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CN104032222B - 纳米珠光体钢轨的制备方法 - Google Patents

纳米珠光体钢轨的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种纳米珠光体钢轨，它是一种钢内部组织为100％珠光体，且珠光体平均片厚度间距为60nm左右的钢轨，其钢的化学成分wt％为：C:0.83～0.93，Mn:0.05～0.10，Al:(8～12)Mn，Si:1.5-Al，Cr:1.0～1.5，Co:0.1～0.3，Zr:0.35～0.55，Mg:0.02～0.06，Cu:0.01～0.05，S<0.025，P<0.025，其余为Fe。它的制备方法主要是将钢水经过精炼，并连铸连轧成钢轨，结合轧后控制冷却技术，再经去应力回火处理。本发明制造工艺简单，便于大规模生产，制备的钢轨抗拉强度不小于1300MPa，屈服强度不小于1000MPa，硬度HRC44～47，延伸率不小于10％，具有耐磨性能和抗疲劳性能优异，特别适合于在重载铁路线路尤其是急转弯铁路路段应用以及用做贝氏体钢组合铁路辙叉翼轨。

Description

纳米珠光体钢轨的制备方法
技术领域：本发明属于钢铁材料及其热加工技术领域，特别涉及一种钢轨的制备方法。
背景技术：21世纪初铁路运输开始了全球复兴，在运输方式方面，铁路是陆地上最环保、最节能的运输方式。目前，为了充分发挥铁路运输的潜力，铁路运输正向高速和重载方向发展。钢轨是轨道结构的重要部件，钢轨质量的优劣直接关系到铁路运营的安全和效率。为了适应铁路建设发展的需要，尤其是重轨线路，迫切要求提高轨道用钢的强度、耐磨性和抗疲劳性能。一般传统钢轨钢的碳含量在0.6～0.8wt％，属于共析钢，其抗拉强度≥880MPa，硬度为260～300HB，如中国代号为U75Mn钢轨。为了提高强度与耐磨性，在原有珠光体钢轨成分基础上添加Nb、V和稀土等元素，并采用控制轧制等工艺改善其力学性能，如中国专利CN96117731.4和CN99111744.1，美国专利US5,658,400，US4,767,475等，对应中国代号为U75V、U76NbRe和U77MnCr钢轨等。这些品种钢轨的微观组织均是珠光体组织。其中，应用最广泛的钢轨是U75Mn钢轨和U75V钢轨，U75V钢轨与U71Mn钢轨相比，碳含量提高，又增加了硅及钒元素，因此，U75V钢轨的强度进一步提高，耐磨性能明显优于U71Mn钢轨，但是U75V钢轨的塑韧性却不及U71Mn钢轨，同时U71Mn钢轨的抗疲劳裂纹扩展性能、断裂韧性以及焊接性能优于U75V钢轨。
为了进一步提高钢轨的使用寿命，近年来，科研人员对钢轨的合金成分设计进行了大量的研发和探索，在原有的共析碳含量成分普通钢轨基础上，加入Cr、Mo、V、Ti、Nb、Co、Cu、Ni、B、N、Al和Zr等等，并结合新的轧制工艺和热处理技术，发明和研发出了许多新的综合性能更高的超细珠光体钢轨，如美国专利USRE42,668、US7,972,451、US8,361,246、US2004035507-A1和US2003192625-A1；中国专利CN101818312A和CN1884606A和CN03800576.X；日本专利JP2005256022-A、JP2002363696-A和JP7126741-A等等。这些专利技术不同程度提高了钢轨的强度以及耐磨性和抗疲劳性能。还有通过轧制后进行特殊的热处理来提高钢轨的强度和耐磨性，如中国专利CN96117731.4，CN1155013等等。另外，通过引入贝氏体组织来提高钢轨的强韧性，制造出贝氏体钢轨，如中国专利CN102899471A、CN103160736A和CN102936700A；美国专利US5,676,772等等。这些钢轨的内部组织都属于粗晶或者微晶尺度，没有达到纳米晶尺度，那么相应的钢轨的性能潜力就没有充分的挖掘出来。
研究表明，当珠光体组织细化到纳米量级时，其具有很好的综合力学性能(见ScriptaMaterialia,2012,67(1):53-56)，那么相信具有纳米珠光体的钢轨一定会有高强度的同时，具有优异的耐磨性能和抗疲劳性能，然而，常规的珠光体钢轨中的珠光体片间距厚度都是在亚微米，甚至是微米量级，所谓的超细珠光体钢轨的珠光体组织片间距也在150nm以上，要达到纳米(<100nm)量级在制造工艺上难度很大。
也有个别的关于珠光体钢轨的发明专利提及了超细珠光体的问题，中国发明专利CN1884606A主要是通过热温变形工艺，珠光体组织的硬度、抗拉强度、延伸率均不高。日本人在中国申请的专利CN1522311A和CN1140473A，在化学成分方面，碳含量的上限分别达1.2wt％和1.4wt％、Mn含量都很高、且不含铝，这种成分的钢轨的内部组织就不可能达到纳米尺度。为了获得细珠光体组织的钢轨，日本专利技术要求钢轨轧后进行快速冷却，以避免珠光体组织长大，这样就给钢轨实际生产增加了难度，因此不便于生产应用。
