CN114317918B - 一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于强韧性钢轨技术领域，本发明提供了一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢及其制备方法，制备方法包含如下步骤：对特定成分含量的钢轨进行奥氏体化，得到奥氏体化钢轨；对奥氏体化钢轨顺次进行第一道次轧制和第二道次轧制，得到轧制钢轨；对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢。本发明的方法通过控制钢轨淬火过程中相变前阶段和相变阶段的冷却速率，一方面避免上贝氏体和粒状贝氏体组织的形成，另一方面控制贝马复相重轨钢中贝氏体、马氏体和残余奥氏体的含量，从而提高贝马复相重轨钢的强韧性、抗接触疲劳性等力学性能，延长其使用寿命。

Description

一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及强韧性钢轨技术领域,尤其涉及一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢及其制备方法。

背景技术

随着高速重载铁路的不断发展，目前的珠光体钢轨强韧性能研究已接近极限，由贝马复相组织构成的贝氏体钢轨由于其较好的强韧性配合受到研究人员的青睐，近年来对于贝马复相钢轨的研究越来越多。对贝氏体钢轨的研究中发现：下贝氏体/马氏体复相组织可以改善钢的强韧性，而上贝氏体/马氏体混合组织恶化钢的强韧性。在强度方面，目前钢轨提高强韧性的方法一般有两种，一种是添加能够提高淬透性的合金元素以及促进贝氏体相变的元素，另一种就是对钢轨的热处理工艺进行优化。但在实际生产中由于许多合金元素比较昂贵，且有较多淬透性元素更容易转变成马氏体，使钢轨韧性下降。为了避免合金元素的影响，采用热处理工艺优化从而提高贝马复相钢轨的强韧性尤为重要，热处理工艺优化的关键点在于如何控制贝氏体相变从而得到强韧性能高的钢轨(包括转变后的贝马复相钢的组织形态、贝马复相钢中各相的含量、残余奥氏体含量、马氏体-残余奥氏体岛的大小等)，同时还要避免组织不均匀性、组织氢脆现象等缺陷，因此，控制连续冷却的冷速有着重要的意义。

目前对于贝马复相的热处理工艺的淬火过程大多采用连续冷却的方式。专利申请号为201610737596.2的《耐延迟断裂性能优异的含硼贝氏体钢轨及其生产方法》中包括冶炼-连铸-铸坯加热-热轧-热处理，所述热处理为钢轨热轧以后空冷至700±60℃或600±60℃，之后以0.5～4℃的冷速冷却到300±40℃，随后空冷至室温。钢轨中加入了硼元素，虽然能提高钢的淬透性，但含有硼元素的钢在冶炼过程中难度较大，且得到的组织易处于不均匀状态，此外硼元素容易造成硼脆。专利申请号为201710464162.4的《一种贝氏体钢轨的生产方法》公开了一种利用合金元素Si阻止贝氏体相变过程中碳化物的析出，Mn推迟过冷奥氏体的高温转变以及微量硼元素提高钢的淬透性，促使珠光体和贝氏体转变曲线分离开发出的贝氏体钢轨。生产的贝氏体钢轨抗拉强度在1400MPa左右，表面无脱碳组织，残余奥氏体含量低，贵重金属含量低，有效节约生产成本。缺点是轧后热处理工艺采用快速通过轨道上冷床后空冷，未针对贝氏体转变过程的冷速进行有效控制，易造成贝氏体板条大小不均匀，且贝氏体组织强化方式较为单一，只能通过提高淬透性元素来提升强度，强韧性能提升有限。专利申请号为202110517476.2的《一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺》公开了一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，通过控制钢轨在不同温度阶段的冷却速度，避免产生上贝氏体、粒状贝氏体这些性能较差的组织，进而形成下贝氏体与低碳马氏体复相组织来提高钢轨强韧性，包钢生产的贝马复相钢轨采用较为节能的余热淬火工艺，在此工艺下有利于节能减排。缺点是控制冷却中未对贝氏体开始转变温度以及贝氏体转变时间进行控制从而对贝马复相钢轨中贝氏体、马氏体以及残余奥氏体含量无法进行精准控量，难以得到最佳强韧性配合的贝马复相重轨钢。

