CN110343966A - 一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板及其制造方法，其中，所述钢板的组分包括C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Nb、Ti、N以及余量的Fe和杂质，且上述组分元素含量必须同时满足如下关系：Nb+V+Ti≤0.11%，制造方法是通过合理的设置合金元素添加种类和添加含量，充分发挥V、Ti元素的强化作用，Ni、Nb元素的细化晶粒作用，再在TMCP加工工艺之后增加回火热处理工艺，使钢的组织为铁素体、珠光体、以及少量贝氏体组织，以增强钢的低温韧性；本发明提供的钢板厚度规格为10~30mm，钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，‑46℃温度下冲击功KV₂≥130J，合金种类较少，合金用量较低，生产成本较低，经济效益和社会效益好。

Description

一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢的制造技术领域，特别涉及一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板及其制造方法。

背景技术

随着我国经济快速发展，铁路运输在货运、能源运输中，具有运输能力大、单车装载量大，车速较高，受气候和自然条件影响较小，同时可以方便地实现驮背运输、集装箱运输及多式联运等优点，起着重要的的作用。截至2018年年底，中国铁路营运总里程达13.1万公里，铁路用钢需求量大，因此，开发此类钢板成为适应我国铁路运输快速发展的必然需求。

目前，我国铁路车辆用钢板的抗拉强度小于550MPa，阻碍和制约了我国未来铁路运输的发展需求。为了保证铁路车辆自重减轻，提高载重量，提高运载效率，保证安全运行，对铁路车辆用钢板的强韧化指标要求越来越高。同时，考虑铁路跨度大，地理气候多变的特点，为保证车辆运行的安全性，要求钢板在-46℃时具有良好的低温韧性。

中国专利公开号为CN 102925798 A的专利文献，公开了一种铁路货车零部件用屈服强度450MPa级钢及生产方法，其厚度仅为6~14mm，其仅提供了-40℃冲击性能，且C含量设计为0.01~0.07%。

发明内容

本发明的目的是提出一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板及其制造方法，解决现有铁路车辆用钢板的低温韧性和抗拉强度均难以满足高寒地区的使用要求的问题，该船板钢厚度规格为10~30mm，常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J，用于高寒冷地区铁路用钢的钢结构。

为实现上述目的，本发明提出一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，其组分及重量百分比含量包括：

所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.09～0.18%、Si：≤0.40%、Mn：1.20～1.75%、P≤0.015%、S≤0.004%、Ni：0.10～0.40%、Cu：0.03～0.40%、Nb：≤0.06%、V：0.040～0.070%，Ti：≤0.025%，N:0.012~0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质，并同时满足：Nb+V+Ti ≤0.11%。

优选地，所述钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J。

优选地，所述钢板的成品厚度为10~30mm。

此外，为实现上述目的，本发明提出一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法，包括如下步骤：

采用TMCP工艺生产一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的方法，包括如下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH炉真空处理→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→回火热处理→检验，具体地：

1）采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，LF加热炉和RH真空炉处理及成分微调。连铸前进行电磁搅拌，连铸时进行动态轻压下处理，连铸后及时进行铸坯缓冷；

2）对铸坯加热，加热温度控制在1220~1260℃；

3）采用两阶段控制轧制：控制粗轧开轧温度1100~1150℃，粗轧终轧温度≥1000℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为800~890℃；

4）轧制结束后驰豫20~150秒，再进入层流冷却区域，控制冷却速度在35~45℃/s，钢板经冷却后终冷温度300~450℃；

5）钢板进行回火处理，回火温度为550~650℃，保温时间为2.5min/mm×钢板厚度+20~40min，出炉后空冷至室温。

本发明提供的技术方案中，通过低碳和低合金，合理的设置合金元素添加种类和添加含量，添加一定量的Mn、Ni、Cu、Nb、V、Ti等，合理匹配各元素成分，发挥微合金元素的复合强化作用，使V、Ti两种合金元素形成碳化物和碳氮化物的复合强化，充分发挥V、Ti元素在车辆用钢中的强化作用，并加入与V和Ti适配的Nb元素，细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，改善焊接性能，加入Ni细化铁素体晶粒以改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度，同时对有害元素做出相应要求，严格控制P、S含量，再在TMCP加工工艺之后增加回火热处理工艺，使钢的组织为铁素体、珠光体、以及少量贝氏体组织，而避免钢组织中出现对低温韧性有较大影响的马氏体组织，以增强钢的低温韧性，从而保证钢板获得足够的强度和韧性。

