CN116555669B - 一种铌微合金化高强贝氏体钢轨及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铌微合金化高强贝氏体钢轨及其生产方法，其中铌微合金化高强贝氏体钢轨的化学成分按质量百分比计为：C：0.19～0.22％；Si：0.92～0.95％；Mn：2.10～2.30％；P≤0.018％；S≤0.010％；Nb：0.02～0.05％；Cr：0.87～0.92％；Ni：0.04～0.06％；Mo：0.36～0.39％，其余为Fe及不可避免的杂质；本发明公开的生产方法中通过添加少量的Nb合金来代替大量的Ni合金，能够明显降低生产成本，且能够进一步优化钢轨的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于钢轨生产及应用领域，具体涉及一种铌微合金化低成本高强贝氏体钢轨及其生产方法。
背景技术
我国铁路正面向高速化、大运量化发展，对于钢轨的耐磨性、韧性和安全性等指标逐步提升，铁路线一般使用U75V和U71Mn作为道岔钢轨，但随着客货混运和货运重载线路的不断发展，对道岔的使用寿命提出了更高的要求，尖轨和辙叉在车轮强大的冲击下，接触应力达到甚至超过1400MPa，接触表面经常出现剥离掉块的显现，是钢轨使用寿命受到很大的影响。采用贝氏体辙叉钢轨在保证高强度的条件下，仍然能保持很高的韧性，极大的延长辙叉钢轨使用寿命，相比珠光体型道岔钢轨，使用寿命可提高3倍以上，并且韧性的提高，极大的保证了列车的运行安全性。然而，目前的贝氏体钢轨的生产成本较高，限制了贝氏体钢轨的大规模生产和使用，因此，开发一种低成本高强贝氏体钢轨具有重要的经济价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明一个方面提供一种铌微合金化高强贝氏体钢轨，其化学成分按质量百分比计为：C：0.19～0.22％；Si：0.92～0.95％；Mn：2.10～2.30％；P≤0.018％；S≤0.010％；Nb：0.02～0.05％；Cr：0.87～0.92％；Ni：0.04～0.06％；Mo：0.36～0.39％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述铌微合金化高强贝氏体钢轨的力学性能满足：屈服强度≥1000MPa、抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12％，踏面硬度370～440HBW，室温冲击功≥70J。
在一些实施方式中，所述铌微合金化高强贝氏体钢轨的力学性能满足：屈服强度≥1137MPa、抗拉强度≥1366MPa，延伸率≥14.5％，踏面硬度404～440HBW，室温冲击功≥95J。
本发明另一方面提供一种铌微合金化高强贝氏体钢轨的生产方法，其包括以下工艺：
1)铁水预处理：铁水中的硫含量≤0.010％，磷含量≤0.10％；
2)转炉冶炼：控制出钢C含量≥0.10％，出钢温度≥1560℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象；
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作；
4)VD真空脱气：深真空脱气时间≥20min，真空脱气后软吹≥20min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露；
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.60～0.68m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量；
6)钢坯加热：加热时间≥4小时，加热温度≥1220℃；
7)钢坯轧制：开轧温度1120～1140℃，终轧温度920～980℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.25～0.35℃/s的冷速冷却至室温，采用270～280℃+22～24小时回火热处理，钢轨回火热处理后缓慢冷却至室温。
本发明的优点在于：本发明提供一种铌微合金化低成本高强贝氏体钢轨，其通过添加少量的Nb合金代替传统贝氏体钢轨中大量的Ni合金，并通过优化钢轨的其他成分的含量，结合控制生产工艺，能够在保证或者进一步优化钢轨的综合力学性能的前提下，显著降低钢轨的生产成本。本发明提供的铌微合金化低成本高强贝氏体钢轨的力学性能可满足：屈服强度≥1000MPa、抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12％，踏面硬度370～440HBW，室温冲击功≥70J，优选满足：屈服强度≥1137MPa、抗拉强度≥1366MPa，延伸率≥14.5％，踏面硬度404～440HBW，室温冲击功≥95J，该钢轨不仅具有高强度和高硬度，并且具有良好的韧性，适用于重载铁路线，小曲线半径、线路条件苛刻、钢轨滚动接触疲劳伤损严重的线路。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的内容，实施例旨在有助于理解本发明，而不在于限制本发明的内容。
实施例1：
该实施例主要按照以下工艺步骤生产化学成分如下所述的特定贝氏体钢轨：C：0.20％；Si：0.93％；Mn：2.22％；P：0.012％；S：0.008％；Cr：0.89％；Ni：0.05％；Mo：0.38％；Nb：0.03％，其余为Fe及不可避免的杂质；
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.01％，磷含量0.10％。
