CN114107824B

CN114107824B - 一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢及其生产方法和热处理方法

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Publication number: CN114107824B
Application number: CN202111445610.9A
Authority: CN
Inventors: 龚梦强; 汪开忠; 胡芳忠; 尹德福; 张晓瑞; 丁雷; 姜婷; 孙凯
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114107824A

Abstract

本发明提供了一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢及其生产方法和热处理方法，成分为：C 0.35‑0.42％、Si 1.50‑1.80％、Mn 0.50‑0.80％、Cr 0.50‑0.80％、Ni 0.10‑0.20％、Cu 0.20‑0.30％、V≤0.040％、Al≤0.025％、Mo≤0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ti≤0.005％、O≤0.0012％、N 0.003％‑0.007％、H≤0.00010％，其余为Fe及不可避免的杂质。耐大气腐蚀性指数I≥7.0。本发明提供弹簧钢具有良好的高强韧性、耐低温冲击性能及耐腐蚀性能，满足极端环境下铁路扣件用弹簧的使用要求。

Description

一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢及其生产方法和热处理方法

技术领域

本发明属于弹簧钢及其生产工艺技术领域，尤其涉及一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢及其生产方法和热处理方法。

背景技术

随着高速铁路速度的提高，钢轨弹性扣件用弹簧钢高强度、耐腐蚀等性能的要求也逐步提高，另外，随着沿海高铁以及高原铁路的建设，铁路扣件弹簧暴露出严重的腐蚀问题。在高寒大温差、强紫外线辐射、长隧道内潮湿高温、超长大坡道、河谷10-12级飓风等环境下，飞石等使得表层防护破裂，融雪剂中的氯离子腐蚀生产腐蚀坑，腐蚀坑底部应力集中而产生疲劳裂纹，疲劳裂纹缓慢扩展，同时腐蚀产生的氢引起氢脆。

现有技术中，2014年3月26日公开的公开号为CN102719759A的《高速铁路扣件用弹条用钢及其冶炼生产方法》专利，在55SiCr的基础上通过降C、提Si和V，另外还加入了Ti和稀土REM元素，生产控制难度大且生产成本高，另外，未公开耐腐蚀性相关性能要求。

2014年3月26日公开的公开号为CN106947921A《一种高速铁路弹条用耐腐蚀弹簧钢及其生产方法》的专利，提出了P、Cu含量较高，通过合理调节元素比例，生产控制难度大，易引起钢的脆性，另外，合金元素及贵金属元素含量较高，生产成本较高。

因此，为满足高速铁路的发展需求，开发一种低成本耐低温耐腐蚀长寿命扣件用钢显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢及其生产方法，生产的弹簧钢具有低成本、高强度、高塑韧性、高疲劳寿命、耐腐蚀和耐低温特点。

本发明还有一个目的在于提供一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的热处理方法，结合本发明设计的弹簧钢的成分特点开发了铁路扣件用耐腐蚀弹簧钢淬火+中温回火的热处理工艺，热处理后的产品具有良好的高强韧性、耐低温冲击性能及耐腐蚀性能，满足极端环境下铁路扣件用弹簧的使用要求。

本发明具体技术方案如下：

一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢，包括以下质量百分比成分:

C 0.35-0.42％、Si 1.50-1.80％、Mn 0.50-0.80％、Cr 0.50-0.80％、Ni 0.10-0.20％、Cu 0.20-0.30％、V≤0.040％、Al≤0.025％、Mo≤0.06％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ti≤0.005％、O≤0.0012％、N 0.003％-0.007％、H≤0.00010％，其余为Fe及不可避免的杂质。

并且所述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的成分满足以下条件：

耐大气腐蚀性指数I＝26.01×(％Cu)+3.88×(％Ni)+1.20×(％Cr)+1.49×(％Si)+17.28×(％P)-7.29×(％Cu)×(％Ni)-9.10×(％Ni)×(％P)-33.39×(％Cu)²。≥7.0。

