納米珠光體鋼軌的制備方法
【專利摘要】一種納米珠光體鋼軌，它是一種鋼內(nèi)部組織為100％珠光體，且珠光體平均片厚度間距為60nm左右的鋼軌，其鋼的化學成分wt％為：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，其余為Fe。它的制備方法主要是將鋼水經(jīng)過精煉，并連鑄連軋成鋼軌，結(jié)合軋后控制冷卻技術，再經(jīng)去應力回火處理。本發(fā)明制造工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)，制備的鋼軌抗拉強度不小于1300MPa，屈服強度不小于1000MPa，硬度HRC44～47，延伸率不小于10％，具有耐磨性能和抗疲勞性能優(yōu)異，特別適合于在重載鐵路線路尤其是急轉(zhuǎn)彎鐵路路段應用以及用做貝氏體鋼組合鐵路轍叉翼軌。
【專利說明】納米珠光體鋼軌的制備方法
[0001]【技術領域】:本發(fā)明屬于鋼鐵材料及其熱加工【技術領域】，特別涉及一種鋼軌的制備方法。
[0002]【背景技術】:21世紀初鐵路運輸開始了全球復興，在運輸方式方面，鐵路是陸地上最環(huán)保、最節(jié)能的運輸方式。目前，為了充分發(fā)揮鐵路運輸?shù)臐摿?，鐵路運輸正向高速和重載方向發(fā)展。鋼軌是軌道結(jié)構的重要部件，鋼軌質(zhì)量的優(yōu)劣直接關系到鐵路運營的安全和效率。為了適應鐵路建設發(fā)展的需要，尤其是重軌線路，迫切要求提高軌道用鋼的強度、耐磨性和抗疲勞性能。一般傳統(tǒng)鋼軌鋼的碳含量在0.6~0.Swt%，屬于共析鋼，其抗拉強度^ 880MPa，硬度為260~300HB，如中國代號為U75Mn鋼軌。為了提高強度與耐磨性，在原有珠光體鋼軌成分基礎上添加Nb、V和稀土等元素，并采用控制軋制等工藝改善其力學性能，如中國專利 CN 96117731.4和 CN 99111744.1，美國專利US 5，658，400, US 4，767，475 等，對應中國代號為U75V、U76NbRe和U77MnCr鋼軌等。這些品種鋼軌的微觀組織均是珠光體組織。其中，應用最廣泛的鋼軌是U75Mn鋼軌和U75V鋼軌，U75V鋼軌與U71Mn鋼軌相比，碳含量提高，又增加了硅及釩元素，因此，U75V鋼軌的強度進一步提高，耐磨性能明顯優(yōu)于U71Mn鋼軌，但是U75V鋼軌的塑韌性卻不及U71Mn鋼軌，同時U71Mn鋼軌的抗疲勞裂紋擴展性能、斷裂韌性以及焊接性能優(yōu)于U75V鋼軌。
[0003]為了進一步提 高鋼軌的使用壽命，近年來，科研人員對鋼軌的合金成分設計進行了大量的研發(fā)和探索，在原有的共析碳含量成分普通鋼軌基礎上，加入(:1^0、￥、11、他、&)、Cu、N1、B、N、Al和Zr等等，并結(jié)合新的軋制工藝和熱處理技術，發(fā)明和研發(fā)出了許多新的綜合性能更高的超細珠光體鋼軌，如美國專利US RE42, 668、US 7，972，451、US 8，361，246、US2004035507-A1 和 US 2003192625-A1 ;中國專利 CN 101818312A 和 CN 1884606A 和CN03800576.X ;日本專利 JP 2005256022-A、JP 2002363696-A 和 JP 7126741-A 等等。這些專利技術不同程度提高了鋼軌的強度以及耐磨性和抗疲勞性能。還有通過軋制后進行特殊的熱處理來提高鋼軌的強度和耐磨性，如中國專利CN 96117731.4，CN1155013等等。另外，通過引入貝氏體組織來提高鋼軌的強韌性，制造出貝氏體鋼軌，如中國專利CN102899471A、CN103160736A和CN102936700A ;美國專利US 5，676，772等等。這些鋼軌的內(nèi)部組織都屬于粗晶或者微晶尺度，沒有達到納米晶尺度，那么相應的鋼軌的性能潛力就沒有充分的挖掘出來。
[0004]研究表明，當珠光體組織細化到納米量級時，其具有很好的綜合力學性能(見Scripta Materialia, 2012，67(1): 53-56)，那么相信具有納米珠光體的鋼軌一定會有高強度的同時，具有優(yōu)異的耐磨性能和抗疲勞性能，然而，常規(guī)的珠光體鋼軌中的珠光體片間距厚度都是在亞微米，甚至是微米量級，所謂的超細珠光體鋼軌的珠光體組織片間距也在150nm以上,要達到納米(〈lOOnm)量級在制造工藝上難度很大。
[0005]也有個別的關于珠光體鋼軌的發(fā)明專利提及了超細珠光體的問題，中國發(fā)明專利CN1884606A主要是通過熱溫變形工藝，珠光體組織的硬度、抗拉強度、延伸率均不高。日本人在中國申請的專利CN1522311A和CN1140473A，在化學成分方面，碳含量的上限分別達
