CN109957729B

CN109957729B - 一种有轨电车道岔用耐磨钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN109957729B
Application number: CN201711400533.9A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 侯华兴; 林田子; 隋轶; 刘明; 石锋涛; 杨颖�; 张哲�
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: CN109957729A

Abstract

本发明提供了一种有轨电车道岔用耐磨钢板及其生产方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.16％～0.22％、Si：0.2％～0.4％、Mn：0.60％～1.00％、Cr：0.6％～1.0％、Mo：0.2％～0.4％，Nb：0.015％～0.03％、Ni:0.4％～0.6％、B：0.0008％～0.0022％、Ti：0.10％～0.20％、Als：0.015％～0.045％，P≤0.012％,S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述生产方法包括冶炼、连铸、板坯堆垛缓冷、带温清理、板坯加热、控制轧制、矫直、钢板堆垛、热处理，本发明钢板化学成分简单，碳当量0.5‑0.63，利于冶炼和焊接；不需回火热处理，表面硬度大于370HB；截面硬度均匀；‑40℃低温韧性大于30J。

Description

一种有轨电车道岔用耐磨钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及有轨电车道岔用耐磨钢板。

背景技术

现代有轨电车与地铁相比具有投资小、建设周期短、线路形式多样、设计灵活的优势；有轨电车道岔因使用环境要求主要在城市,设计上需实现高精度、低噪声、高舒适度。

我国早期的有轨电车道岔为了便于维修、更换和降低造价，大部分采用高锰钢整铸辙叉生产，道岔内部气孔、缩松、微裂纹等缺陷严重，使用过程中很容易产生水平裂纹和垂直裂纹，而且由于有轨电车重量较轻、运行速度不快，运行时对道岔表面的冲击力较小，无法产生足够的表面硬化层，从而导致道岔失效较快，和国外产品比较使用寿命偏低。另外普通道岔区钢轨轨缝一般不焊接.采用有缝冻结接头。但有轨电车道岔若钢轨轨缝不焊接.列车通过时产生的振动和噪声势必对周围环境造成较大影响，且会降低轨道结构及车轮设备的使用寿命，增加养护维修工作量。

近年来，低合金、耐磨度、可焊接耐磨度道岔在国内外有轨电车线路得以推广应用。低合金道岔用耐磨钢板与普通道岔用钢板相比具有厚度大(80毫米以上)，截面硬度高(HB370以上)，而且对强度和韧性要求高的特点。低合金有轨电车道岔碳当量低、可焊性好，岔区轨缝可全部焊接、形成了跨区间无缝线路。除了可满足运行的安全性.还具有振动噪声小、耐久性好.使用寿命长，少维修，维修成本低的特点，发展前景广阔。

国内外有轨电车道岔用耐磨钢已经形成多项发明：

《一种纯净高锰钢辙叉的制造方法》(公开号为CN101323891B) 公开了一种纯净高锰钢辙叉的制造方法，该方法利用电弧炉或者感应电炉熔炼钢水，采用CaO、CaF2、Re-Mg合金作为变质剂，将变质剂加入到具有加热功能的钢包中，通过吹氮气与变质剂充分反应，达到钢液温度和化学成分均匀，并且达到脱氢、脱氧、脱硫、脱磷的目的，从而使钢中非金属夹杂物的数量大大减少，使其形态和分布得到控制，获得纯净高锰钢辙叉铸件。同时，由于钢包内吹氮使钢水得以增氮，高锰钢中的氮含量最高可达到0.07wt％，从而使高锰钢的屈服强度、加工硬化能力得以大幅度提高。这种净化氮化高锰钢辙叉的各项力学性能指标均得到大幅度的提高。其不足之处在于，该发明采用高锰钢成分设计，不适用于冲击载荷低的有轨电车道岔使用。

《一种耐磨损铁路道岔用铸钢制备方法》(公开号为 CN106834912A)公开了一种耐磨损铁路道岔用铸钢制备方法，包括有以下工艺步骤：浇注法兰毛坯，该法兰毛坯各合金成分及重量百分比为：C0.7％～0.9％，Si0.4％～0.8％，Mn0.6％～0.7％，P 0.012％～0.022％， S≤0.035％，Cr1.6％～2.2％，Pb0.04％～0.08％，W0.15％～0.21％， V0.05％～0.11％，Ni0.35％～0.45％，Ti0.3％～0.4％，Nb0.08％～0.15％， Zr0.03％～0.08％，余量为铝；该发明工件表面防锈工艺简单合理，工艺进一步改善实现，使其整体强度和耐磨性进一步提高，提高了对金属的保护作用。其不足之处在于，该发明C及Cr、W、Ni含量高，成本高，无法焊接，只能采用铸造的方法生产。