本发明的通过降低C含量，在满足弹簧钢强度的同时，碳可以提高材料基体的强度和硬度，过高的碳会降低耐腐蚀性能，而且会降低屈强比，降低弹簧钢的冲击韧性，降低疲劳性能，硅在钢中主要是通过强化铁素体起到固溶强化作用，硅可以提高锈层的稳定性，提高耐蚀性能，可以提高抗回火脆性温度和抗回火软化性，是对抗弹性减退性能影响最大的合金元素。但Si过高使碳的活性增加而促进钢的脱碳和石墨化，存在第二类回火脆性，影响钢的抗疲劳性能。Mn可以显著提高钢的淬透性，和S形成MnS，降低S的热脆性。Mn有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，但过度的Mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，提高腐蚀率但Mn会促进脱碳和晶粒粗化，并且回火脆性倾向明显。Cr与C形成M₇C₃碳化物，阻止C或杂质的偏聚，减轻脱碳，提高基体的稳定性能，提高渗氮性和细化晶粒，增加钢的抗腐蚀能力。铬能显著增加钢的淬透性和抗弹减性能，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。Ni对提高钢的冲击韧性和抗腐蚀能力及腐蚀疲劳非常有益，能稳定奥氏体，增强钢的淬透性，同时可以与Cu结合，在一定程度上消除或减缓钢的Cu脆。Ni生成非晶态锈层，减少腐蚀坑的尺寸。但钢中过量的Ni加入，钢在高温环境时的热脆性倾向增加。Cu能提高钢的耐蚀性能。钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢的阳极化，并形成保护性较好的锈层。但Cu低熔点元素，在冶炼与轧制工艺控制要求非常严格，控制不好容易产生材料表面缺陷，从而影响疲劳性能。V属于强碳化物元素，弥散分布的VC能有效地细化晶粒，提高材料的冲击韧性和抗延迟断裂性能，可提高抗氢腐蚀能力。Mo属于碳化物元素，有细化晶粒的作用，提高钢的淬透性和回火稳定性，抑制第二类回火脆性，延缓疲劳裂纹内部萌生时间，提高疲劳性能，但是Mo含量过多会增大晶间腐蚀倾向。S为钢中主要有害元素，除易产生热脆外，含硫夹杂物在轧钢过程中易沿轧制方向分布，形成带状组织，对弹簧疲劳和耐蚀性均有不利影响。P为钢中主要有害元素，除易产生冷脆外，容易偏聚在晶界，使材料的塑性、韧性下降。Al和Ti容易形成不可变形的夹杂物，易导致弹簧疲劳失效。氧在钢中形成脆性氧化物夹杂物，均危害弹簧钢的疲劳性能，氮在钢的凝固过程中形成吸附层阻碍了固液相间的原子扩散，提高了形核过冷度和形核自由能差，提高了均质形核率，降低晶体长大速度，细化晶粒；同时在钢的热处理过程中，晶界处固溶的氮原子与铁、锰等原子形成共价键，牵制铁、锰原子的扩散，阻碍晶界移动，从而阻止晶粒长大，提高钢的强韧性能。钢中氮的存在抑制了碳化物的析出，从而提高了抗点腐蚀与晶间腐蚀性能。但过高的N在钢中析出Fe₄N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，氢是钢中最有害的元素，氢在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使弹簧钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，导致弹簧钢的氢脆。

本发明设计的钢成分，改善C含量过高对耐腐蚀性的不利影响。Si过高使碳的活性增加而促进钢的脱碳和石墨化而影响钢的抗疲劳性能，Mn可以提高钢的淬透性和低温冲击韧性，Cu和Ni通过锈层中非晶体物质量增加而减小腐蚀坑深宽比，Cr可以降低腐蚀坑底的pH值，过多添加增加腐蚀坑深度及深宽比，P、S、O、N的低含量也进一步保证了耐腐蚀性和低温冲击韧性；为保证耐蚀性能，满足耐大气腐蚀性指数≥7.0。另外，本发明也结合其成分特点开发了铁路扣件用耐腐蚀弹簧钢淬火+中温回火的热处理工艺。

本发明提供的一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的生产方法，生产流程为：电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→初轧开坯→连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线加热炉方坯加热→控制轧制→减定径机→吐丝机→斯太尔摩冷却线→盘条成品→包装入库。

所述高线加热炉方坯加热具体为：

通过上述冶炼步骤可获得合格的轧制原料钢坯。考虑到该钢Si含量较高，脱碳敏感性强，同时兼顾轧制工艺和合金碳化物形成元素固溶于奥氏体中的需要，轧制时方坯加热温度按≤1050℃控制，且加热阶段28-38℃/min快速通过800-900℃的低温全脱碳敏感区。

高线加热炉方坯加热过程中，控制加热温度为970-1050℃，优选1000-1040℃，方坯在炉时间≤110min，优选90-105min。

所述控制轧制具体为：盘条轧制采用20-40m/s高速、无扭和小张力轧制，通过20-40m/s轧制速度可以达到控制小张力；由于该钢合金元素含量高，轧制过程中易出现贝氏体、马氏体组织，当线材在粗、中轧经过常规轧制后，轧件冷却到双相区温度进行精轧，获得细小的铁素体晶粒和具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒，提升钢的强韧性。

