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CN114000034B - 一种低屈强比高强贝氏体钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低屈强比高强贝氏体钢轨及其生产方法，该方法包括：采用含有0.1‑0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯；采用1250‑1300℃高温加热，且加热时间控制在200‑500min对钢坯进行加热；钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120‑150mm，终冷温度介于950‑1050℃，得到钢轨；钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150‑300s弛豫时间；在热处理机组内，热处理开冷温度范围为740‑820℃，冷却速率为5‑15℃/s，终冷温度为200‑250℃。本发明采用低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法能够得到具有耐磨损性能、又具有耐疲劳性能的低屈强比高强贝氏体钢轨。

Description

一种低屈强比高强贝氏体钢轨及其生产方法
技术领域
本发明涉及冶金环保领域，特别涉及一种低屈强比高强贝氏体钢轨及其生产方法。
背景技术
钢轨作为铁路的关键部件，其性能的高低直接关乎铁路的运输效率和行车安全。目前，我国铁路主要采用珠光体钢轨。多年应用表明，珠光体高强度钢轨具有优良的耐磨损性能，大幅度提升了钢轨的使用寿命。然而，在一些服役条件苛刻路段，也反映出珠光体钢轨韧性匹配不够，抗接触疲劳性能不佳的问题，需要耐磨损性能与抗疲劳性能兼优的钢轨。由此，贝氏体钢轨开发再次得到重视。
贝氏体钢轨均采用低碳(如碳含量为0.15％-0.25％)，辅以适量的Si、Mn、Cr、Ni、Mo等元素，在空冷条件下获得无碳化物贝氏体或B/M复相组织。同时，通过中温回火，使钢轨获得良好的强韧性匹配。研究表明，采用在线热处理技术生产贝氏体可获得以下优势：首先，依托在线热处理强烈的细晶强化效应生产的贝氏体钢轨组织更加均匀细化并可有效抑制残余奥氏体形成。其次，通过在线热处理温度的精确控制，可以最大限度降低马氏体比例，强硬度与韧塑性指标可同时大幅提升，确保贝氏体钢轨在充分发挥优良疲劳性能的同时，耐磨损性能达到现有珠光体热处理钢轨水平。再次，在线热处理可替代部分贵重合金元素的作用，进一步降低生产成本，为大规模推广应用奠定基础。但贝氏体钢轨通过热处理后，强度可达到1400MPa以上，冲击韧性可达到150J以上，但屈强比也达到了0.90以上。
但是，对于铁路用钢轨而言，结合服役特性，也提出了低屈强比的要求，低的屈强比可使钢轨具有良好的冷变形能力和较高的塑性变形能力，吸收较多的钢轨变形能量，即使局部超载失稳也不至于发生忽然断裂，从而提高了钢轨的承载能力。
由此可见，如何生产具有耐磨损性能、又具有耐疲劳性能的低屈强比高强贝氏体钢轨成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有的技术问题，本发明提出了一种具有耐磨损性能、又具有耐疲劳性能的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法。
本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法通过以下技术方案实现：
根据本发明，提供一种低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，该方法包括：
采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯；
采用1250-1300℃高温加热，且加热时间控制在200-500min对所述钢坯进行加热；
所述钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120-150mm，终冷温度介于950-1050℃，得到钢轨；
所述钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150-300s弛豫时间；
在所述热处理机组内，热处理开冷温度范围为740-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。
根据本发明的一个实施例，还包括：
所述钢轨冷却、矫直加工后，采用300-450℃温度回火，回火时间为5-12h。
根据本发明的一个实施例，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯，包括：
在冶炼过程中采用含有0.002-0.010重量％的硫控制。
根据本发明的一个实施例，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯，包括：
在冶炼过程中全程保护浇铸。
根据本发明的一个实施例，所述钢坯的成分包括：0.001-0.02重量％的Sn。
根据本发明的一个实施例，所述钢坯的成分包括：0.05-0.15重量％的Cu。