《抗磨损、耐磨韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺》(公开号为CN02158852.X)本发明公开了一种抗磨损、耐磨韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺，该道岔钢轨含有(重量％)C：0.10％－0.40％， Si：0.80％－2.00％，Mn：0.80％－3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.10％－0.80％，N：10％－150ppm，Al：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用转炉冶炼按所述成分制造熔融的钢，进行炉外精炼，然后经稀土处理，真空除气，连铸成大方坯，采用万能轧制法热轧成形后空冷至400℃，以0.01－0.002℃/s的冷速缓冷至200℃，其后在空气中自然冷却；也可以热轧成形空冷后回火或热轧空冷至相变点以下，在200－600℃等温处理或控轧后空冷。这种钢轨横截面的硬度均匀、更易加工、质量更稳定；本发明采用轧制及轧后处理工艺，提高了钢的组织稳定性、强度、韧性，使钢轨的抗磨损性能更加优异。其不足之处在于，该发明为轧制道岔型钢，碳当量高，含较高的Si 及碳及Cr、Mo合金，成本高、不易焊接，而且轧制后需分段控冷才能实现理想的性能，生产工艺复杂。

日本公司JFE STEEL COPORAT ION，KEIJI UEDA，MINRA等的发明专利，US2015/0184270A1，WEAR RESISTANT PLATE MANUFACTURING PROCESS THEREFOR一种耐磨钢板及其生产方法，其化学成分质量百分数为C：0.25％～0.33％，Si：0.1％～1.00％, Mn：0.40％～1.30％，P：≤0.01％，S：≤0.004％,AL:≤0.06％， N≤0.007％,并含有以下成分的一种或多种，Cu≤1.5％,Ni≤ 2.00％，Cr≤3.0％，Mo≤1.50％，W≤1.5％，B≤0.0030％余量为铁和不可避免的杂质。生产方法为，轧制加热温度1000～1200℃，轧后空冷，采用二次淬火的方法细化钢板组织，二次淬火热处理加热温度均为AC₃～950℃，最终在钢板心部获得大于70％晶粒尺寸小于25 微米的下贝氏体组织，表层获得90％以上的马氏体组织，钢板的表面硬度大于等于450(HBW10/3000),并且具有极好的冲击磨损性能。其不足之处在于，Cu、Cr、Mo、W等合金含量高，成本高，连铸困难，不易焊接，且二次淬火热处理工艺复杂。

文献1：《耐磨耐磨贝氏体道岔尖轨的研制》[期刊论文](刘丰收，陈朝阳，张银花，周清跃，田继新《中国铁道科学》2011年3期)，在贝氏体钢轨及贝氏体辙叉研究的基础上，通过成分选择、精炼、精轧及稳定化处理，制成60AT贝氏体钢轨，再加工成贝氏体道岔尖轨。通过对60AT贝氏体钢轨以及异型钢轨性能的检验町知：60AT贝氏体钢轨以及异型钢轨伞断面抗拉强度、屈服强度和伸长率等均达到相关标准规定的要求，并且强韧性配合非常好；贝氏体道岔尖轨强韧性指标明显地优于珠光体道彷尖轨，同时不需要进行淬火处理，就可以保证全断面具有高且均匀的硬度。使用寿命约为珠光体道岔尖轨的2 倍。该道岔属普通贝氏体钢轨型道岔，不能用于焊接道岔的制作。

文献2：《现代有轨电车轨道选型分析》[期刊论文](肖虎,贺飞, 朱冠宙，《技术研发》2016年3期)通过对国内现代有轨电车项目轨道系统实地调研，从轨道结构、钢轨、配件、轨枕、扣件、道床、道岔、辅助设备、减震降噪等方面分析研究有轨电车轨道系统，并根据调研及分析研究结果得出有轨电车项目轨道系统的推荐选型。未涉及焊接道岔的选材和制作。