发明内容：本发明的目的是提供一种制造工艺简单，便于大规模生产，而且制造的钢轨具有高强度、高硬度、高塑性、高耐磨性和高的抗疲劳性能的纳米珠光体钢轨的制备方法。
本发明的纳米珠光体钢轨是一种内部组织为100％珠光体，且珠光体平均片厚度间距为60nm左右的钢轨，它的化学成分(wt％)为：C:0.83～0.93，Mn:0.05～0.10，Al:(8～12)Mn，Si:1.5-Al，Cr:1.0～1.5，Co:0.1～0.3，Zr:0.35～0.55，Mg:0.02～0.06，Cu:0.01～0.05，S<0.025，P<0.025，其余为Fe。
上述纳米珠光体钢轨的制备方法：
(1)将上述化学成分的钢水采用碱性氧气转炉或电弧炉冶炼并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。
(2)开始轧制温度不高于1150℃，轧制变形速率为5～8s-1，单道次变形量为30～50％，总压缩比应大于10，终轧温度不低于950℃。
(3)轧后空冷至轨头温度为850℃保温20～30min，接着以30～50℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温30～40min，之后空冷至350℃保温60～90min，最后空冷至室温。
(4)再加热到250～300℃，保温60～90min进行去应力回火处理。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、制造工艺简单，便于大规模生产。
2、制造出的钢轨，具有十分优异的力学性能，其抗拉强度不小于1300MPa，屈服强度不小于1000MPa，延伸率不小于10％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能；特别适合于在重载铁路线路尤其是急转弯铁路路段应用以及用做贝氏体钢组合铁路辙叉翼轨。
具体实施方式
实施例1：将化学成分(wt％)为：C:0.83、Mn:0.05、Al:0.6、Si:0.9、Cr:1.4、Co:0.11、Zr:0.35、Mg:0.06、Cu:0.05、S:0.013和P:0.005，其余为Fe的钢水，采用碱性氧气转炉冶炼，并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。轧制时开始轧制温度1140℃，轧制变形速率为6s-1，单道次变形量为32％，总压缩比为12，终轧温度960℃。轧后空冷至轨头温度为850℃保温30min，接着以30℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温40min，之后空冷至350℃保温80，最后空冷至室温。再加热到250℃，保温60min进行去应力回火处理。按照上述制造技术制造出的钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体片平均间距为60nm，为纳米珠光体。从而获得十分优异的力学性能，其抗拉强度为1350MPa，屈服强度1010MPa，延伸率11％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能。
实施例2：将化学成分(wt％)为：C:0.92、Mn:0.09、Al:1.0、Si:0.5、Cr:1.1、Co:0.18、Zr:0.52、Mg:0.04、Cu:0.03、S:0.001和P:0.011其余为Fe的钢水，采用碱性氧气转炉冶炼，并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。轧制时开始轧制温度1120℃，轧制变形速率为8s-1，单道次变形量为48％，总压缩比为11，终轧温度950℃。轧后空冷至轨头温度为850℃保温20min，接着以50℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温30min，之后空冷至350℃保温60，最后空冷至室温。再加热到300℃，保温90min进行去应力回火处理。按照上述制造技术制造出的钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体片平均间距为55nm，为纳米珠光体。从而获得十分优异的力学性能，其抗拉强度为1370MPa，屈服强度1050MPa，延伸率12％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能。