根据本发明的一个实施例，所述钢坯的成分包括：0.01-0.02重量％的As。
根据本发明的一个实施例，所述钢坯的氢含量≤1.5ppm；所述道岔钢轨的氧含量≤20ppm；所述道岔钢轨的氮含量≤60ppm。
根据本发明，提供一种低屈强比高强贝氏体钢轨，采用上述方法制备而成。
由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯；采用1250-1300℃高温加热，且加热时间控制在200-500min对所述钢坯进行加热；所述钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120-150mm，终冷温度介于950-1050℃，得到钢轨；所述钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150-300s弛豫时间；在所述热处理机组内，热处理开冷温度范围为740-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。这样，本发明得到的贝氏体钢轨抗拉强度≥1450MPa，延伸率≥12％，屈强比≤0.90，组织中含有5-25％的铁素体、65-75％的贝氏体及少量残余奥氏体和马氏体组织。特别适宜重载铁路用钢轨或是道岔铁路用钢轨。
附图说明
图1示出了依据本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法的一个实施例的流程图；
图2示出了依据本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法的一个实施例的拉伸和金相试样取样位置图；
图3示出了依据本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法的一个实施例的钢轨金相组织图；
图4示出了依据本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法的一个实施例的钢轨金相组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
贝氏体钢作为钢轨材料的研究始于20世纪60年代。从20世纪80年代开始，英国、美国、日本等国均对贝氏体钢轨及道岔开展了研究，贝氏体钢轨被誉为“21世纪钢轨”。但是，因贝氏体钢轨成本高、焊接难度大等原因，未获得大规模工业应用。
对于铁路用钢轨而言，结合服役特性，也提出了特殊的要求：1)具有足够高的抗拉强度和屈服强度。2)具有较小的屈服强度波动范围。钢轨之间屈强比过大时，容易造成局部断裂，引发脱轨事故。3)具有较高的塑性和韧性。为保证钢轨服役的安全可靠性，对材料除了要求高强度的特征值、高的屈服强度以外，还要求材料具有较好的冲击韧性。4)低屈强比：低的屈强比可使钢轨具有良好的冷变形能力和较高的塑性变形能力，吸收较多的钢轨变形能量，即使局部超载失稳也不至于发生忽然断裂，从而提高了钢轨的承载能力。随着强度的不断升高，屈强比有上升的趋势，因此，降低屈强比是该贝氏体钢轨的开发关键指标。即要求钢的屈强比不高于0.85，以确保贝氏体钢轨兼具最优的安全性与经济性。
其中，屈强比是抵抗从屈服到塑性不稳定变形的一种能力，从安全角度考虑，低屈强比是表征钢轨承载与否的一个重要特征。屈强比是由钢的微观组织决定的，双相或多相组织可有效降低屈强比。采用两相区淬火或控制轧制均可获得双相或多相组织结构，其组织通常为可动位错。密度高的软相铁素体、硬相贝氏体或马氏体或针状铁素体以及残留M/A的复杂组织。还有研究表明，增加钢中M/A体积分数也有利于降低屈强比。由软硬两相组成的组织具有连续屈服、低屈强比、高的延展性和优良的韧性。合理配置微观组织中硬相和软相的比例和硬度，能有效降低钢的屈强比。
因此合理控制显微组织的类型、含量与分布，可实现高强度、低屈强比的兼备性能。另外，高强韧性低屈强比贝氏体钢轨冲击韧性可达150J以上，断裂之前发生显著的塑性变形，属典型的韧性断裂。材料发生韧性断裂，很少发生灾难性后果，然而其断裂微观机理研究滞后于脆性断裂，而且韧性断裂过程比脆性断裂复杂，其影响因素互相交叉，目前还没有一套成熟的理论。大量研究表明，韧性断裂的细微过程为孔洞的萌生、孔洞的长大和孔洞的聚合。然而，如何对高强韧钢铁材料的晶体缺陷、夹杂物粒子、第二相沉淀粒子以及少量硬相组织进行控制，从而达到有效控制孔洞的萌生和聚合过程，却没有提出具体措施和解决方案。
本发明提供一种低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法。如图1所示，依据本发明的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法包括：
S101、采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯。