文献3：《道岔应力分析及理想道岔材料》[期刊论文](李长虹，王柏重，《铁道学报》2000年8期)在定性分析道岔应力分布情况的基础上提出理想道岔模型,为最大限度地利用道岔的性能潜力提供了理论基础.依据理想道岔模型,研制出符合理想道岔模型的性能呈梯度分布的功能梯度材料,并未提供具体的道岔用钢成分和生产工艺。

可见现有耐磨道岔及专利及文献存在以下不足：

1、采用高锰钢铸造方式生产，内部缺陷多，耐磨性差；

2、采用轧制型钢方法生产，碳及碳当量高，焊接性差；

3、无法实现80毫米以上大厚度焊接道岔用钢板的要求；

4、生产工艺复杂，需回火或缓冷，易出现延迟裂纹。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种厚度 80-120mm，内部缺陷少，耐磨性好、生产工艺简单的一种有轨电车道岔用耐磨钢板及其生产方法。

本发明目的是这样实现的：

一种有轨电车道岔用耐磨钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.16％～0.22％、Si：0.2％～0.4％、Mn：0.60％～1.00％、 Cr：0.6％～1.0％、Mo：0.2％～0.4％，Nb：0.015％～0.03％、Ni:0.4％～0.6％、B：0.0008％～0.0022％、Ti：0.10％～0.20％、Als：0.015％～ 0.045％，P≤0.012％,S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％， [O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

所述耐磨钢板厚度80-120mm，碳当量0.5-0.63，表面硬度大于 370HB，截面硬度大于370HB，-40℃低温韧性大于30J。

本发明成分设计理由如下：

C：为了保证道岔用钢板高的表面强度、硬度和钢板水冷时的淬透性需要相当的碳含量做保证，在一定范围内钢的硬度随碳含量的增加而相应的增加，同时一定的碳含量可以和Nb、Ti、Cr、Mo等形成碳化物析出，增加耐磨性。碳含量过高则塑性、韧性降低，焊接性能下降，为了保证钢板高的截面硬度及焊接性能、低温韧性，因此本发明中C含量控制在0.16％～0.22％。

Si：主要作用是固溶强化和脱氧，是非碳化物形成元素，Si含量较多时会抑制碳化物的析出，但过多时会使焊接性能下降，同时影响韧性，因此本发明中Si含量控制在0.2％～0.4％。

Mn：主要作用是固溶强化，含量大于0.4％时可以提高淬透性，提高马氏体中碳的过饱和度，有利于强度和硬度的提高，且成本低廉，但含量高于1.0时易形成中心偏析，会使板坯有易发裂纹的倾向；因此本发明中Mn含量控制在0.6％～1.0％。

Nb：是强碳和氮化合物形成元素，主要作用是通过在钢中形成细小碳氮化物抑制加热时晶粒长大，空冷时又具有一定的析出强化的作用；Nb加入钢中，通过抑制奥氏体晶粒界面运动，从而提高钢板的再结晶温度。钢板中加入适量的Nb，高温奥氏体化时，未溶解的NbC起到钉轧奥氏体晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶界过分粗化。溶解在奥氏体中的Nb，在两阶段轧制过程中抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒。但Nb含量过高，则会形成粗大的NbC，影响钢板的力学性能。因此，本发明中Nb的加入量为0.015％～0.03％。

Ti：本发明的重点添加元素。与其它合金元素相比，价格便宜，可以与氮、碳和硫形成化合物，其碳化物TiC颗粒细小且具有极高的硬度，最高硬度可达到3200HV，添加大于0.1％的钛时，这些碳化物弥散分布在钢板的基体中能够有效的提高钢板的强度和硬度。另外钢中形成细小钛的碳氮化物能有效抑制加热时晶粒的长大，钛与氮的化合物形成温度较高，碳化铌的析出温度较氮化钛和碳化钛低，因此本发明添加足够多的钛和碳，可以使铌主要与碳化合，同时可以阻止钢中的游离N与B形成化合物，提高酸溶硼收得率充分发挥B提高淬透性的作用，但含量过高时(大于0.2％)时会钢中会形成过多的粗大的TiN,降低钢板的低温韧性和疲劳性能，因此本发明中Ti的加入量控制在0.10％～0.20％，且控制[N]≤0.0040％，避免过多TiN的形成。