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.10％，出钢温度1567℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象。
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作。
4)VD真空脱气：深真空脱气时间28min，真空脱气后软吹25min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.64m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量。
6)钢坯加热：加热时间4.5小时，加热温度1262℃。
7)钢坯轧制：开轧温度1135℃，终轧温度953℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.3℃/s的冷速冷却至室温，采用280℃+24小时回火热处理，回火热处理后钢轨缓慢冷却至室温。
钢轨冷却后检测力学性能，钢轨屈服强度1145MPa、抗拉强度1371MPa，踏面硬度408HBW，延伸率14.5％，室温冲击功98J，金相组织为贝氏体、马氏体和微量残余奥氏体。
实施例2
该实施例主要按照以下工艺步骤生产化学成分如下所述的特定贝氏体钢轨：C：0.22％；Si：0.92％；Mn：2.30％；P：0.012％；S：0.010％；Cr：0.87％；Ni：0.06％；Mo：0.36％；Nb：0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质；
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.01％，磷含量0.10％。
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.10％，出钢温度1565℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象。
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作。
4)VD真空脱气：深真空脱气时间28min，真空脱气后软吹25min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.68m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量。
6)钢坯加热：加热时间4.5小时，加热温度1260℃。
7)钢坯轧制：开轧温度1130℃，终轧温度951℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.3℃/s的冷速冷却至室温，采用280℃+24小时回火热处理，回火热处理后钢轨缓慢冷却至室温。
钢轨冷却后检测力学性能，钢轨屈服强度1148MPa、抗拉强度1374MPa，踏面硬度409HBW，延伸率15.0％，室温冲击功98J，金相组织为贝氏体、马氏体和微量残余奥氏体。
实施例3
该实施例主要按照以下工艺步骤生产化学成分如下所述的特定贝氏体钢轨：C：0.19％；Si：0.95％；Mn：2.10％；P：0.012％；S：0.008％；Cr：0.92％；Ni：0.04％；Mo：0.39％；Nb：0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.01％，磷含量0.10％。
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.10％，出钢温度1560℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象。
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作。
4)VD真空脱气：深真空脱气时间28min，真空脱气后软吹25min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.60m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量。
6)钢坯加热：加热时间4.5小时，加热温度1260℃。
7)钢坯轧制：开轧温度1135℃，终轧温度953℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.3℃/s的冷速冷却至室温，采用280℃+24小时回火热处理，回火热处理后钢轨缓慢冷却至室温。
钢轨冷却后检测力学性能，钢轨屈服强度1137MPa、抗拉强度1366MPa，踏面硬度404HBW，延伸率14.5％，室温冲击功95J，金相组织为贝氏体、马氏体和微量残余奥氏体。
对比例1
该对比例主要按照以下工艺步骤生产化学成分如下所述的特定贝氏体钢轨：C：0.20％；Si：0.93％；Mn：2.22％；P：0.012％；S：0.008％；Cr：0.89％；Ni：0.60％；Mo：0.38％，其余为Fe及不可避免的杂质；
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.01％，磷含量0.10％。
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.10％，出钢温度1567℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象。
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作。
