CN111961981B - 一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢及其制备方法，弹簧钢的化学成分重量百分比为：C：0.56～0.64%，Mn：0.70～1.00%，Si：1.50～2.00%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr≤0.35%，Ni≤0.35%，Al：0.010～0.045%，其余为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷工序；LF精炼工序中，通过在钢水中添加铝块以控制铝重量百分比含量为0.010~0.045%；RH真空脱气工序中，在真空处理后通氮气并喂铝线以控制铝重量百分比含量为0.010~0.045%。本发明制备的60Si2Mn弹簧钢棒材表面无脱碳，且可消除金相组织中的网状铁素体，在振幅2mm的试验条件下疲劳寿命达到500万次以上，使制备的扣件具有良好的加工性能和使用性能。

Description

一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及弹簧钢棒材及其制备方法，尤其涉及一种转炉冶炼SiMn系列高疲劳性能弹簧钢弹条及其制备方法。
背景技术
为了满足铁路提速的要求，对扣件弹条的疲劳寿命提出了更高的要求，要求扣件弹条在振幅2mm的试验条件下疲劳寿命达到500万次以上。而圆钢表面脱碳严重、组织内部存在网状铁素体及组织粗大等问题，常常导致弹条在服役过程中提前失效。专利申请公布号为CN102719759A的专利公开了一种高速铁路扣件用钢及冶炼生产方法，具体介绍了一种CrMnV系列弹条的制备方法，通过夹杂物控制以及V微合金化达到提高弹条疲劳寿命的目的；专利申请公布号为CN103468852A的专利公开了一种铁路扣件专用60Si2Mn弹簧钢热轧盘条的生产工艺，通过夹杂物控制及表面脱碳控制，从而开发出满足要求的弹条产品，但盘条在分段之前需进行矫直操作，使盘条表面存在矫直应力，从而降低疲劳寿命；专利申请公布号为CN108823358A的专利公开了一种高硅低氧弹簧钢的炼制方法，通过控制夹杂物的尺寸和数量以满足弹条500万次疲劳寿命的要求，但整体工艺复杂，稳定性不高；专利申请公布号为CN109112246A的专利公开了一种直接冷弯成型的铁路弹条扣件用钢盘条的生产方法，通过连铸工艺调整及线材控轧控冷工艺调整，所生产的弹簧钢纯净度高、组织均匀性高，但钢材表面会存在的脱碳现象，导致疲劳寿命下降。目前还尚未有转炉工艺生产SiMn系列高疲劳性能弹条的制备方法，尤其是采用Al细化晶粒及控轧控冷抑制脱碳及网状铁素体生成的控制方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种表面无脱碳且内部无铁素体析出的铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢；本发明的第二目的在于提供上述铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法。
技术方案：本发明的一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢，其特征在于：所述弹簧钢的化学成分重量百分比为：C：0.56～0.64％，Mn：0.70～1.00％，Si：1.50～2.00％，P≤0.035％，S≤0.035％，Cr≤0.35％，Ni≤0.35％，Al：0.010～0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还保护一种铁路扣件用弹簧钢棒材60Si2Mn的制备方法，包括BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷工序；所述LF精炼工序中，通过在钢水中添加铝块以控制铝重量百分比含量为0.010～0.045％；所述RH真空脱气工序中，在真空处理后通氮气并喂铝线以控制铝重量百分比含量为0.010～0.045％。
进一步地，缓冷工序为轧后穿水，快速通过铁素体形成温度区间，控制上冷床温度为700～780℃；BOF冶炼工序中，C重量百分比含量为0.10％～0.20％，可使钢水中的[O]≤150ppm，提高钢水纯净度，P重量百分比含量≤0.012％，出钢温度为1600～1650℃；连铸工序采用全保护连铸，控制过热度为15～35℃，拉速为0.60～1.00m/min，连铸轻压下量5～12mm，该过热度和拉速匹配，可使连铸凝固终点落在轻压下装置作用区域，可改善钢材的偏析情况；铸坯缓冷工序中，将铸坯放入缓冷坑，入坑温度≥500℃，坑冷时间≥48h，出坑温度≤200℃，通过铸坯缓冷，可改善坯料的表面质量，避免产生坯料裂纹，从而最终提高弹簧的疲劳寿命；加热工序中，控制加热温度为950～1150℃，总加热时间≥240min，在该温度区间进行加热可避免高温加热使圆钢表面产生脱碳，并改善坯料的偏析情况；所述轧制工序中，控制终轧温度为900～1000℃，避免圆钢脱碳。本发明通过研究AlN第二相溶解、析出的机理，冶炼过程中添加合适的Al和N，轧制过程中控制加热温度及轧制温度以保证有充足的AlN第二相充分溶解、析出，能够满足弹簧圆钢奥氏体晶粒度≥7.0级。同时通过控冷工艺，抑制网状铁素体的析出，从而保证圆钢表面总脱碳为0mm，同时内部组织无网状铁素体生产。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：制备的弹簧钢棒材具有良好的内外部质量，圆钢表面无脱碳层，能够满足弹簧钢棒材总脱碳深度为0mm的要求，圆钢内部无网状铁素体，能够满足无网状铁素体组织生成的要求；在振幅2mm的试验条件下疲劳寿命达到500万次以上，满足铁路扣件弹条疲劳试验要求；制备的扣件具有良好的加工性能和使用性能，制备方法简单易行。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的弹簧钢棒材经4％硝酸酒精腐蚀后的脱碳照片；