Mo、Cr：主要作用是降低临界冷却速度，提高钢板的淬透性，形成完全细小的马氏体组织，另外铬、钼在钢中可形成多种碳化物，提高钢板的强度和硬度，保证厚规格钢板的硬度在370HB以上，Mo 含量大于0.2％，Cr含量大于0.6％时效果明显，Mo、Cr含量随厚度增加而适当增加，但Mo价格昂贵，Mo、Cr过多加入，还会使焊接性降低，因此本发明控制Cr：0.6％～1.0％、Mo：0.2％～0.4％。

B：钢中加入微量的硼可极大的提高淬火淬透性，由于硼的加入量很小，且在钢液中与氧、氮有较强的亲和力，很容易与其发生化合反应，从而失去提高淬透性的作用。因此冶炼时加硼之前应尽量降低钢水中氧和氮的含量，但B含量过多时(≥0.0025％)易在晶界处富集，会降低晶界结合能，使钢板在受到冲击载荷时更倾向于沿晶断裂，降低钢板的低温冲击吸收功。因此，本发明中B的加入量为 0.0008％～0.0022％，优选为0.0010％～0.0020％，且[N]≤0.0040％， [O]≤0.0020％。

Ni，是同时提高大于80mm厚规格钢板的强度和低温韧性的元素，Ni会与Fe形成FeNi化合物，钢板在较低温度下受到低温冲击载荷时，固溶的Ni会提高钢板的低温冲击吸收功，但Ni成本较高，因此本发明中厚规格钢板加入小于0.6％的Ni能够保证钢板的力学性能尤其是-40℃低温韧性，并使其具有市场竞争力，本发明 Ni:0.4％～0.6％。

P，S，N，H，O为杂质元素，本发明钢中P≤0.012％，S≤0.003％， [N]≤0.0060％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0020％。

本发明技术方案之二是提供一种有轨电车道岔用耐磨钢板的生产方法，包括冶炼—连铸—板坯堆垛缓冷—带温清理—板坯加热—控制轧制—矫直—钢板堆垛—热处理，

(1)冶炼：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；精炼时要控制钢水[H]≤0.00015％[N]≤0.0040％， [O]≤0.0020％，连铸采用电磁搅拌或轻压下，减少元素偏析；

(2)板坯堆垛缓冷：连铸后需进行缓冷，缓冷温度400-600℃，缓冷时间≥36h，可有效去除钢坯中的氢含量和铸造内应力；缓冷到板坯温度在100～200℃之间时，进行板坯带温清理，可减少铸造缺陷，同时可避免切割裂纹的发生；

(3)轧制：轧前加热温度1200℃～1250℃，为保证Ti能充分固溶，加热时间需控制在1.5-2min/cm；轧制时采用两阶段控轧，目的在于充分细化热轧态组织,第一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100 ℃，第一阶段即粗轧压下率大于45％，终轧温度控制在980～1050℃；第一阶段轧制过程中，奥氏体发生动态再结晶、静态再结晶和动态回复的过程，细化了奥氏体晶粒，第一阶段即粗轧压下率大于45％，可以保证心部变形深透；

第二阶段轧制开始轧制温度＜860℃，终轧温度≤850℃，第二阶段轧制在奥氏体进一步细化且富集了大量的位错，为相变提供了大量的形核位置；轧制后进行堆垛缓冷，时间大于等于24h。

(4)热处理：进行离线淬火，加热温度850～900℃，保温 2～3min/mm，淬火终冷温度150～250℃，然后堆垛缓冷至室温，时间不小于6h。

进一步，淬火时，在连续淬火机低压段进行摆动淬火，摆动时间 100～200s。

本发明为保证80mm-120mm厚规格耐磨钢板截面均匀，具有400HB级别的硬度，加热后钢板在需在低压段水中进行摆动淬火；本发明在淬火过程中，控制摆动淬火时间，有别于正常淬火需冷却至室温，只水冷至低于马氏体形成温度以下终止，即可获得相当数量的马氏体和残余奥氏体混合组织，然后进行堆垛缓冷，利用心部温度进行自回火，可以充分去除淬火应力，防止高硬度钢板淬火延迟裂纹的产生，既可生产出80mm以上厚度的高硬度耐磨钢板，又可省去一般耐磨度耐磨钢板生产必须的回火工序，既降低了生产成本，又可提高生产效率。