所述高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，钢板厚度规格为10~30mm，钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J，以适用于建造满足高寒地区的使用要求的高抗拉强度和强低温韧性的铁路车辆用钢板，且合金元素添加种类和添加含量的合理设置，合金种类较少，合金用量较低，生产成本较低。本发明钢通过合理的成分设计、严格的夹杂物控制、优化轧制和热处理工艺，以获得良好的强韧性、低屈强比和焊接性能，可用于制造高寒地区铁路车辆设备，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的钢组织金相组织图；

图2为本发明一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法一实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

下述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本文中，单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，其组分及重量百分比含量包括：

C：0.09～0.18%、Si：≤0.40%、Mn：1.20～1.75%、P≤0.015%、S≤0.004%、Ni：0.10～0.40%、Cu：0.03～0.40%、Nb：≤0.06%、V：0.040～0.070%，Ti：≤0.025%，N:0.012~0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质，并同时满足：Nb+V+Ti ≤0.11%。

本发明中各组分的作用及控制具有以下特征：

C：C是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，增加钢中C含量，韧性和可焊性将变差，钢的焊接性能变坏，本发明除考虑钢板的优良韧性和低屈强比外，还需保证钢板的焊接性能。本发明钢的C含量应控制在0.09~0.18%。

Si：Si与碳的亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，产生固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。当Si含量增大时，会促进岛状马氏体形成，对焊接热影响区韧性有害，降低可焊性。硅锰结合，Mn可下降，因为Si引起的脱碳，Si有微弱的抑制晶粒长大的作用，可稍下降，Mn引起的调质粗晶，有相互改善作用。本发明钢的Si含量控制在≤0.40%范围内可满足要求。

Mn：Mn是固溶强化和提高钢板抗拉强度的重要元素，对贝氏体转变有较大的促进作用，提高钢中Mn含量能扩大γ区，降低γ→α转变温度，扩大轧制范围，使铁素体晶粒的长大机会大大减少，因而促进了晶粒细化，增加了钢的强韧性。锰在钢的基体中起到固溶强化的作用，还可以消除硫对钢材的影响，且成本低廉。考虑到本发明钢的强度范围，因此将Mn控制在1.20%~1.75%。

Ni：Ni是细化晶粒和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，可细化铁素体晶粒来改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度。一方面既强烈提高钢的强度，另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。有Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。Ni可提高A体钢的蠕变抗力，但还一定值作用则减弱，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。本发明钢将Ni含量设定在0.10%~0.40%。

Cu：Cu能提高钢中奥氏体的稳定性，所以可提高可淬性和淬透性，若Cu含量超过0.5%塑性显著降低。Cu有强化铁素体的作用，在铁素体中加Cu，可提高它在某些还原性介质中的耐蚀性和改善钢的韧性。本发明钢的Cu含量控制在0.03~0.40%。

Nb：Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，可改善焊接性能，本发明钢的Nb含量控制在≤0.06%。

V：V是有效提高钢板强度的碳化物形成元素之一，在钢中的效果仅次于Nb、Ti。V的含量不能过高，以免降低钢的焊接性能。V含量过高时，析出物数量增加，尺寸增大，从而导致钢的韧性降低。设计时将V控制在0.040%~0.070%。

Ti: Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，能起细化晶粒的作用，但过量的Ti又会在钢中形成夹杂。在低合金高强钢中从提高金属的韧性考虑，加入≤0.025%的Ti较为合适。

Nb+V+Ti：在钢中添加微量的Nb、V、Ti可保证钢在碳当量较低的情况下。通过其碳、氮化物质点（尺寸小于5nm）的弥散析出及Nb、V、Ti的固溶，细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧性，使钢具有良好的可焊性、使用性。Nb虽可细化晶粒而提高钢的韧性，但含量过高时，亦将生成铁素体δ相或其它脆性相，而使其韧性降低，热加工性能变坏。V含量过高时，析出物数量增加，尺寸增大，从而导致钢的韧性降低。考虑本发明钢板强韧性匹配，及易焊接等特点，本发明设计Nb+V+Ti≤0.11%。

N： N能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用，在低碳钢中残留N会导致时效脆性。因此为了降低N的时效脆化，将N含量控制在0.012~0.025%。

为了提高钢板的低温韧性水平，钢中的杂质元素要求尽量少。

P磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性。应严加控制。

S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。随着硫含量的增加，钢的稳定性急剧恶化。因此，对于该钢应将P控制在0.015%以内，S控制在0.004%以内。