因此，研究一种提高强度和韧性，能够精准控制贝氏体、马氏体和残余奥氏体含量的贝马复相重轨钢，具有重要的价值和意义。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢的制备方法，包含如下步骤：

1)对钢轨进行奥氏体化，得到奥氏体化钢轨；

2)对奥氏体化钢轨顺次进行第一道次轧制和第二道次轧制，得到轧制钢轨；

3)对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；

4)对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；

步骤1)所述钢轨包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15～0.25％，Si0.7～1.5％，Mn 1.6～2.6％，Cr、Ni和Mo的总量为1.37～2.9％，杂质≤0.03％，余量为Fe。

作为优选，步骤1)所述奥氏体化的温度为1200～1300℃，时间为250～350s；升温至奥氏体化温度的升温速率为8～12℃/s。

作为优选，步骤2)所述第一道次轧制的温度为1020～1080℃，变形量为45～55％，变形速率为0.5～1.5/s。

作为优选，步骤2)所述第二道次轧制的温度为920～980℃，变形量为25～35％，变形速率为8～12/s。

作为优选，钢轨由奥氏体化温度降至第一道次轧制温度的冷却速率为3～8℃/s；由第一道次轧制温度降至第二道次轧制温度的冷却速率为3～8℃/s。

作为优选，步骤3)中，相变前钢轨的温度为440～460℃，所述冷却为第二道次轧制温度降至相变前温度，冷却速率为0.5～3℃/s。

作为优选，步骤4)中，所述冷却包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却；相变后温度为190～210℃，相变前温度降至相变后温度的冷却速率为0.1～1℃/s；相变后温度降至室温的冷却方式为空冷。

本发明还提供了一种所述的制备方法得到的高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢。

本发明的有益效果包括：

1)本发明的方法通过控制钢轨淬火过程中相变前阶段和相变阶段的冷却速率，一方面避免上贝氏体和粒状贝氏体组织的形成，另一方面控制贝马复相重轨钢中贝氏体、马氏体和残余奥氏体的定量化比例，得到一种下贝氏体-马氏体复合相组织，从而提高贝马复相重轨钢的强韧性、抗接触疲劳性等力学性能，延长其使用寿命。

2)本发明的贝马复相重轨钢更能满足高速重载铁路的要求，为铁路运输和经济发展带来便利。

附图说明

图1为实施例3的贝马复相重轨钢组织结构的SEM图；

图2为实施例3的贝马复相重轨钢的应力应变图；

图3为实施例3的贝马复相重轨钢的DEFORM软件模拟测定结果图和实物图，其中，上图为模拟结果图，下图为实物图；

图4为实施例3的贝马复相重轨钢的彩色金相实测结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢的制备方法，包含如下步骤：

1)对钢轨进行奥氏体化，得到奥氏体化钢轨；

2)对奥氏体化钢轨顺次进行第一道次轧制和第二道次轧制，得到轧制钢轨；

3)对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；

4)对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；

步骤1)所述钢轨包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15～0.25％，Si0.7～1.5％，Mn 1.6～2.6％，Cr、Ni和Mo的总量为1.37～2.9％，杂质≤0.03％，余量为Fe。

本发明的钢轨中，C的质量百分数为0.15～0.25％，优选为0.17～0.23％，进一步优选为0.19～0.21％，更优选为0.2％。

本发明的钢轨中，Si的质量百分数为0.7～1.5％，优选为0.9～1.3％，进一步优选为1～1.2％，更优选为1.1％。

本发明的钢轨中，Mn的质量百分数为1.6～2.6％，优选为1.8～2.4％，进一步优选为1.9～2.2％，更优选为2～2.1％。

本发明的钢轨中，Cr、Ni和Mo的总量质量百分数为1.37～2.9％，优选为1.6～2.7％，进一步优选为1.9～2.5％，更优选为2.1～2.2％。

本发明的钢轨中，杂质的质量百分数≤0.03％，优选≤0.02％。

本发明步骤1)所述奥氏体化的温度优选为1200～1300℃，进一步优选为1230～1270℃，进一步优选为1250℃；所述奥氏体化的时间优选为250～350s，进一步优选为270～320s，更优选为290～300s；升温至奥氏体化温度的升温速率优选为8～12℃/s，进一步优选为9～11℃/s，更优选为10℃/s。