本发明采用控轧工艺充分细化钢板的组织，有利于钢板后期热处理后获得超高的硬度和较好的韧性；淬火热处理时采用控制终冷温度的方法降低残余应力，减少延迟裂纹的产生。

本发明的有益效果在于：

(1)化学成分简单，合金含量相对较低，碳当量0.5-0.63，利于冶炼和焊接；

(2)表面硬度大于370HB；不需冲击载荷硬化，耐磨性好；

(3)截面硬度均匀，最大厚度可达120mm；可满足较大厚度道岔耐磨钢板的使用需求；

(4)不需回火热处理；

(5)-40℃低温韧性大于30J，具有良好的低温止裂能力。

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—连铸—板坯堆垛缓冷—带温清理—板坯加热—控制轧制—矫直—钢板堆垛—热处理，

(1)冶炼：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；要求精炼时要控制钢水[H]≤0.00015％[N]≤0.0040％， [O]≤0.0020％，连铸采用电磁搅拌或轻压下；

(2)板坯堆垛缓冷：连铸后进行堆垛缓冷，缓冷温度400-600 ℃，缓冷时间≥36h；缓冷到板坯温度在100～200℃之间时，进行板坯带温清理；

(3)轧制：轧前加热温度1200℃～1250℃，加热时间需控制在 1.5-2min/mm；轧制时采用两阶段控轧，第一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100℃，第一阶段即粗轧压下率大于45％，终轧温度控制在 980～1050℃；第二阶段轧制开始轧制温度＜860℃，终轧温度≤850 ℃；轧制后进行堆垛缓冷，时间大于等于24h；

(4)热处理：进行离线淬火，加热温度850～900℃，保温2～3min/mm，淬火终冷温度150～250℃，然后堆垛缓冷至室温，时间不小于6h。

淬火时，在连续淬火机低压段进行摆动淬火，摆动时间100～200s。

本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要轧制工艺参数见表2。本发明实施例钢的淬火热处理见表3。本发明实施例钢的力学性能见表4。本发明实施例钢80、120mm钢板截面硬度见表5。本发明实施例钢110mm钢板截面力学性能见表6。

表1本发明实施例钢的成分(w％)

表2本发明实施例钢的主要轧制工艺参数

表3本发明实施例钢的淬火热处理

表4本发明实施例钢的力学性能

由表4可知，本发明钢板在-40℃低温韧性大于30J，具有良好的低温止裂能力，

表5本发明实施例钢80、120mm钢板截面硬度

表6本发明实施例钢110mm钢板截面力学性能

由表6可知，厚规格钢板的表面，厚度的1/2处，1/4处强韧性比配良好。

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

1.一种有轨电车道岔用耐磨钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.16％～0.22％、Si：0.2％～0.4％、Mn：0.60％～1.00％、Cr：0.6％～1.0％、Mo：0.2％～0.4％，Nb：0.015％～0.03％、Ni:0.4％～0.6％、B：0.0010％～0.0022％、Ti：0.10％～0.20％、Als：0.015％～0.045％，P≤0.012％,S≤0.003％，[N]≤0.0040％，[H]≤0.00015％，[O]≤0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述的有轨电车道岔用耐磨钢板的生产方法，包括冶炼—连铸—板坯堆垛缓冷—带温清理—板坯加热—控制轧制—矫直—钢板堆垛—热处理，

(1)冶炼：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；要求精炼时要控制钢水[H]≤0.00015％[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％，连铸采用电磁搅拌或轻压下；

(2)板坯堆垛缓冷：连铸后进行堆垛缓冷，缓冷温度400-600℃，缓冷时间≥36h；缓冷到板坯温度在100～200℃之间时，进行板坯带温清理；

(3)轧制：轧前加热温度1200℃～1250℃，加热时间需控制在1.5-2min/mm；轧制时采用两阶段控轧，第一阶段轧制开轧温度控制在1050～1100℃，第一阶段压下率大于45％，终轧温度控制在980～1050℃；第二阶段轧制开始轧制温度＜860℃，终轧温度≤850℃；轧制后进行堆垛缓冷，时间24-36h；

(4)热处理：进行离线淬火，加热温度850～900℃，保温2～3min/mm，淬火终冷温度150～250℃，然后堆垛缓冷至室温，时间不小于6h；

所述耐磨钢板厚度80-120mm，碳当量0.5-0.63，表面硬度大于370HB，截面硬度大于370HB，-40℃低温韧性大于30J；

所述步骤(4)中，淬火时，在连续淬火机低压段进行摆动淬火，摆动时间100～200s。