示例性的，钢坯的制作过程可以包括：转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、全程保护浇铸、冷却和加热炉加热。其中，在冶炼过程中采用含有0.002-0.010重量％的硫控制。具体地，硫的含量可以为0.002重量％、0.003重量％、0.004重量％、0.005重量％、0.006重量％、0.007重量％、0.008重量％、0.009重量％或0.010重量％。其中，加热炉加热的温度为1230-1280℃。具体地，加热温度可以为1230℃、1250℃或1280℃。加热炉的加热时间可以为150-240min。具体的，加热炉的加热时间可以为150min、190min或240min。
S102、采用1250-1300℃高温加热，且加热时间控制在200-500min对所述钢坯进行加热。
其中，加热炉加热的温度可以为1250-1300℃。具体地，加热温度可以为1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃。加热炉的加热时间可以为200-500min。具体地，加热炉的加热时间可以为200min、350min或500min。
S103、所述钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120-150mm，终冷温度介于950-1050℃，得到钢轨。
其中，压下量控制在120mm、130mm、140mm或150mm，终冷温度可以为950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃或1050℃。
S104、所述钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150-300s弛豫时间。
其中，钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150s弛豫时间、180s弛豫时间、220s弛豫时间、260s弛豫时间或300s弛豫时间。
S105、在所述热处理机组内，热处理开冷温度范围为740-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。
其中，热处理开冷温度可以为740℃、740℃、740℃、740℃、740℃、740℃、740℃、740℃、740℃、740℃或820℃。冷却速率可以为5℃/s、6℃/s、7℃/s、8℃/s、9℃/s、10℃/s、11℃/s、12℃/s、13℃/s、14℃/s或15℃/s，终冷温度可以为200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃。
在一些实现方式中，低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，还可以包括：
S106、所述钢轨冷却、矫直加工后，采用300-450℃温度回火，回火时间为5-12h。
在钢轨冷却、矫直之后，采用回火温度可以为300℃、320℃、330℃、350℃、380℃、400℃、420℃、440℃或450℃。
本发明提供的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法制备得到的贝氏体钢轨，该钢轨的成分包括：0.001-0.02重量％的Sn、0.05-0.15重量％的Cu、0.01-0.02重量％的As。
在一种具体可实现方式中，钢轨中Sn的含量可以为0.001重量％、0.003重量％、0.005重量％、0.008重量％、0.009重量％、0.011重量％、0.014重量％、0.016重量％、0.018重量％或0.02重量％。
在一种具体可实现方式中，钢轨中Cu的含量可以为0.01重量％或0.02重量％。
本发明的所述道岔钢轨的氢含量≤1.5ppm；所述道岔钢轨的氧含量≤20ppm；所述道岔钢轨的氮含量≤60ppm。
也就是说，通过成分与抗拉强度与屈服强度关系，0.1％的C提高抗拉强度190MPa，提高屈服强度230MPa；0.1％的Si提高抗拉强度13.3MPa，提高屈服强度8.7MPa；0.1％的Mn提高抗拉强度3.4MPa，提高屈服强度2.4MPa。通过以上关系，可以看出，C显著提高屈服强度，也是重要的强化元素。通过降低C含量，提高Si、Mn含量可以在一定程度上降低屈服强度。最后，通过添加V，形成V(C、N)钉扎位错，提高钢轨强度，降低屈服强度。
从工艺上实现低屈强比，首先要具有粗大晶粒，通过钢坯加热温度、保温时间和控制轧制控制晶粒尺寸大小。其次，为实现铁素体/贝氏体复相组织，要求在快速冷却前，钢中先共析铁素体的体积分数应达到5-60％，如低于5％，则软相铁素体就无法在降低屈服强度方面发挥作用，也就不能降低钢的屈强比，若高于60％，硬相贝氏体或马氏体体积分数较少，无法有效提高钢的抗拉强度。为获得高强贝氏体钢轨，还需进行加速冷却，本发明采用利用轧制余热进行加速冷却。为获得指定含量铁素体，钢轨采用740-820℃高温进入热处理机组，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。最后，钢轨再经过300-450℃，5-12h回火后，贝氏体钢轨抗拉强度≥1350MPa，延伸率≥12％，屈强比≤0.90，组织中含有5-25％的铁素体、65-75％的贝氏体及少量残余奥氏体组织。特别适宜重载铁路用钢轨或是道岔铁路用钢轨。
在下文中，将结合实施例来具体描述本发明中低屈强比高强贝氏体钢轨及其生产方法。