本发明的钢轨优选来自钢轨踏面，所述钢轨的试样尺寸优选为(10～15)mm×(10～15)mm×(70～90)mm，进一步优选为(12～14)mm×(12～14)mm×(75～85)mm，更优选为13mm×13mm×80mm。

本发明所述奥氏体化时间能够使钢轨充分奥氏体化；实际生产中，奥氏体化时间根据试样尺寸进行适当调整。

本发明步骤2)所述第一道次轧制的温度优选为1020～1080℃，进一步优选为1040～1060℃，更优选为1050℃；第一道次轧制的变形量优选为45～55％，进一步优选为47～52％，更优选为49～50％；第一道次轧制的变形速率优选为0.5～1.5/s，进一步优选为0.7～1.3/s，更优选为0.9～1/s。

本发明的钢轨由奥氏体化温度降至第一道次轧制温度的冷却速率优选为3～8℃/s，进一步优选为4～7℃/s，更优选为5～6℃/s。

本发明步骤2)所述第二道次轧制的温度优选为920～980℃，进一步优选为940～960℃，更优选为945～955℃；第二道次轧制的变形量优选为25～35％，进一步优选为27～32％，更优选为29～30％；第二道次轧制的变形速率优选为8～12/s，进一步优选为9～11/s，更优选为10/s。

本发明选用压下量大、变形速率快的变形方式，一方面避免奥氏体晶粒过大，另一方面大的压下量会产生大量位错，二者均能提高钢轨的力学性能。

本发明的钢轨由第一道次轧制温度降至第二道次轧制温度的冷却速率优选为3～8℃/s，进一步优选为4～7℃/s，更优选为5～6℃/s。

本发明的方法主要针对贝马复相重轨钢热处理工艺的淬火过程采用分段冷却控制，分段冷却包含相变前阶段的冷却、相变阶段的冷却和相变后阶段的冷却。

本发明步骤3)中，相变前钢轨的温度优选为440～460℃，进一步优选为445～455℃，更优选为450℃。

本发明的相变前阶段的冷却为第二道次轧制温度降至相变前温度的冷却；相变前阶段的冷却速率优选为0.5～3℃/s，进一步优选为1～2.5℃/s，更优选为1.5～2℃/s。

本发明的相变前阶段的冷却用来抑制铁素体的形成和析出，避免氢脆现象，通过控制相变前阶段的冷却速率一方面避免上贝氏体和粒状贝氏体的形成，另一方面由于相变过程中马氏体生长速率远远高于贝氏体生长速率，通过控制相变前阶段的冷却速率能够防止奥氏体向马氏体组织转变，用以改变贝氏体开始转变的时间，改善贝马复相钢组织的构成，从而得到较好的板条状贝氏体组织。本发明相变前阶段的冷却速率能够降低钢轨脆性，防止贝氏体相变时间过短使组织直接转变为马氏体。

本发明步骤4)中，所述冷却优选包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却。

本发明步骤4)中，相变后温度优选为190～210℃，进一步优选为195～205℃，更优选为200℃。

本发明的相变阶段的冷却为相变前温度降至相变后温度的冷却；相变前温度降至相变后温度的冷却速率优选为0.1～1℃/s，进一步优选为0.2～0.8℃/s，更优选为0.4～0.6℃/s。

本发明的钢轨相变温度优选为300～450℃，进一步优选为320～430℃；贝氏体转变温度优选为350～450℃，进一步优选为370～420℃；马氏体相变点优选为330～350℃，进一步优选为335～345℃。

本发明相变阶段的冷却速率能够合理控制贝氏体转变时间，一方面影响贝氏体板条形核长大过程从而得到较好的贝氏体板条，另一方面控制贝氏体转变的时间和贝氏体转变的含量，提升贝氏体含量，有利于钢轨韧性的提高。相变阶段的冷却速率过快，贝氏体转变时间短，贝氏体转变量少，从而使马氏体和残余奥氏体过多，易使脆性增大；冷却速率过慢，贝氏体转变时间过长，则贝氏体板条过于粗大，对强度不利，且易先形成粒状贝氏体。