按照上述组分及重量百分比含量制造的所述高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，通过合理的设置合金元素添加种类和添加含量，使V、Ti两种合金元素在较高的C含量下形成碳化物和碳氮化物的复合强化，充分发挥V、Ti元素在车辆用钢中的强化作用，同时加入与V和Ti适配的Nb元素，细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，改善焊接性能，加入Ni细化铁素体晶粒以改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度，再在TMCP加工工艺之后增加回火热处理工艺，使钢的组织为铁素体、珠光体、以及少量贝氏体组织，而避免钢组织中出现对低温韧性有较大影响的马氏体组织，以增强钢的低温韧性。图1为本发明一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的钢组织金相组织示意图，钢组织为铁素体、珠光体、以及少量贝氏体。所述钢板厚度规格为10~30mm，钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J，以适用于建造满足高寒地区的使用要求的高抗拉强度和强低温韧性的铁路车辆用钢板，且合金元素添加种类和添加含量的合理设置，合金种类较少，合金用量较低，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

本发明还提出一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法，图2为本发明一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法一实施例的流程示意图，包括如下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH炉真空处理→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→回火热处理→检验，具体地：

步骤S10，铁水预处理，采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，LF加热炉和RH真空炉处理及成分微调。连铸前进行电磁搅拌，连铸时进行动态轻压下处理，连铸后及时进行铸坯缓冷。

具体地，该钢冶炼时在转炉添加合金，确保合金充分溶解均匀，在LF炉和RH炉中控制钢水中N的含量。冶炼时RH真空处理，可较好的降低钢中杂质、气体含量。连铸成坯，铸坯切割后必须缓冷，避开高温脆化区域，防止断坯。

步骤S20，铸坯加热，加热温度控制在1220~1260℃。轧制前铸坯加热温度为1220~1260℃，确保铸坯温度均匀。

步骤S30，轧制，采用两阶段控制轧制，控制粗轧开轧温度1100~1150℃，粗轧终轧温度≥1000℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为800~890℃。

粗轧时，根据成品钢板厚度，控制本阶段轧制结束时中间坯的厚度。钢的粗轧开轧温度不小于1100℃，粗轧终轧温度不小于1000℃。

精轧时，待温避开奥氏体部分再结晶区温度后，开始奥氏体未再结晶区控制轧制。此时，未再结晶区的轧制有足够的压缩比，使得变形奥氏体中产生高畸变的变形积累，形成大量形变带和高密度位错。精轧终轧后，形变位错将发生回复和多边形化，从而细化组织，提高钢板的强度和韧性。轧制时，精轧开轧温度不大于960℃，精轧轧终轧温度800℃~890℃。

步骤S40，层流冷却，轧制结束后驰豫20~150秒，再进入层流冷却区域，控制冷却速度在35~45℃/s，钢板经冷却后终冷温度300~450℃。

轧制结束后，根据厚度不同驰豫20~150秒，控制开冷温度，通过轧后层流冷却，不仅可以抑制晶粒长大，而且可以获得部分微细的贝氏体组织。钢板以35~45℃/s冷却速度，冷至300~450℃，出水空冷，未发生铁素体转变的奥氏体进行贝氏体转变，微细的贝氏体弥散分布，起到很好的强化作用。

步骤S50，回火热处理，钢板进行回火处理，回火温度为550~650℃，保温时间为2.5min/mm×钢板厚度+20~40min，出炉后空冷至室温。

由于该钢要在低温介质下长期使用，且对钢的低温韧性要求较高，所以针对该钢的特点设计热处理工艺为回火。回火后该钢的组织是铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，钢中不会出现对低温韧性有较大影响的马氏体组织。回火温度设计为550~650℃，是为了让钢消除内应力、降低脆性，提高韧性。

采用上述元素组分含量及加工工艺步骤制造的所述高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，所述钢板厚度规格为10~30mm，钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J，以适用于建造满足高寒地区的使用要求的高抗拉强度和强低温韧性的铁路车辆用钢板，且合金元素添加种类和添加含量的合理设置，合金种类较少，合金用量较低，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

所述一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的组分及其重量百分比含量为：C：0.09～0.18%、Si：≤0.40%、Mn：1.20～1.75%、P≤0.015%、S≤0.004%、Ni：0.10～0.40%、Cu：0.03～0.40%、Nb：≤0.06%、V：0.040～0.070%，Ti：≤0.025%，N:0.012~0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质，并同时满足：Nb+V+Ti ≤0.11%。

