CN110541111A - 一种耐磨导向钢轨用钢材及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨导向钢轨用钢材及其生产方法，所述钢材的金相组织为细珠光体组织，包括以下重量百分数的各成分：C 0.65～0.82％、Mn 0.60～1.30％、Si 0.70～1.50％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr≤0.5％，其余为Fe及杂质元素。其制备方法包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、大方坯连铸、开坯、控制轧制和控制冷却。本发明采用大方坯连铸，再开坯成小方坯进行轧制，得到的钢轨内部组织均匀；加入微合金元素Cr细化晶粒，同时提高了钢的淬透性能，有利于后续的加速冷却处理，所得珠光体组织的片层间距较小，使得成品导向钢轨的抗拉强度≥1300MPa；采用小方坯轧制，钢坯加热时间短，表面脱碳受到控制，成品钢轨的脱碳层≤0.1mm；本发明所述耐磨导向钢轨相对于目前大规模使用的U75V钢轨耐磨性能大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金及材料领域，尤其涉及一种耐磨导向钢轨用钢材及其生产方法。
背景技术
胶轮导轨电车是最新型的城市公共交通工具之一，车辆使用橡胶轮胎，其轨道嵌入地面，单轨导向。集公共汽车和轻轨优势于一体，车轮在高速行驶时震动小、无噪音，且转弯半径小，爬坡能力强，具备节能环保和人性化的特点，加之建设成本低，将成为未来城市交通发展的主要方向之一。
胶轮导轨电车最大爬升坡度可以达到13°，车辆在上下坡道和转向时，起导向作用的钢轨所承受的应力非常大，且导向钢轨单重较小只有33kg/m，致使导向钢轨的磨损很快，而导向钢轨嵌入在地面之下，更换施工困难，极大的提高了电车线路的运营维护成本。
中国发明专利(申请号：201810959904.5申请日：2018-08-22)公开了一种超高强韧性导向轨钢材及其制备方法，该专利采用高硅高锰高钴的成分设计对钢材组织进行优化，得到一种无碳化物贝氏体钢轨，抗拉强度≥2500MPa，但是该专利设计添加合金多，成本较高，且不利于钢轨的焊接性能。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种耐磨导向钢轨用钢材及其生产方法，该钢材的原料成本低，制备方法简单，且其自身的抗拉强度高，脱碳层薄，满足具有大角度爬坡能力的电车用导向钢轨高耐磨性能的使用需求。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种耐磨导向钢轨用钢材，包括以下重量百分数的各成分：C 0.65～0.82％、Mn 0.60～1.30％、Si 0.70～1.50％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr≤0.5％，其余为Fe及杂质元素。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的一种耐磨导向钢轨用钢材进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述耐磨导向钢轨用钢材包括以下重量百分数的各成分：C 0.71～0.79％、Mn 0.85～1.10％、Si 0.85～1.25％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr0.25～0.40％，其余为Fe及杂质元素。
作为上述技术方案的改进，所述耐磨导向钢轨用钢材包括以下重量百分数的各成分：C 0.76％、Mn 0.95％、Si 1.10％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr 0.30％，其余为Fe及杂质元素。
本发明还提供一种所述耐磨导向钢轨用钢材的制备方法，包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、大方坯连铸、开坯、控制轧制和控制冷却。
具体操作为：
铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫，控制进转炉前铁水中S含量≤0.01％。
转炉冶炼：炉渣碱度控制在2.0～4.0，终点采用高拉补吹工艺，严防钢水过氧化，出钢温度1655±15℃，随钢流加入硅、锰等脱氧合金和增碳剂。
大方坯连铸：大包至中包采用长水口、中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸；拉速按0.50～0.80m/min控制，连铸成280mm×380mm大方坯；
开坯：开坯机经5道次轧制成200mm×200mm小方坯，开坯温度1220℃；
控制轧制：加热：1120℃～1250℃；加热时间160～240min；轧制：开轧温度1050～1150℃；终轧温度：820～910℃；
轧后冷却：喷风进行加速冷却，冷却时间60～120s，冷却速度按1～3℃/s控制。
上述方法所制备的成品导向钢轨的抗拉强度≥1300MPa，脱碳层≤0.1mm。
本发明所述钢材C、Mn、Si、S、P、Cr的成分设计原理为：
C：C是提高强度最经济有效的合金元素，随着碳含量的增加，材料强度和硬度不断提高，耐磨性能增加，但是塑性会急剧降低，因此将C含量目标值控制在0.65～0.82％范围内，优化目标0.71～0.79％。
Mn：Mn主要固溶于铁素体中以提高材料的强度，又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱钢因硫引起的脆性，Mn含量很高时，钢的抗氧化性能下降，因此Mn含量目标值控制在0.60～1.30％范围内，优化目标0.85～1.10％。
Si：Si在钢中不形成碳化物，是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，有利于提高钢的耐磨性能，Si含量过高时，显著降低钢的塑韧性，因此Si含量控制在0.70～1.50％范围内，优化目标0.85～1.25％。
P：P在钢中容易造成偏析恶化焊接性、显著降低钢的低温冲击韧性、提高脆性转变温度，故将P含量目标值控制P≤0.010％。
S：S含量过高，会形成大量的MnS，MnS在钢液凝固时易在晶界析出，在热轧时被轧成带状夹杂，降低了钢材的延展性及韧性，S含量高时显著降低钢的冲击韧性，因此S含量目标值控制在≤0.010％。