本发明相变阶段的冷却速率能够避免产生上贝氏体和粒状贝氏体等有害组织，有利于精准控制贝马复相重轨钢中贝氏体、马氏体和残余奥氏体的含量，从而得到一种高强度、高韧性的板条状下贝氏体和板条状马氏体相配合的贝马复相重轨钢。

本发明所述相变后阶段的冷却为相变后温度降至室温的冷却；相变后温度降至室温的冷却方式优选为空冷；所述室温优选为15～35℃，进一步优选为20～30℃，更优选为23～27℃。

本发明还提供了一种所述的制备方法得到的高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

从钢轨踏面位置取尺寸为13mm×13mm×80mm的试样，试样钢轨中元素质量百分数为C 0.2％、Si 1.1％、Mn 2％、Cr、Ni和Mo的总量为2.2％、杂质为0.02％、余量为Fe。

将钢轨以10℃/s的升温速率升温至1250℃进行奥氏体化，奥氏体化时间为300s，使钢轨完全奥氏体化。对奥氏体化钢轨以5℃/s的冷却速率由1250℃降温至1050℃，以1/s的变形速率对钢轨进行第一道次轧制，第一道次轧制的变形量为50％。然后以5℃/s的冷却速率将钢轨由1050℃降温至950℃，以10/s的变形速率对钢轨进行第二道次轧制，第二道次轧制的变形量为30％，得到轧制钢轨。

对轧制钢轨以0.8℃/s的冷却速率由950℃降温至450℃，再以0.2℃/s的冷却速率由450℃降温至200℃，最后采用自由空冷的方式降温至25℃，得到贝马复相重轨钢。

实施例2

从钢轨踏面位置取尺寸为13mm×13mm×80mm的试样，试样钢轨中元素质量百分数为C 0.2％、Si 1.1％、Mn 2％、Cr、Ni和Mo的总量为2.2％、杂质为0.02％、余量为Fe。

将钢轨以10℃/s的升温速率升温至1250℃进行奥氏体化，奥氏体化时间为300s，使钢轨完全奥氏体化。对奥氏体化钢轨以5℃/s的冷却速率由1250℃降温至1050℃，以1/s的变形速率对钢轨进行第一道次轧制，第一道次轧制的变形量为50％。然后以5℃/s的冷却速率将钢轨由1050℃降温至950℃，以10/s的变形速率对钢轨进行第二道次轧制，第二道次轧制的变形量为30％，得到轧制钢轨。

对轧制钢轨以2.5℃/s的冷却速率由950℃降温至450℃，再以0.8℃/s的冷却速率由450℃降温至200℃，最后采用自由空冷的方式降温至20℃，得到贝马复相重轨钢。

实施例3

从钢轨踏面位置取尺寸为13mm×13mm×80mm的试样，试样钢轨中元素质量百分数为C 0.2％、Si 1.1％、Mn 2％、Cr、Ni和Mo的总量为2.2％、杂质为0.02％、余量为Fe。

将钢轨以10℃/s的升温速率升温至1250℃进行奥氏体化，奥氏体化时间为300s，使钢轨完全奥氏体化。对奥氏体化钢轨以5℃/s的冷却速率由1250℃降温至1050℃，以1/s的变形速率对钢轨进行第一道次轧制，第一道次轧制的变形量为50％。然后以5℃/s的冷却速率将钢轨由1050℃降温至950℃，以10/s的变形速率对钢轨进行第二道次轧制，第二道次轧制的变形量为30％，得到轧制钢轨。

对轧制钢轨以1.5℃/s的冷却速率由950℃降温至450℃，再以0.5℃/s的冷却速率由450℃降温至200℃，最后采用自由空冷的方式降温至20℃，得到贝马复相重轨钢。