图2为本发明实施例1中制备的弹簧钢棒材经4％硝酸酒精腐蚀后的组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
取规格
Figure BDA0002607123830000031
的扣件弹条用弹簧钢棒材，包括以下重量百分比的组分：C：0.64％、Mn：0.95％、Si：1.90％、P：0.010％、S：0.006％、Cr：0.20％、Ni：0.001％、Al：0.040％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法为：通过BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷工序制备得弹簧钢棒材。
其中，BOF冶炼工序：吹氧造渣，控制转炉终点C的质量百分比含量为0.20％，P重量百分比含量为0.007％，出钢温度1650℃，出钢过程进行脱氧及合金化操作。
LF精炼工序：通过添加铝块使钢水中的铝含量为0.045％，加入造渣材料进行预造渣，白渣保持时间40分钟，进行脱氧、脱硫。LF精炼过程中全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮，最后将钢水化学成分控制在目标范围内。
RH真空脱气：在RH工位保持氩气搅拌，真空度1mbar以下保持12分钟，破真空后按照目标成分要求微调成分，真空处理后可吹氮气，并喂Al线保证Al含量控制在0.045％，吊包前氩气软吹时间10min，使夹杂物进一步碰撞、上浮。
连铸工序：采用大断面连铸机进行全保护连铸，过热度15～35℃，目标值20～30℃，连铸拉速1.00m/min，连铸过程中使用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下等设备，保证连铸坯成分的均匀性，连铸轻压下量12mm。
铸坯缓冷工序：将铸坯入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度500℃，坑冷时间48h，出坑温度200℃。
加热工序：控制加热温度1150℃，总加热时间240min。
除磷工序：采用高压水除鳞，压力13MPa。
轧制工序：终轧温度1000℃。
缓冷工序：轧后穿水，快速通过铁素体形成温度区间，控制上冷床温度780℃。
将上述工序制备的弹簧钢棒材经4％硝酸酒精腐蚀，参见图1，图中在边部无脱碳的现象，说明了冶炼过程中有充足的AlN第二相溶解析出，保证钢材表面无脱碳层；参见图2，图中表面平整，说明组织内部无网状铁素体析出。
实施例2
取规格
Figure BDA0002607123830000032
的齿轮钢用棒材，包括以下重量百分比的组分：C：0.60％、Mn：0.85％、Si：1.80％、P：0.010％、S：0.005％、Cr：0.35％、Ni：0.002％、Al：0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法为：通过BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷等工序制备得弹簧钢棒材。
其中，BOF冶炼工序：吹氧造渣，控制转炉终点C的质量百分比含量为0.14％，P重量百分比含量为0.012％，出钢温度1623℃，出钢过程进行脱氧及合金化操作。
LF精炼工序：通过添加铝块使钢水中的铝含量为0.025％，加入造渣材料进行预造渣，白渣保持时间40分钟，进行脱氧、脱硫。LF精炼过程中全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮，最后将钢水化学成分控制在目标范围内。
RH真空脱气工序：在RH工位保持氩气搅拌，真空度1mbar以下保持12分钟，破真空后按照目标成分要求微调成分，真空处理后可吹氮气，并喂Al线保证Al含量控制在0.025％，吊包前氩气软吹时间15min，使夹杂物进一步碰撞、上浮。
连铸工序：采用大断面连铸机进行全保护连铸，过热度15～35℃，目标值20～30℃，连铸拉速0.80m/min，连铸过程中使用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下等设备，保证连铸坯成分的均匀性，连铸轻压下量8mm。
铸坯缓冷工序：将铸坯入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度550℃，坑冷时间50h，出坑温度150℃。
加热工序：加热温度1050℃，总加热时间280min。