实施例3：将化学成分(wt％)为：C:0.85、Mn:0.07、Al:0.7、Si:0.8、Cr:1.3、Co:0.11、Zr:0.35、Mg:0.06、Cu:0.05、S:0.010和P:0.005，其余为Fe的钢水，采用碱性氧气转炉冶炼，并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。轧制时开始轧制温度1130℃，轧制变形速率为5s-1，单道次变形量为42％，总压缩比为11，终轧温度960℃。轧后空冷至轨头温度为850℃保温25min，接着以35℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温35min，之后空冷至350℃保温70，最后空冷至室温。再加热到280℃，保温70min进行去应力回火处理。按照上述制造技术制造出的钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体片平均间距为65nm，为纳米珠光体。从而获得十分优异的力学性能，其抗拉强度为1360MPa，屈服强度1030MPa，延伸率12％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能。
实施例4：将化学成分(wt％)为：C:0.91、Mn:0.09、Al:1.0、Si:0.5、Cr:1.2、Co:0.21、Zr:0.44、Mg:0.05、Cu:0.02、S:0.008和P:0.016，其余为Fe的钢水，采用碱性氧气转炉冶炼，并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。轧制时开始轧制温度1100℃，轧制变形速率为8s-1，单道次变形量为35％，总压缩比为12，终轧温度960℃。轧后空冷至轨头温度为850℃保温25min，接着以40℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温35min，之后空冷至350℃保温90，最后空冷至室温。再加热到290℃，保温65min进行去应力回火处理。按照上述制造技术制造出的钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体片平均间距为68nm，为纳米珠光体。从而获得十分优异的力学性能，其抗拉强度为1410MPa，屈服强度1090MPa，延伸率12％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能。
实施例5：将化学成分(wt％)为：C:0.90、Mn:0.06、Al:0.7、Si:0.8、Cr:1.1、Co:0.28、Zr:0.41、Mg:0.05、Cu:0.04、S:0.008和P:0.015，其余为Fe的钢水，采用碱性氧气转炉冶炼，并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨。轧制时开始轧制温度1100℃，轧制变形速率为7s-1，单道次变形量为45％，总压缩比为12，终轧温度955℃。轧后空冷至轨头温度为850℃保温27min，接着以45℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温35min，之后空冷至350℃保温75，最后空冷至室温。再加热到250℃，保温85min进行去应力回火处理。按照上述制造技术制造出的钢轨，其内部组织为100％珠光体，且珠光体片平均间距为70nm，为纳米珠光体。从而获得十分优异的力学性能，其抗拉强度为1420MPa，屈服强度1100MPa，延伸率12％，同时具有优异的耐磨和抗疲劳性能。

Claims (2)

1.一种纳米珠光体钢轨，其特征在于：它是一种钢内部组织为100％珠光体，且珠光体平均片厚度间距为60nm左右的钢轨，其钢的化学成分wt％为：C:0.83～0.93，Mn:0.05～0.10，Al:(8～12)Mn，Si:1.5-Al，Cr:1.0～1.5，Co:0.1～0.3，Zr:0.35～0.55，Mg:0.02～0.06，Cu:0.01～0.05，S<0.025，P<0.025，其余为Fe。
2.权利要求1所述的纳米珠光体钢轨的制备方法，其特征在于：
(1)将上述成分的钢水采用碱性氧气转炉或电弧炉冶炼并经炉外精炼和真空脱气处理，在保护气氛下进行连铸连轧成钢轨；
(2)开始轧制温度不高于1150℃，轧制变形速率为5～8s-1，单道次变形量为30～50％，总压缩比应大于10，终轧温度不低于950℃；
(3)轧后空冷至轨头温度为850℃保温20～30min，接着以30～50℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温30～40min，之后空冷至350℃保温60～90min，最后空冷至室温；
(4)再加热到250～300℃，保温60～90min进行去应力回火处理。
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