CN115927813B - 一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢及其制备方法，属于钢铁冶金技术领域。将待处理轨道用钢进行三道热加工处理，使该梯度结构超细贝氏体轨道钢具有铁素体‑珠光体双相组织和超细贝氏体组织形成的梯度结构。本发明利用梯度结构，使得轨道的基体为铁素体‑珠光体复相组织，仅在服役表面表层为超细贝氏体，从而可以使得合金元素含量大幅度降低，显著减少轨道钢中的偏析，显著提高强韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢及其制备方法，属于钢铁冶金技术领域。
背景技术
贝氏体钢具有比珠光体钢更优异的耐磨性和韧性，比高锰钢更高的强度，以及适当的韧性和硬度，同时表现出优异的抗滚动疲劳性能和耐磨损性能，使其成为制造铁路轨道，包括钢轨和辙叉的优异备选材料之一。
当前，轨道钢在生产出来都是整体组织结构均匀的，如珠光体轨道钢，通过轧制后空冷，获得整体都为珠光体的组织；高锰辙叉钢，通过水韧处理整体均为奥氏体组织；贝氏体轨道钢，通过热加工后空冷，或者通过吹风连续冷却等工艺，使得贝氏体轨道钢整体是组织均匀的，均为粒状贝氏体+板条贝氏体复合组织，或者贝氏体加马氏体的复合组织。贝氏体轨道钢强度高，使得轨道钢的整体强度都很高，氢脆敏感性高。
通常贝氏体钢的氢脆敏感性高于珠光体钢的氢脆敏感性，使得贝氏体轨道钢在服役过程中也易于发生氢脆遭到破坏，尤其是轨道钢的轨底区域，受地面积水、潮湿影响，更容易由于氢脆而破坏。另外，为了保证贝氏体钢的性能，尤其是淬透性，当前贝氏体轨道钢中的合金元素含量都比较高，如高含量的Mn、Cr、Mo等元素，这些元素易于偏析，容易在连铸、轧制或锻造成型后产生明显的偏析条带，导致在轨道服役过程中性能不稳定。因此，贝氏体轨道钢所需的高淬透性以及因此带来的高合金元素含量而导致的偏析存在难以调和的矛盾。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：
一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢，所述轨道钢基体为铁素体-珠光体双相组织、表层为超细贝氏体组织，形成由超细贝氏体向铁素体-珠光体过渡的梯度结构。
本发明的技术方案之二：
一种所述的梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将待处理轨道用钢进行第一道热加工处理，使所述待处理轨道用钢获得铁素体-珠光体双相组织；
(2)将步骤(1)形成铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢进行第二道热加工处理，使形成所述铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢的工作表层侧生成超细贝氏体组织，轨道钢整体形成由超细贝氏体向铁素体-珠光体过渡的梯度结构；
(3)将步骤(2)形成超细贝氏体-铁素体-珠光体梯度结构的待处理轨道用钢进行第三道热加工处理，使所述待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到所述梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
进一步地，步骤(1)具体包括以下步骤：
将所述待处理轨道用钢进行奥氏体化处理，得到经奥氏体化处理后的待处理轨道用钢；
以第一冷却速度对所述奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度，之后进行第一保温或第一慢冷，使待处理轨道用钢形成铁素体-珠光体双相组织；所述第一冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述第一预设温度为550℃～750℃。
更进一步地，所述第一慢冷具体为：以第一慢冷速度冷却所述待处理轨道用钢至第二预设温度，并以第二冷却速度将所述待处理轨道用钢冷却至第三预设温度；
所述第一慢冷速度为0.01℃/s～0.1℃/s，所述第二预设温度为500℃～650℃；
所述第二冷却速度为0.1℃/s～10℃/s，所述第三预设温度为200℃～350℃。
进一步地，步骤(2)具体包括以下步骤：
将步骤(1)形成铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢的工作侧表层快速加热，使其奥氏体化处理，保温，并以第三冷却速度将所述待处理轨道用钢冷却至第四预设温度，然后进行第二保温或第二慢冷，使待处理轨道用钢快速加热层区域形成超细贝氏体组织；
所述第三冷却速度为0.6℃/s～20℃/s，所述第四预设温度为Ms-20℃～Ms+50℃，Ms为轨道用钢的马氏体转变起始温度；所述第二慢冷速度为0.005℃/s～0.2℃/s。
更进一步地，所述快速加热的加热速度为5℃/s～200℃/s；所述保温的时间为1s-10min；所述待处理轨道用钢的工作侧表层为轨道用钢表面至以下0.5mm～50mm深度。
进一步地，步骤(3)具体包括以下步骤：
将步骤(2)形成超细贝氏体-铁素体-珠光体梯度结构的待处理轨道用钢进行回火处理，使所述待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到所述梯度结构超细贝氏体轨道钢；
所述回火处理时的回火温度为200℃～500℃。