所述一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法的步骤为：铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH炉真空处理→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→回火热处理→检验，具体地：

步骤S10，铁水预处理，采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，LF加热炉和RH真空炉处理及成分微调。连铸前进行电磁搅拌，连铸时进行动态轻压下处理，连铸后及时进行铸坯缓冷。

步骤S20，铸坯加热，加热温度控制在1220~1260℃。轧制前铸坯加热温度为1220~1260℃，确保铸坯温度均匀。

步骤S30，轧制，采用两阶段控制轧制，控制粗轧开轧温度1100~1150℃，粗轧终轧温度≥1000℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为800~890℃。

步骤S40，层流冷却，轧制结束后驰豫20~150秒，再进入层流冷却区域，控制冷却速度在35~45℃/s，钢板经冷却后终冷温度300~450℃。

步骤S50，回火热处理，钢板进行回火处理，回火温度为550~650℃，保温时间为2.5min/mm×钢板厚度+20~40min，出炉后空冷至室温。

在实际应用中，根据船板钢生产规格和批次不同，具有控制范围内的不同组分含量、具体工艺控制条件、以及对应的力学性能指标，为了更好地说明和解释本发明，表1、表2中将发明例（本发明涉及的钢种）和对比例（现有钢种）的组分、工艺条件及力学性能罗列出来进行对比。

表1 本发明的实施例与对比例的化学组分表（wt%）

表2 本发明实施例与对比例的工艺控制及力学性能

表3 本发明实施例与对比例的力学性能列表

注：ReL（下屈服强度）、Rm（抗拉强度）、ReL/ Rm（屈强比）、A（断后伸长率）、KV2（低温冲击功）

从表1至表3中数据可知，本发明通过合理的设置合金元素添加种类和添加含量，使V、Ti两种合金元素在较高的C含量下形成碳化物和碳氮化物的复合强化，充分发挥V、Ti元素在车辆用钢中的强化作用，同时加入与V和Ti适配的Nb元素，细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，改善焊接性能，加入Ni细化铁素体晶粒以改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度，再在TMCP加工工艺之后增加回火热处理工艺，使钢的组织为铁素体、珠光体、以及少量贝氏体组织，而避免钢组织中出现对低温韧性有较大影响的马氏体组织，以增强钢的低温韧性。所述高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，钢板厚度规格为10~30mm，钢板常温下的屈服强度ReH≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J，以适用于建造满足高寒地区的使用要求的高抗拉强度和强低温韧性的铁路车辆用钢板，且合金元素添加种类和添加含量的合理设置，合金种类较少，合金用量较低，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，其特征在于：所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.09～0.18%、Si：≤0.40%、Mn：1.20～1.75%、P≤0.015%、S≤0.004%、Ni：0.10～0.40%、Cu：0.03～0.40%、Nb：≤0.06%、V：0.040～0.070%，Ti：≤0.025%，N:0.012~0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质，并同时满足：Nb+V+Ti ≤0.11%。

2.根据权利要求1所述的一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，其特征在于：所述钢板常温下的屈服强度ReL≥420MPa，抗拉强度600~720MPa，低屈强比≤0.75%，延伸率A≥20%，-46℃温度下冲击功KV₂≥130J。

3.根据权利要求1所述的一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板，其特征在于：所述钢板的成品厚度为10~30mm。

4.一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的制造方法，其特征在于：按照根据权利要求1至3任意一项所述的一种高强度低屈强比韧性优的铁路用钢板的组分及重量百分比配制，并采用TMCP工艺生产，包括如下步骤：

铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH炉真空处理→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→回火热处理→检验，具体地：

1）采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，LF加热炉和RH真空炉处理及成分微调，连铸前进行电磁搅拌，连铸时进行动态轻压下处理，连铸后及时进行铸坯缓冷；

2）对铸坯加热，加热温度控制在1220~1260℃；

3）采用两阶段控制轧制：控制粗轧开轧温度1100~1150℃，粗轧终轧温度≥1000℃，精轧开轧温度≤960℃，精轧终轧温度为800~890℃；

4）轧制结束后驰豫20~150秒，再进入层流冷却区域，控制冷却速度在35~45℃/s，钢板经冷却后终冷温度300~450℃；

5）钢板进行回火处理，回火温度为550~650℃，保温时间为2.5min/mm×钢板厚度+20~40min，出炉后空冷至室温。