含量取0.20%-0.27%。

Si：是强化贝氏体基体元素，是形成无碳贝氏体或抑制贝氏体中碳化物析出的主要元素，在钢中能溶入铁素体，起到固溶强化作用，提高合金钢的强度和硬度，降低Bs点，使贝氏体相转变C曲线右移；能抑制过冷奥氏体分解，从而促进贝氏体-铁素体板条间富碳奥氏体和（M-A）岛状组织的形成，能显著提高钢的弹性极限、屈服极限与强度极限比以及疲劳强度与疲劳极限比。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为1.60-1.80%。

Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，因此，能提高强度和硬度，且对材料的塑性影响较小。强降低Bs点，弱降低Ms点，能控制贝氏体相转变曲线，并提高贝氏体强度。在低碳钢种有一定的细化晶粒的作用。当Mn含量低于1.80%时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。所以Mn含量确定为1.70-1.80%。

Cr：强降低Bs点，弱降低Ms点，是降低△Bs/△Ms比值最强的合金元素，并可以强化基体与其他元素配合，保证锻态基体获得贝氏体组织。对贝氏体转变的C曲线影响较大，能提高贝氏体淬透性和强度。同时能提高钢的硬度、抗腐蚀、耐磨性和耐候性。综合考虑，Cr含量为1.00-1.50%。

Mo：强降低Bs点，弱降低Ms点，能使铁素体-珠光体转变大大推迟，并使铁素体-珠光体与贝氏体“C”曲线分开。Mo含量大于0.20%时，使下临界冷速（与铁素体析出相切的冷速）降低，含量在0.20-0.40%时作用已十分显著，当含量大于0.60%时，这种影响减小。因此，一般中低碳贝氏体钢中Mo含量控制在0.40-0.60%。Mo还具有提高钢的淬透性、热强性、抗腐蚀性与防点蚀倾向等作用，钢中添加一定量的Mo元素，对耐磨性提高非常显著。所以本发明确定Mo含量为0.50-0.60%。

Ni：强降低Bs点，能够提高钢的强度和韧性，是获得稳定高冲击韧性必不可少的元素，并降低冲击转变温度。一定的镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力。镍由于降低临界转变温度和降低各元素的扩散速度，提高钢的淬透性。但是由于镍是稀缺资源，价格昂贵。所以本发明中Ni含量控制在0.50-0.60%。

V：可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性，还能提高焊接性能和耐磨性能。所以本发明适当的添加了0.04-0.10%的V。

Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度。但如果Al含量偏高，容易形成硬的Al2O3夹杂，恶化钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的成分控制上限为0.007%。

P：会增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性。因此通常优质钢中P含量控制≤0.025%。本发明对P含量界定了明确的成分控制上限为0.015%。

S：使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造或轧制过程中易形成裂纹。硫对焊接性能也有不利影响，降低钢的耐腐蚀性。所以通常要求S≤0.025%。本发明对S含量界定了明确的成分控制上限为0.010%。

Cu：在钢中有抗大气腐蚀的作用，能提高钢的强度和耐磨性，但是超过0.20%易在钢材表面析出，形成铜致裂纹，影响钢材疲劳性能。所以本发明对Cu含量界定了明确的成分控制上限为0.15%。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物出现几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量稳定控制在0.0015%以内。

H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收缩率降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015%以下。

N：氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080%。本发明及生产工艺可以将N含量控制在0.0050%以内。

一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢的生产方法，包括以下步骤：

1）铁水预处理：采用KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，向漩涡中投入脱硫剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过反复扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；

2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入石灰、精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣无渣出钢防止回P；

3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度R≤3的精炼渣；通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂，精炼过程全程搅拌，精炼前期大搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

4）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00013%、［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围；

5）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为25~35分钟，确保夹杂物充分上浮去除；

6）连铸：采用连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；

7）轧钢与精整：采用步进式加热炉加热，利用开坯+连轧连轧生产线生产大规格扁钢；采用矫直+抛丸+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，造R≤3的精炼渣，通过精炼渣反应强化脱S、去除夹杂。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，精炼过程全程通气搅拌，所述大搅拌的通气速率大于等于600L/min，所述弱搅拌的通气速率小于200L/min。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤6中），采用6机6流圆坯连铸机，浇铸生产Φ500mm连铸圆坯。

本发明更进一步改进方案是，所述步骤7）中，大压下量开坯+连轧轧制大规格扁钢。

按照本发明生产的一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢，材料力学性能可以达到如下水平：抗拉强度Rm≥1300MPa、屈服强度Rp0.2≥1200MPa、断后伸长率A≥16%、冲击韧性KU2（20℃）≥100J/cm2、冲击韧性KU2（-40℃）≥40J/cm2、踏面硬度40~42HRC，具有高强度、高韧性、高耐磨、高接触疲劳寿命，焊接性能优秀等特点。