Cr：加Cr可以提高钢的耐磨性能，且加Cr可以提高钢的淬透性，Cr含量过高时会使冲击韧性急剧下降，故将Cr含量目标值控制在≤0.5％，优化目标0.25～0.40％。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明所述的耐磨导向钢轨，采用大方坯连铸，再开坯成小方坯进行轧制，得到的钢轨内部组织均匀；
2、加入微合金元素Cr细化晶粒，同时提高了钢的淬透性能，有利于后续的加速冷却处理，所得珠光体组织的片层间距较小，使得成品导向钢轨的抗拉强度≥1300MPa；
3、由于采用了小方坯轧制，钢坯加热时间短，表面脱碳受到控制，成品钢轨的脱碳层≤0.1mm，远小于常规轧制钢轨的脱碳层(0.25～0.50mm)；
4、由本方案得到的耐磨导向钢轨具有高耐磨性能的特点，相对于目前大规模使用的U75V钢轨，耐磨性能提高了30％以上，满足了具有大爬坡能力的胶轮导轨电车用导向钢轨的需求，且本发明合金元素添加量少，成本较低，生产工艺简单，利于推广。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明所述耐磨导向钢轨的显微组织图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
所有实施例均按以下步骤生产：
铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫，控制进转炉前铁水S含量≤0.01％(按重量％)。
转炉冶炼：炉渣碱度控制在2.0～4.0，终点采用高拉补吹工艺，严防钢水过氧化，出钢温度1655±15℃，随钢流加入硅、锰等脱氧合金和增碳剂。
大方坯连铸：大包至中包采用长水口、中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸；拉速按0.50～0.80m/min控制，连铸成280mm×380mm大方坯。
开坯：开坯机经5道次轧制成200mm×200mm小方坯，开坯温度1220℃。
控制轧制：加热：1120℃～1250℃；加热时间160～240min；轧制：开轧温度1050～1150℃；终轧温度：820～910℃。
轧后冷却：喷风进行加速冷却，冷却时间60～120s，冷却速度按1～3℃/s控制。
实施例1
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.78％、Si 1.15％、Mn 0.98％、P 0.012％、S 0.003％、Cr 0.28％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例2
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.76％、Si 1.09％、Mn 0.96％、P 0.013％、S 0.005％、Cr 0.31％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例3
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.73％、Si 1.08％、Mn 1.05％、P 0.010％、S 0.007％、Cr 0.32％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例4
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.75％、Si 1.12％、Mn 1.07％、P 0.011％、S 0.004％、Cr 0.27％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例5
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.77％、Si 1.13％、Mn 0.93％、P 0.012％、S 0.005％、Cr 0.30％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例6
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.65％、Si 0.70％、Mn 0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr≤0.5％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例7
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.71％、Si 0.85％、Mn 0.85％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 0.25％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例8
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.76％、Si 1.10％、Mn 0.95％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr 0.30％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例9
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.79％、Si 1.25％、Mn 1.10％、P≤0.015、S≤0.010、Cr 0.40、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
实施例10
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.82％、Si 1.50％、Mn 1.30％、P≤0.015、S≤0.010、Cr≤0.5、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
为更好的展示本发明所制备的导向钢轨的性能，采用如下方法制备了两个对比例，具体制备方法为：
铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫，控制进转炉前铁水S含量≤0.01％(按重量％)。
转炉冶炼：炉渣碱度控制在2.5～4.5，终点采用高拉补吹工艺，严防钢水过氧化，出钢温度1660±15℃，随钢流加入硅、锰等脱氧合金和增碳剂。
大方坯连铸：大包至中包采用长水口、中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸；拉速按0.50～0.80m/min控制，连铸成280mm×380mm大方坯。
控制轧制：加热：1263～1281℃；加热时间160～300min；轧制：开轧温度1186～1192℃；终轧温度：898～903℃。轧后空冷0.5～1℃/s。
对比例1
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.72％、Si 0.58％、Mn 0.87％、P 0.021％、S 0.009％、V 0.04％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
对比例2
一种耐磨导向钢轨用钢材，各组分及其所占重量百分比为：C 0.71％、Si 0.62％、Mn 0.85％、P 0.023％、S 0.011％、V 0.05％、其余为Fe和杂质元素。
制备方法如上所述。
各实施例和对比例的化学成分对比如表1所示，生产过程工艺参数对比如表2所示。
表1 本发明各实施例和对比例的化学成分(wt％)
| 成分 | C | Si | Mn | P | S | Cr | V |
| 实施例1 | 0.78 | 1.15 | 0.98 | 0.012 | 0.003 | 0.28 | - |
| 实施例2 | 0.76 | 1.09 | 0.96 | 0.013 | 0.005 | 0.31 | - |
| 实施例3 | 0.73 | 1.08 | 1.05 | 0.010 | 0.007 | 0.32 | - |
| 实施例4 | 0.75 | 1.12 | 1.07 | 0.011 | 0.004 | 0.27 | - |
| 实施例5 | 0.77 | 1.13 | 0.93 | 0.012 | 0.005 | 0.30 | - |
| 实施例6 | 0.65 | 0.70 | 0.60 | ≤0.015 | ≤0.010 | ≤0.5 | |
| 实施例7 | 0.71 | 0.85 | 0.85 | ≤0.015 | ≤0.010 | 0.25 | |
| 实施例8 | 0.76 | 1.10 | 0.95 | ≤0.015 | ≤0.010 | 0.30 | |
| 实施例9 | 0.79 | 1.25 | 1.10 | ≤0.015 | ≤0.010 | 0.40 | |
| 实施例10 | 0.82 | 1.50 | 1.30 | ≤0.015 | ≤0.010 | ≤0.5 | |
| 对比例1 | 0.72 | 0.58 | 0.87 | 0.021 | 0.009 | - | 0.04 |
| 对比例2 | 0.71 | 0.62 | 0.85 | 0.023 | 0.011 | - | 0.05 |
表2 本发明各实施例与对比例的生产过程工艺参数
所制备的耐磨导向钢轨的性能试验结果如表3和表4所示。
表3 实施例1～5与对比例所制备的钢轨的拉伸等性能试验结果
表4 实施例1～5与对比例所制备的钢轨的耐磨性能结果
表4的耐磨性能测试实验在M200型摩擦磨损实验机上进行，车轮与钢轨以对滚方式接触，车轮试样转速180r/min，钢轨试样转速200r/min，转动滑差率10％。
经对比可见本发明所述的耐磨导向钢轨，具有优良的耐磨性能，满足了具有大爬坡能力的导轨电车用导向钢轨高耐磨性能的要求。
图1为所制备的耐磨导向钢轨的显微组织图。从图1可以看出该导向钢轨的组织为细珠光体组织，且片层间距小，使得导向钢轨具有强度高耐磨性能好的特点。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐磨导向钢轨用钢材，其特征在于：所述钢材的金相组织为细珠光体组织，包括以下重量百分数的各成分：C 0.65～0.82％、Mn 0.60～1.30％、Si 0.70～1.50％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr≤0.5％，其余为Fe及杂质元素。
2.如权利要求1所述的耐磨导向钢轨用钢材，其特征在于：包括以下重量百分数的各成分：C 0.71～0.79％、Mn 0.85～1.10％、Si 0.85～1.25％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr0.25～0.40％，其余为Fe及杂质元素。
3.如权利要求1所述的耐磨导向钢轨用钢材，其特征在于：包括以下重量百分数的各成分：C 0.76％、Mn 0.95％、Si 1.10％、S≤0.010％、P≤0.015％、Cr 0.30％，其余为Fe及杂质元素。
4.权利要求1-4任一项所述的耐磨导向钢轨用钢材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、大方坯连铸、开坯、控制轧制和控制冷却。
5.如权利要求4所述的耐磨导向钢轨用钢材的制备方法，其特征在于：具体操作为：
铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫，控制进转炉前铁水中S含量≤0.01％。
转炉冶炼：炉渣碱度控制在2.0～4.0，终点采用高拉补吹工艺，严防钢水过氧化，出钢温度1655±15℃，随钢流加入脱氧合金和增碳剂。
大方坯连铸：大包至中包采用长水口、中间包至结晶器采用浸入式水口保护浇铸；拉速按0.50～0.80m/min控制，连铸成280mm×380mm大方坯；
开坯：开坯机经5道次轧制成200mm×200mm小方坯，开坯温度1220℃；
控制轧制：加热：1120～1250℃；加热时间160～240min；轧制：开轧温度1050～1150℃；终轧温度：820～910℃；
轧后冷却：喷风进行加速冷却，冷却时间60～120s，冷却速度按1～3℃/s控制。
6.如权利要求5所述的耐磨导向钢轨用钢材的制备方法，其特征在于：所制备的成品导向钢轨的抗拉强度≥1300MPa，脱碳层≤0.1mm。
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