4)VD真空脱气：深真空脱气时间28min，真空脱气后软吹25min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.64m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量。
6)钢坯加热：加热时间4.5小时，加热温度1262℃。
7)钢坯轧制：开轧温度1135℃，终轧温度953℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.3℃/s的冷速冷却至室温，采用280℃+24小时回火热处理，回火热处理后钢轨缓慢冷却至室温。
钢轨冷却后检测力学性能，屈服强度1142MPa、抗拉强度1356MPa，延伸率15％，踏面硬度391HBW，室温冲击功89J，金相组织为贝氏体、马氏体和微量残余奥氏体。
对比例2
该对比例主要按照以下工艺步骤生产化学成分如下所述的特定贝氏体钢轨：C：0.20％；Si：0.93％；Mn：2.22％；P：0.012％；S：0.008％；Cr：0.89％；Ni：0.05％；Mo：0.38％，其余为Fe及不可避免的杂质；
1)铁水预处理：铁水中的硫含量0.01％，磷含量0.10％。
2)转炉冶炼：控制出钢C含量0.10％，出钢温度1567℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象。
3)LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作。
4)VD真空脱气：深真空脱气时间28min，真空脱气后软吹25min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露。
5)连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.64m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量。
6)钢坯加热：加热时间4.5小时，加热温度1262℃。
7)钢坯轧制：开轧温度1135℃，终轧温度953℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.3℃/s的冷速冷却至室温，采用280℃+24小时回火热处理，回火热处理后钢轨缓慢冷却至室温。
钢轨冷却后检测力学性能，屈服强度986MPa、抗拉强度1206MPa，踏面硬度358HBW，延伸率15.5％，室温冲击功63J，金相组织为贝氏体、马氏体和微量残余奥氏体。
通过实施例1与对比例1-2相比较，可知对比例1采用传统贝氏体成分范围及生产控制工艺，成品钢轨性能符合目标要求，对比例2在传统贝氏体成分范围的基础上减少了Ni含量，钢轨的强度和韧性均大幅降低，不符合性能目标要求，实施例1在对比例2的基础上添加少量的Nb元素，可有效的替代对比例1中的0.6％的Ni元素，通过Nb在低碳钢中的固溶强化作用，有效的提高钢轨强韧性，使得实施例1中的成品钢轨力学性能符合目标要求，甚至可进一步优化钢轨的力学性能，并且大幅度的降低合金元素的加入量，有效的降低生产成本，经济适用性优良。实施例2-3得到了与实施例1一致的结果，所生产的钢轨的力学性能均满足：屈服强度≥1000MPa、抗拉强度≥1280MPa，延伸率≥12％，踏面硬度370～440HBW，室温冲击功≥70J，优选满足：屈服强度≥1137MPa、抗拉强度≥1366MPa，延伸率≥14.5％，踏面硬度404～440HBW，室温冲击功≥95J，该钢轨不仅具有高强度和高硬度，并且具有良好的韧性，适用于重载铁路线，小曲线半径、线路条件苛刻、钢轨滚动接触疲劳伤损严重的线路。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种铌微合金化高强贝氏体钢轨，其特征在于，所述铌微合金化高强贝氏体钢轨的化学成分按质量百分比计为：C：0.19～0.22%；Si：0.92～0.95%；Mn：2.10～2.30%；P≤0.018%；S≤0.010%；Nb：0.02～0.05%；Cr：0.87～0.92%；Ni：0.04～0.06%；Mo：0.36～0.39%，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述铌微合金化高强贝氏体钢轨的力学性能满足：屈服强度≥1137MPa、抗拉强度≥1366MPa，延伸率≥14.5%，踏面硬度404～440 HBW，室温冲击功≥95J；
所述铌微合金化高强贝氏体钢轨的生产方法包括以下工艺：
1）铁水预处理：铁水中的硫含量≤0.010%，磷含量≤0.10%；
2）转炉冶炼：控制出钢C含量≥0.10%，出钢温度≥1560℃，出钢后加入白灰、硅钙钡和萤石，进行脱氧和对炉渣改质，出钢过程中保证吹氩效果，钢水精炼就位时顶渣没有结坨现象；
3）LF炉精炼：根据转炉钢水成分及温度进行脱硫，成分微调及升温操作；
4）VD真空脱气：深真空脱气时间≥20min，真空脱气后软吹≥20min，软吹过程氩气流量稳定，钢液蠕动并无裸露；
5）连铸：连铸过程采用保护浇铸，采用低铝保护渣，二冷段采用弱冷配水，全程恒拉速操作，拉速0.60～0.68 m/min，开启铸机电磁搅拌和轻压下，保证铸坯质量；
6）钢坯加热：加热时间≥4小时，加热温度≥1220℃；
7）钢坯轧制：开轧温度1120～1140℃，终轧温度920～980℃，钢坯经过13道次轧制，终轧后进入冷床以0.25～0.35℃/s的冷速冷却至室温，采用270～280℃+22～24小时回火热处理，钢轨回火热处理后缓慢冷却至室温。
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