国内本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一、一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，通过使用Mn、Ni、Mo、Cr、V等常规合金元素进行合金化，使其性能具有较铁总《采用合金钢心轨组合辙叉技术条件（暂行）》（运基线路【2005】230号）标准辙叉心轨用钢更高的强度与韧性，且其接触疲劳寿命和焊接性能显著提高。

第二、一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，LF炉中造碱度R≤3的精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂。利用RH真空设备进行脱气处理，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的疲劳寿命。

第三、一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，本钢种采用BOF+LF+RH+CCM工艺，保证较低的H、O、N以及有害残余元素的含量，使得材料具有优异综合力学性能。

第四、一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，本钢种采用步进式加热炉加热，往复式开坯机大压下量轧制+连轧精确成形，保证了材料组织的致密性和均匀性，提高尺寸精度，提升了钢材的综合力学性能。

第五、一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢及其生产方法，本发明通过合理成分设计及先进的工艺满足了高强度、高韧性、高耐磨、高接触疲劳寿命，焊接性能优秀的要求，在满足铁路换轨的同时，有效提高通载量，减少了维护成本和更换保养时间，大大节约了成本，提高了效率。

附图说明：

图1为目前国内使用的铁路辙叉钢与本发明的化学成分对比图表（wt%）。

图2为本发明制备所得铁路辙叉用钢的4组实施例的化学成分图表（wt%）。

图3为本发明制备所得铁路辙叉用钢的4组实施例与现有技术的力学性能对比图表。

图4为本发明制备所得铁路辙叉用钢的4组实施例非金属夹杂物控制图表。

具体实施方式：

如图1所示，目前国内使用的铁路辙叉钢与本发明的化学成分对比情况。

采用以下生产工艺制备：

1）铁水预处理：采用KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，向漩涡中投入脱硫剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过反复扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保脱硫后铁水S≤0.003%；

2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入石灰、精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣无渣出钢防止回P；

3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度R≤3的精炼渣；通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂，精炼过程全程搅拌，精炼前期大搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；

4）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00013%、［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围；

5）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为25~35分钟，确保夹杂物充分上浮去除；

6）连铸：采用连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯；

7）轧钢与精整：采用步进式加热炉加热，利用开坯+连轧连轧生产线生产大规格扁钢；采用矫直+抛丸+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

如图2所示，所得铁路辙叉用钢的化学成分；如图3所示，所得铁路辙叉用钢的力学性能及与现有技术对比情况。

如图4所示，本发明各实施例铁路辙叉用钢的所得非金属夹杂物控制水平。通常特级优质钢非金属夹杂物控制水平在各系小于等于1.5级，本发明各实施例的化学成分中，A类、D类、Ds类夹杂物已经稳定控制在小于等于1.0级，B类夹杂物已稳定控制在小于等于0.5级，C类夹杂物未检测出。B类、C类夹杂物对材料疲劳寿命影响最大，本发明工艺控制水平已达到国际领先水平。

Claims (5)

1.一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢，其特征在于：其化学成分质量百分比

为：C:0.20-0.27%，Si:1.60-1.80%，Mn:1.70-1.80%，Cr:1.00-1.50%，Mo:0.50-0.60%，Ni:

0.50-0.60%，V:0.04-0.10%，Al≤0.007%，P≤0.015%，S≤0.010%，Cu≤0.15%，[O]≤

0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe;

包括以下步骤：

1）铁水预处理：采用KR脱硫方法，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，向漩涡中投入脱硫

剂，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，再通过反复扒渣去除脱硫产物，降低铁水S含量，确保

脱硫后铁水S≤0.003%；

2）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初

炼，实现预脱P，出钢加入石灰、精炼渣及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡

渣无渣出钢防止回P；

3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度R≤3的精炼渣；通过

钢渣反应强化脱S、去除夹杂，精炼过程全程搅拌，精炼前期大搅拌，精炼后期采用弱搅拌，

防止钢水二次氧化；

4）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高

真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00013%、 ［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围；

5）软吹去除夹杂物：真空处理之后进行软吹处理，软吹时间为25 ~ 35分钟，确保夹杂物

充分上浮去除；

6）连铸：采用连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连

铸圆坯；

7）轧钢与精整：采用步进式加热炉加热，利用开坯+连轧生产线生产大规格扁钢；采用

矫直+抛丸+超声波探伤+人工修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷，剔除有内部缺陷钢材。

2.如权利要求1所述的一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢的生产方法，其特征

在于：所述步骤3）中，造R≤3的精炼渣，通过精炼渣反应强化脱S、去除夹杂。

3.如权利要求1所述的一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢的生产方法，其特征

在于：所述步骤3）中，精炼过程全程通气搅拌，所述大搅拌的通气速率大于等于600L/min，

所述弱搅拌的通气速率小于200L/min。

4.如权利要求1所述的一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢的生产方法，其特征

在于：所述步骤6）中，采用6机6流连铸机，浇铸生产Φ500mm连铸圆坯。

5.如权利要求1所述的一种高强度、长寿命贝氏体铁路辙叉用扁钢的生产方法，其特征

在于：所述步骤7）中，采用大压下量开坯+连轧轧制大规格扁钢。