进一步地，所述待处理轨道用钢为低合金刚，其成分以质量百分比计，包括：C：0.25～0.55，Mn：0.5～2.0，Al+Si：0.8～1.8，Cr+Mo+Ni<1.5，V+Nb+B：0.06～0.20，P<0.02，S<0.02，Ti<0.01，O<0.0015，N<0.008，H<0.0001，余量为Fe。
更进一步地，所述待处理轨道用钢为低合金刚，其成分以质量百分比计，包括：C：0.35～0.40，Mn：0.86～1.2，Al+Si：1.55～1.62，Cr+Mo+Ni≤1.3，V+Nb+B：0.10～0.125，P≤0.01，S≤0.01，Ti：0.006～0.007，O：0.0008～0.001，N：0.004～0.005，H：0.00005～0.00007，余量为Fe。
进一步地，所述奥氏体化处理可以为包含将轨道用钢加热至奥氏体化温度后的热成型过程，如热轧、锻造，也可以无热成型过程。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明针对传统贝氏体轨道钢氢脆敏感性高的问题，利用梯度结构，获得轨道服役表面为高强韧性、高耐磨性的超细贝氏体组织、基体为具有低氢脆敏感性的铁素体-珠光体复相组织，保证轨道在服役过程中，轨道表层耐磨抗疲劳，同时轨底不易发生氢脆而引发破坏。
(2)针对传统贝氏体轨道钢整体热处理过程需要高的合金元素含量提高淬透性，导致偏析严重的问题，本发明利用梯度结构，使得轨道的基体为铁素体-珠光体复相组织，仅在服役表面表层为超细贝氏体，从而可以使得合金元素含量大幅度降低，显著减少轨道钢中的偏析。
(3)由于在快速加热之前基体位置已经处于较低温度状态，因此本发明通过梯度结构的设计，使得表层在快速加热奥氏体化之后，轨道表层能够快速冷却，避开铁素体和珠光体转变区间，使得表层发生贝氏体转变。
(4)本发明通过梯度结构的设计，使轨道钢的表层为快速热处理获得的超细贝氏体，晶粒显著细化，强韧性显著提高；同时基体组织为铁素体+珠光体组织，韧性也比传统珠光体钢轨钢的韧性显著提高。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织SEM图；
图2为本发明实施例1制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织SEM图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明所述的“室温”，若无特别说明，是指25±2℃。
实施例1
待处理轨道用钢的主要化学成分质量百分数为：C：0.35、Al+Si：1.55、Mn：1.20、Cr+Mo+Ni：1.30、V+Nb+B：0.10、O：0.0010、H：0.00007、N：0.004、Ti：0.006，P：0.01、S：0.01，余量为Fe，马氏体转变起始温度Ms为322℃。
梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将加工成轨道形状的待处理轨道用钢在920℃，保温80min的条件下进行奥氏体化处理，以10℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度650℃，之后以0.02℃/s的第一慢冷速度冷却待处理轨道用钢至第二预设温度580℃，并以1℃/s的第二冷却速度冷却至第三预设温度330℃；
(2)采用感应加热处理，将步骤(1)处理后的轨道用钢的工作侧表面至以下15mm深度区域，以10℃/s快速加热至960℃，保温60s，使其奥氏体化，并以5℃/s的第三冷却速度将待处理轨道用钢冷却至第四预设温度340℃，然后以0.016℃/s的第二慢冷速度冷却至室温；
(3)将步骤(2)处理后的轨道用钢在320℃回火处理20h，使待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
本发明实施例1制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织SEM图见图1，由图1看出该表层组织为超细贝氏体组织，其屈服强度为1120MPa，抗拉强度1390MPa，延伸率16％，室温冲击韧性为102J/cm2。
本发明实施例1制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织SEM图见图2，由图2看出该基体组织为铁素体+珠光体组织，屈服强度为697MPa，抗拉强度960MPa，延伸率18.2％，室温冲击功韧性为63J/cm2。
实施例2
待处理轨道用钢的主要化学成分质量百分数为：C：0.35、Al+Si：1.55、Mn：1.20、Cr+Mo+Ni：1.30、V+Nb+B：0.10、O：0.0010、H：0.00007、N：0.004、Ti：0.006，P：0.01、S：0.01，余量为Fe，马氏体转变起始温度Ms为322℃。
梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将加工成轨道形状的待处理轨道用钢在920℃，保温80min的条件下进行奥氏体化处理，以20℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度550℃，进行第一保温，保温60min后，以1℃/s的第二冷却速度冷却至第三预设温度200℃；
(2)采用感应加热处理，将步骤(1)处理后的轨道用钢的工作侧表面至以下5mm深度区域，以200℃/s快速加热至950℃，保温20s，使其奥氏体化，并以10℃/s的第三冷却速度将待处理轨道用钢冷却至第四预设温度302℃，进行第二保温，保温1h，然后空冷室温；