所述控制轧制，控制开轧温度880-950℃，优选900-920℃；终轧温度760-820℃，优选780-800℃；

所述吐丝机处理具体为：吐丝温度780-850℃，优选800-820℃。

所述斯太尔摩冷却线，采用0.2-2℃/s缓冷工艺，通过控制辊道速度、风机风量和保温罩开闭数量控制冷却速度缓慢冷却，防止贝氏体的产生，可以得到铁素体+珠光体组织，晶粒度大于8级，见图1-图2。

本发明提供的一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的热处理方法，先淬火，再回火处理。

所述淬火具体为：880-900℃处理30-60min，以≥200℃/s冷却速度水冷至室温；

所述回火处理具体为：380-400℃处理90-120min，空冷。

所述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢热处理后显微组织回火屈氏体,见图5、图6，淬火过程中由于合金中合金元素较多，合金碳化物的固溶温度也高，为了获得均匀的奥氏体，使合金元素充分固溶，淬火温度高有利于提高弹簧钢的强度，回火过程中析出的碳化物与基体脱离了共格关系，应力场消失，由淬火引起的微观内应力也在回火中大幅度下降，钢中具有较高的非碳化物形成元素Si含量和碳化物形成元素Mn、Cr等含量，使得屈氏体分解减缓，提高碳化物显著长大温度。

所述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢热处理后力学性能：抗拉强度≥1600MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥35％；干燥疲劳强度≥650MPa，腐蚀疲劳强度≥450MPa；-40℃冲击功≥10J(U型缺口深度5mm)。

本发明提供的铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢具有良好的高强韧性、耐低温冲击性能及耐腐蚀性能，满足极端环境下铁路扣件用弹簧的使用要求。

附图说明

图1为实施例1热轧态组织(×100)；

图2为实施例3热轧态组织(×500)；

图3为对比例1热轧态组织(×500)；

图4为实施例2热轧态组织(×100)；

图5为实施例1热处理态组织(×100)；

图6为实施例3热处理态组织(×500)；

图7为对比例1热处理态组织(×500)；

图8为对比例2热处理态组织(×100)。

具体实施方式

实施例1-实施例5

一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢，包括以下质量百分比成分:如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

对比例1-对比例2

表1本发明各实施例和对比例化学成分及耐蚀指数(wt％)

注：耐蚀性指数I＝26.01×(％Cu)+3.88×(％Ni)+1.20×(％Cr)+1.49×(％Si)+17.28×(％P)-7.29×(％Cu)×(％Ni)-9.10×(％Ni)×(％P)-33.39×(％Cu)²。

本发明采用特定成分的热轧盘条，各实施例和对比例成分见表1，生产工艺如下：电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→初轧开坯→连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线加热炉方坯加热→控制轧制→减定径机→吐丝机→斯太尔摩冷却线→盘条成品→包装入库。

具体工艺如下：

电炉冶炼：出钢进行脱氧合金化，严格控制出钢过程下渣；

LF炉精炼：C、Si、Cr、Mn、Ni、Cu等元素调至目标值；

RH炉真空脱气：纯脱气时间≥20分钟，保证真空处理后H≤0.00010％；

大圆坯连铸：中间包钢水目标温度稳定控制在液相线温度以上10～30℃，连铸Φ380mm圆坯；

线材轧制路线：Φ380mm圆坯→初轧开坯→连轧→轧制为150mm×150mm方坯→探伤、修磨→高线加热炉方坯加热，加热温度为970-1050℃，优选1000-1040℃，方坯在炉时间≤110min，优选90-105min，且加热阶段28-38℃/min快速通过800-900℃的低温全脱碳敏感区→控制轧制→减定径机→吐丝机→斯太尔摩冷却线控冷→Φ14-18mm线材盘条成品→包装入库。其中控制轧制时，20-40m/s高速、无扭和小张力轧制，开轧温度880-950℃，优选900-920℃；终轧温度760-820℃，优选780-800℃；吐丝温度780-850℃，优选800-820℃，采用0.2-2℃/s缓冷工艺。

实施例1-实施例5及对比例1-对比例2所述的铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢按照上述方法生产，涉及的具体工艺参数如表2；