实施例1～3的贝马复相重轨钢为板条状下贝氏体和板条状马氏体的钢轨组织。

对实施例1～3的贝马复相重轨钢进行性能测试，其中，冲击韧性有两种测试方法：夏比V型缺口试样和U型缺口试样，冲击功分别按照KV2和KU2表示，V型缺口更为尖锐，数值一般小于U型缺口。相比较于U型缺口，V型缺口更能够反映材料缺口和内部缺陷对动态载荷的敏感性以及裂纹的扩展，本发明采用V型缺口试样，能够反应钢轨的冲击韧性和耐疲劳性能。

实施例1的贝马复相重轨钢抗拉强度为1428MPa，屈服强度为1153MPa，断后伸长率为18.8％，断面收缩率为51.03％，硬度为439HRC，冲击功KV2为60.2J。

实施例2的贝马复相重轨钢抗拉强度为1576MPa，屈服强度为1235MPa，断后伸长率为14.48％，断面收缩率为46.28％，硬度为461HRC，冲击功KV2为51.8J。

实施例3的贝马复相重轨钢抗拉强度为1495MPa，屈服强度为1177MPa，断后伸长率为17.9％，断面收缩率为50.21％，硬度为451HRC，冲击功KV2为63.2J。

对实施例1～3的贝马复相重轨钢的相成分进行测试，测试结果为：实施例1的贝马复相重轨钢中马氏体和残余奥氏体含量为20～30％，贝氏体含量为70～80％，实施例2的贝马复相重轨钢中马氏体和残余奥氏体含量为35～45％，贝氏体含量为55～65％，实施例3的贝马复相重轨钢中马氏体和残余奥氏体含量为27～37％，贝氏体含量为63～73％。

实施例3的贝马复相重轨钢组织结构的SEM图如图1所示。由图1可知，本发明的贝马复相重轨钢组织为板条状贝马复相组织，无上贝氏体和粒状贝氏体形成，同时渗碳体分布较为均匀。

实施例3的贝马复相重轨钢的应力应变图如图2所示。由图2可知，本发明的贝马复相重轨钢延伸率达到18％以上，达到抗拉强度后有较长延展，拉伸试样的韧性好。

实施例3的贝马复相重轨钢的DEFORM软件模拟测定结果图和实物图如图3所示，其中，上图为模拟结果图，下图为实物图。由图3可知，实施例3的贝马复相重轨钢中贝氏体含量为67.8～71.2％，马氏体和残余奥氏体含量为28.8～32.2％。

实施例3的贝马复相重轨钢的彩色金相实测结果图如图4所示，测定结果贝马复相钢轨中马氏体和残余奥氏体含量为30％，贝氏体含量为70％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

1）对钢轨进行奥氏体化，得到奥氏体化钢轨；

2）对奥氏体化钢轨顺次进行第一道次轧制和第二道次轧制，得到轧制钢轨；

3）对轧制钢轨进行冷却，得到相变前钢轨；

4）对相变前钢轨进行冷却，得到贝马复相重轨钢；

步骤1）所述钢轨包含如下质量百分数的元素成分：C 0.15~0.25%，Si 0.7~1.5%，Mn1.6~2.6%，Cr、Ni和Mo的总量为1.37~2.9%，杂质≤0.03%，余量为Fe；

步骤2）所述第一道次轧制的温度为1020~1080℃，变形量为45~55%，变形速率为0.5~1.5/s；

步骤2）所述第二道次轧制的温度为950~980℃，变形量为25~35%，变形速率为8~12/s；

步骤3）中，相变前钢轨的温度为440~460℃，所述冷却为第二道次轧制温度降至相变前温度，冷却速率为1.5~3℃/s；

步骤4）中，所述冷却包含相变前温度降至相变后温度的冷却和相变后温度降至室温的冷却；相变后温度为190~210℃，相变前温度降至相变后温度的冷却速率为0.5~1℃/s；相变后温度降至室温的冷却方式为空冷。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）所述奥氏体化的温度为1200~1300℃，时间为250~350s；升温至奥氏体化温度的升温速率为8~12℃/s。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，钢轨由奥氏体化温度降至第一道次轧制温度的冷却速率为3~8℃/s；由第一道次轧制温度降至第二道次轧制温度的冷却速率为3~8℃/s。

4.权利要求1~3任意一项所述的制备方法得到的高强韧组织定量化控制的贝马复相重轨钢。