(3)将步骤(2)处理后的轨道用钢在480℃回火处理1h，使待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
本发明实施例2制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织为超细贝氏体组织，其屈服强度为1060MPa，抗拉强度1320MPa，延伸率19％，室温冲击韧性为115J/cm2。
本发明实施例2制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织为铁素体+珠光体组织，屈服强度为712MPa，抗拉强度985MPa，延伸率17％，室温冲击功韧性为65J/cm2。
实施例3
待处理轨道用钢的主要化学成分质量百分数为：C：0.40、Al+Si：1.62、Mn：0.86、Cr+Mo+Ni：0.65、V+Nb+B：0.125、O：0.0008、H：0.00005、N：0.005、Ti：0.007，P：0.01、S：0.01，余量为Fe，马氏体转变起始温度Ms为327℃。
梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将加工成轨道形状的待处理轨道用钢在930℃，保温120min的条件下进行奥氏体化处理，以0.3℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度620℃，保温20min之后，以0.3℃/s第二冷却速度冷却至第三预设温度300℃；
(2)采用感应加热处理，将步骤(1)处理后的轨道用钢的工作侧表面至以下50mm深度区域以25℃/s快速加热至950℃，保温10min，使其奥氏体化，并以1.5℃/s第三冷却速度将待处理轨道用钢冷却至第四预设温度330℃，然后以0.01℃/s第二慢冷速度冷却至室温；
(3)将步骤(2)处理后的轨道用钢在320℃回火处理10h，使待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
本发明实施例3制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织为超细贝氏体组织，其屈服强度为1250MPa，抗拉强度1415MPa，延伸率14.7％，室温冲击韧性为95J/cm2。
本发明实施例3制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织为铁素体+珠光体组织，屈服强度为676MPa，抗拉强度922MPa，延伸率19.5％，室温冲击功韧性为51J/cm2。
实施例4
待处理轨道用钢的主要化学成分质量百分数为：C：0.40、Al+Si：1.62、Mn：0.86、Cr+Mo+Ni：0.65、V+Nb+B：0.125、O：0.0008、H：0.00005、N：0.005、Ti：0.007，P：0.01、S：0.01，余量为Fe，马氏体转变起始温度Ms为327℃。
梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将加工成轨道形状的待处理轨道用钢在930℃，保温120min的条件下进行奥氏体化处理，以0.3℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度710℃，之后以0.06℃/s的第一慢冷速度冷却待处理轨道用钢至第二预设温度500℃，然后以10℃/s第二冷却速度冷却至第三预设温度350℃；
(2)采用感应加热处理，将步骤(1)处理后的轨道用钢的工作侧表面至以下0.5mm深度区域以100℃/s快速加热至970℃，保温1s，使其奥氏体化，并以20℃/s第三冷却速度将待处理轨道用钢冷却至第四预设温度365℃，然后以0.10℃/s第二慢冷速度冷却至室温；
(3)将步骤(2)处理后的轨道用钢在200℃回火处理30h，使待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
本发明实施例4制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织为超细贝氏体组织，其屈服强度为1290MPa，抗拉强度1435MPa，延伸率15.8％。
本发明实施例4制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织为铁素体+珠光体组织，屈服强度为655MPa，抗拉强度902MPa，延伸率15.3％，室温冲击功韧性为51J/cm2。
实施例5
待处理轨道用钢的主要化学成分质量百分数为：C：0.35、Al+Si：1.58、Mn：1.20、Cr+Mo+Ni：1.30、V+Nb+B：0.12、O：0.0010、H：0.00007、N：0.004、Ti：0.006，P：0.01、S：0.01，余量为Fe，马氏体转变起始温度Ms为335℃。
梯度结构超细贝氏体轨道钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将加工成轨道形状的待处理轨道用钢在920℃，保温80min的条件下进行奥氏体化处理，以10℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度750℃，之后以0.02℃/s的第一慢冷速度冷却待处理轨道用钢至第二预设温度620℃，并以0.1℃/s的第二冷却速度冷却至第三预设温度330℃；