本发明实施例和对比例采用不同的化学成分。
本发明实施例和对比例采用相同化学成分，实施例和对比例采用0.002-0.010％的S入炉铁水，全程保护浇注。浇注后的铸坯进入缓冷坑缓冷。其中，钢坯的化学成分如表1所示。
表1实施例和对比例钢轨化学成分/％
Figure BDA0003333169830000081
表2实施例和对比例钢轨残余元素成分/％
Figure BDA0003333169830000082
Figure BDA0003333169830000091
当实施例和对比例采用不同的加热工艺、轧制工艺、弛豫时间和热处理工艺，如表3所示。
表3实施例和对比例加热、轧制及热处理工艺
Figure BDA0003333169830000092
实施例和对比例钢轨冷却、矫直加工后，采用相同的300-450℃温度回火，回火时间为5-12h。
实施例和对比例按照TB/T 2344《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》要求，按附图3拉伸试样取样位置加工拉伸试样并检验。同时，按附图3所示，金相试样检验位置进行金相组织检验，金相照片如附图4所示。拉伸和金相数据统计如表4所示。
表4实施例和对比例钢轨拉伸性能
Figure BDA0003333169830000101
采用低屈强比贝氏体钢轨的生产方法，提高了贝氏体钢轨强韧性，同时降低了屈服强度，钢轨运行安全性提高。
综上所述，本发明中低屈强比贝氏体钢轨及其生产方法提供了生产轨头拉伸性能和金相分析方法，提升钢轨的综合性能要求。
本发明所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯；采用1250-1300℃高温加热，且加热时间控制在200-500min对所述钢坯进行加热；所述钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120-150mm，终冷温度介于950-1050℃，得到钢轨；所述钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150-300s弛豫时间；在所述热处理机组内，热处理开冷温度范围为740-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。这样，本发明得到的贝氏体钢轨抗拉强度≥1450MPa，延伸率≥12％，屈强比≤0.90，组织中含有5-25％的铁素体、65-75％的贝氏体及少量残余奥氏体和马氏体组织。特别适宜重载铁路用钢轨或是道岔铁路用钢轨。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，包括：
采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯；
采用1250-1300℃高温加热，且加热时间控制在200-500min对所述钢坯进行加热；
所述钢坯在轧制过程中，采用大压下轧制技术，压下量控制在120-150mm，终冷温度介于950-1050℃，得到钢轨；
所述钢轨从终轧机组到热处理机组，停留150-300s弛豫时间；
在所述热处理机组内，热处理开冷温度为740-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为200-250℃。
2.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，还包括：
所述钢轨冷却、矫直加工后，采用300-450℃温度回火，回火时间为5-12h。
3.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯，包括：
在冶炼过程中采用含有0.002-0.010重量％的硫控制。
4.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，采用含有0.1-0.15重量％的碳的钢冶炼工艺冶炼钢坯，包括：
在冶炼过程中全程保护浇铸。
5.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，
所述钢坯的成分包括：0.001-0.02重量％的Sn。
6.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，
所述钢坯的成分包括：0.05-0.15重量％的Cu。
7.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，
所述钢坯的成分包括：0.01-0.02重量％的As。
8.根据权利要求1所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法，其特征在于，
所述钢坯的氢含量≤1.5ppm；道岔钢轨的氧含量≤20ppm；道岔钢轨的氮含量≤60ppm。
9.一种低屈强比高强贝氏体钢轨，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的低屈强比高强贝氏体钢轨生产方法制作而成。
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