除磷工序：采用高压水除鳞，压力14MPa。
轧制工序：终轧温度为950℃。
缓冷工序：轧后穿水，快速通过铁素体形成温度区间，控制上冷床温度730℃。
实施例3
取规格
Figure BDA0002607123830000041
的齿轮钢用棒材，包括以下重量百分比的组分：C：0.56％、Mn：0.70％、Si：1.50％、P：0.010％、S：0.005％、Cr：0.30％、Ni：0.002％、Al：0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法为：通过BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷等工序制备得弹簧钢棒材。
其中，BOF冶炼工序：吹氧造渣，控制转炉终点C的质量百分比含量为0.10％，P重量百分比含量为0.009％，出钢温度1600℃，出钢过程进行脱氧及合金化操作。
LF精炼工序：通过添加铝块使钢水中的铝含量为0.010％，加入造渣材料进行预造渣，白渣保持时间40分钟，进行脱氧、脱硫。LF精炼过程中全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮，最后将钢水化学成分控制在目标范围内。
RH真空脱气工序：在RH工位保持氩气搅拌，真空度1mbar以下保持12分钟，破真空后按照目标成分要求微调成分，真空处理后可吹氮气，并喂Al线保证Al含量控制在0.010％，吊包前氩气软吹时间15min，使夹杂物进一步碰撞、上浮。
连铸工序：采用大断面连铸机进行全保护连铸，过热度15～35℃，目标值20～30℃，连铸拉速0.60m/min，连铸过程中使用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、轻压下等设备，保证连铸坯成分的均匀性，连铸轻压下量5mm。
铸坯缓冷工序：将铸坯入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度570℃，坑冷时间50h，出坑温度150℃。
加热工序：加热温度950℃，总加热时间300min。
除磷工序：采用高压水除鳞，压力14MPa。
轧制工序：终轧温度900℃。
缓冷工序：轧后穿水，快速通过铁素体形成温度区间，上冷床温度700℃。
将实施例1-3所制得的弹簧钢进行性能及疲劳寿命检测，根据GB/T 224检测其脱碳层深度，根据GB/T 13299检测其金相组织，根据TB/T 3396.4进行疲劳寿命检测，具体的检测结果见表1。
表1实施例1-3弹簧钢脱碳、组织及疲劳寿命
脱碳层深度 网状铁素体 疲劳寿命
实施例1 0mm 无 500万次以上
实施例2 0mm 无 500万次以上
实施例3 0mm 无 500万次以上
从表1可以看出，本发明制备的铁路扣件用弹簧钢具有良好的内外部质量，圆钢表面无脱碳层，圆钢内部无网状铁素体，从而能够满足铁路扣件弹条疲劳试验要求：即在振幅2mm的试验条件下疲劳寿命达到500万次以上。

Claims (5)

1.一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法，其特征在于：包括BOF冶炼、LF精炼、RH真空脱气、连铸、铸坯缓冷、加热、除磷、轧制、缓冷工序；所述LF精炼工序中，通过在钢水中添加铝以控制铝重量百分比含量为0.010~0.045%；所述RH真空脱气工序中，在真空处理后通氮气并喂铝线以控制铝重量百分比含量为0.010~0.045%；弹簧钢的化学成分重量百分比为：C：0.56～0.64%，Mn：0.70～1.00%，Si：1.50～2.00%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr≤0.35%，Ni≤0.35%，Al：0.010～0.045%，其余为Fe和不可避免的杂质；所述的缓冷工序为进行轧后穿水，快速通过铁素体形成温度区间，控制上冷床温度为700～780℃；所述轧制工序中，控制终轧温度为900～1000℃。
2.根据权利要求1所述的一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法，其特征在于：所述BOF冶炼工序中，C重量百分比含量为0.10%～0.20%，P重量百分比含量≤0.012%，出钢温度为1600～1650℃。
3.根据权利要求1所述的一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法，其特征在于：所述连铸工序采用全保护连铸，控制过热度为15～35℃，拉速为0.60～1.00m/min，连铸轻压下量5～12mm。
4.根据权利要求1所述的一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法，其特征在于：所述铸坯缓冷工序中，将铸坯放入缓冷坑，入坑温度为500~600℃，坑冷时间48~50 h，出坑温度≤200℃。
5.根据权利要求1所述的一种铁路扣件用60Si2Mn弹簧钢的制备方法，其特征在于：所述加热工序中，控制加热温度为950～1150℃，总加热时间240~300 min。
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