(2)采用感应加热处理，将步骤(1)处理后的轨道用钢的工作侧表面至以下25mm深度区域，以5℃/s快速加热至960℃，保温5min，使其奥氏体化，并以0.6℃/s的第三冷却速度将待处理轨道用钢冷却至第四预设温度370℃，然后以0.2℃/s的第二慢冷速度冷却至室温；
(3)将步骤(2)处理后的轨道用钢在500℃回火处理0.5h，使待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢。
本发明实施例5制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的表层组织为超细贝氏体组织，其屈服强度为1015MPa，抗拉强度1308MPa，延伸率17％，室温冲击韧性为92J/cm2。
本发明实施例5制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的基体组织为铁素体+珠光体组织，屈服强度为578MPa，抗拉强度907MPa，延伸率16％，室温冲击功韧性为40J/cm2。
本发明实施例与同强度级别传统U75V和U71Mn珠光体轨道钢相比较，同强度级别传统U75V和U71Mn珠光体轨道钢的冲击韧性在15-25J/cm2，因此本发明实施例制备的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的韧性也比传统珠光体钢轨钢的韧性显著提高。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢，其特征在于，所述轨道钢基体为铁素体-珠光体双相组织、表层为超细贝氏体组织，形成由超细贝氏体向铁素体-珠光体过渡的梯度结构。
2.一种权利要求1所述的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待处理轨道用钢进行第一道热加工处理，使所述待处理轨道用钢获得铁素体-珠光体双相组织；
(2)将步骤(1)形成铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢进行第二道热加工处理，使形成所述铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢的工作表层侧生成超细贝氏体组织，轨道钢整体形成由超细贝氏体向铁素体-珠光体过渡的梯度结构；
(3)将步骤(2)形成超细贝氏体向铁素体-珠光体过渡的梯度结构的待处理轨道用钢进行第三道热加工处理，使所述待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到所述梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢；
步骤(2)具体包括以下步骤：
将步骤(1)形成铁素体-珠光体双相组织的待处理轨道用钢的工作侧表层快速加热，保温，并以第三冷却速度将所述待处理轨道用钢冷却至第四预设温度，然后进行第二保温或第二慢冷，使待处理轨道用钢快速加热层区域形成超细贝氏体组织；
所述第三冷却速度为0.6℃/s～20℃/s，所述第四预设温度为Ms-20℃～Ms+50℃，Ms为轨道用钢的马氏体转变起始温度；所述第二慢冷的速度为0.005℃/s～0.2℃/s；
所述快速加热的加热速度为5℃/s～200℃/s；所述保温的时间为1s～10min；所述待处理轨道用钢的工作侧表层为轨道用钢表面至以下0.5mm～50mm深度。
3.根据权利要求2所述的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：
将所述待处理轨道用钢进行奥氏体化处理，得到经奥氏体化处理后的待处理轨道用钢；
以第一冷却速度对所述奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度，之后进行第一保温或第一慢冷，使待处理轨道用钢形成铁素体-珠光体双相组织；所述第一冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述第一预设温度为550℃～750℃。
4.根据权利要求3所述的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的制备方法，其特征在于，所述第一慢冷具体为：以第一慢冷速度冷却所述待处理轨道用钢至第二预设温度，并以第二冷却速度将所述待处理轨道用钢冷却至第三预设温度；
所述第一慢冷速度为0.01℃/s～0.1℃/s，所述第二预设温度为500℃～650℃；
所述第二冷却速度为0.1℃/s～10℃/s，所述第三预设温度为200℃～350℃。
5.根据权利要求2所述的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：
将步骤(2)形成超细贝氏体-铁素体-珠光体梯度结构的待处理轨道用钢进行回火处理，使所述待处理轨道用钢的梯度结构稳定化，得到所述梯度结构超细贝氏体轨道钢；
所述回火处理时的回火温度为200℃～500℃。
6.根据权利要求2所述的梯度结构超细贝氏体低合金轨道钢的制备方法，其特征在于，所述待处理轨道用钢的成分以质量百分比计，包括：C：0.25～0.55，Mn：0.5～2.0，Al+Si：0.8～1.8，Cr+Mo+Ni<1.5，V+Nb+B：0.06～0.20，P<0.02，S<0.02，Ti<0.01，O<0.0015，N<0.008，H<0.0001，余量为Fe。
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