表2本发明各实施例和对比例具体工艺参数

上述各实施例和对比例1生产的产品进行拉伸、冲击试验、疲劳试验和耐腐蚀试验。

实施例1-2和对比例1采用拉伸、冲击试验先将盘条经过淬火：880～900℃，保温30min，以≥200℃/s冷却速度水冷至室温；回火：380～400℃，保温90min，空冷；热处理工艺后，加工成Φ10mm的标准拉伸试样和10×10×55mm的冲击试样。热处理后力学性能见表2，各实施例的强度均达到1600MPa以上，伸长率均达到10％以上，面缩率均达到35％以上；-40℃冲击功均达到10J以上，呈现出优良的耐低温冲击性能和强韧性。

实施例3-5和对比例2采用拉伸、冲击试验先将盘条经过淬火：880～900℃，保温60min，以≥200℃/s冷却速度水冷至室温；回火：380～400℃，保温120min，空冷；热处理工艺后，加工成Φ10mm的标准拉伸试样和10×10×55mm的冲击试样。热处理后力学性能见表2，各实施例的强度均达到1600MPa以上，伸长率均达到10％以上，面缩率均达到35％以上；-40℃冲击功均达到10J以上，呈现出优良的耐低温冲击性能和强韧性。

疲劳试验：按照GB/T 4337-2015《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》标准进行旋转弯曲疲劳试验。将经过粗加工和热处理的材料加工成旋转弯曲疲劳试样，在PQ1-6疲劳试验机上进行22根基数试验，采用轴向应变控制，应变循环比R为-1，频率83Hz，室温20℃，疲劳试验加载波形为正玄波，试验结束判据为10⁷次或试样失效。实施例均具有干燥疲劳强度650MPa以上和腐蚀疲劳强度450MPa以上的优良的疲劳特性。

耐腐蚀试验：为了更能准确的反映实际作业环境的腐蚀疲劳试验过程，本发明根据实际腐蚀环境设计了铁路扣件用耐腐蚀弹簧钢腐蚀试验和评价方法，具体方法为：将经过粗加工和热处理的材料加工成φ7.5mm规格，长度为50mm的圆棒，选取5％NaCl含量、35℃温度和99％湿度条件下进行盐水喷雾处理1h，然后在60℃温度和70％湿度条件下进行干燥处理2h，最后35℃温度和95％湿度条件下进行湿润处理1h，以上过程为一个腐蚀周期。腐蚀试验时，需反复进行腐蚀试验60个周期，总共240h。实施例与对比例相比，试验的腐蚀率低于0.8g/(m².h)，腐蚀坑深度不大于30μm。

表2本发明各实施例和对比例热处理后力学性能、耐低温冲击及耐蚀性能

Claims

1.一种铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的生产方法，其特征在于，生产流程为：电炉冶炼→LF+RH真空精炼→大圆坯连铸→初轧开坯→连轧→轧制方坯→探伤、修磨→高线加热炉方坯加热→控制轧制→减定径机→吐丝机→斯太尔摩冷却线→盘条成品→包装入库；

所述高线加热炉方坯加热具体为，加热温度按≤1050℃控制，加热阶段28-38℃/min快速通过800-900℃的低温全脱碳敏感区；

所述控制轧制，轧制速度 20-40m/s，开轧温度880-950℃，终轧温度760-820℃；

所述斯太尔摩冷却线，采用0.2-2℃/s缓冷工艺；

所述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢包括以下质量百分比成分:

C 0.35-0.42%、Si 1.50-1.80%、Mn 0.50-0.80%、Cr 0.50-0.80%、Ni 0.10-0.20%、Cu0.20-0.30%、V≤0.040%、Al≤0.025%、Mo≤0.06%、P≤0.015%、S≤0.015%、Ti≤0.005%、O≤0.0012%、N 0.003%-0.007%、H≤0.00010%，其余为Fe及不可避免的杂质；

所述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢热处理后力学性能：抗拉强度≥1600MPa，断后伸长率≥10%，断面收缩率≥35%；干燥疲劳强度≥650MPa，腐蚀疲劳强度≥450MPa；-40℃冲击功≥10J。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，述铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的成分满足以下条件：

耐大气腐蚀性指数I≥7.0。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述高线加热炉方坯加热，控制加热温度为970-1050℃，方坯在炉时间≤110min。

4.一种权利要求1或2所述生产方法生产的铁路扣件用耐腐蚀耐低温弹簧钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法为：先淬火，再回火处理。

5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，所述淬火具体为：880-900℃处理30-60min，以≥200℃/s冷却速度水冷至室温。

6.根据权利要求4或5所述的热处理方法，其特征在于，所述回火处理具体为：380-400℃处理90-120 min，空冷。