1.2wt%和1.4wt%,Mn含量都很高、且不含鋁，這種成分的鋼軌的內(nèi)部組織就不可能達到納米尺度。為了獲得細珠光體組織的鋼軌，日本專利技術要求鋼軌軋后進行快速冷卻，以避免珠光體組織長大，這樣就給鋼軌實際生產(chǎn)增加了難度，因此不便于生產(chǎn)應用。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明的目的是提供一種制造工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)，而且制造的鋼軌具有高強度、高硬度、高塑性、高耐磨性和高的抗疲勞性能的納米珠光體鋼軌的制備方法。
[0007]本發(fā)明的納米珠光體鋼軌是一種內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體平均片厚度間距為60nm左右的鋼軌，它的化學成分(wt% )為:C:0.83~0.93，Mn:0.05~0.10，Al: (8 ~12)Mn, S1: 1.5—A1，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，Ρ〈0.025，其余為 Fe。
[0008]上述納米珠光體鋼軌的制備方法:
[0009](I)將上述化學成分的鋼水采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。
[0010](2)開始軋制溫度不高于1150°C，軋制變形速率為5~8s—1，單道次變形量為30~50%，總壓縮比應大于10，終軋溫度不低于950°C。
[0011](3)軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫20~30min，接著以30~50°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫30~40min，之后空冷至350°C保溫60~90min，最后空 冷至室溫。
[0012](4)再加熱到250~300°C，保溫60~90min進行去應力回火處理。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點:
[0014]1、制造工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0015]2、制造出的鋼軌，具有十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度不小于1300MPa，屈服強度不小于lOOOMPa，延伸率不小于10%，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能；特別適合于在重載鐵路線路尤其是急轉(zhuǎn)彎鐵路路段應用以及用做貝氏體鋼組合鐵路轍叉翼軌。
【具體實施方式】
[0016]實施例1:將化學成分(wt % )為:C:0.83、Mn:0.05、Al:0.6、S1:0.9、Cr: 1.4、Co:0.11、Zr:0.35、Mg:0.06、Cu:0.05、S:0.013 和 P:0.005，其余為 Fe 的鋼水，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。軋制時開始軋制溫度1140°C，軋制變形速率為6s—1，單道次變形量為32%，總壓縮比為12，終軋溫度960°C。軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫30min，接著以30°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫40min，之后空冷至350°C保溫80，最后空冷至室溫。再加熱到250°C，保溫60min進行去應力回火處理。按照上述制造技術制造出的鋼軌，其內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體片平均間距為60nm，為納米珠光體。從而獲得十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為1350MPa，屈服強度1lOMPa,延伸率11 %，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能。
[0017]實施例2:將化學成分(Wt % )為:C:0.92、Mn:0.09、Al: 1.0、S1:0.5、Cr: 1.1、Co:0.18、Zr:0.52、Mg:0.04、Cu:0.03、S:0.001 和 Ρ:0.011 其余為 Fe 的鋼水，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。軋制時開始軋制溫度1120°C，軋制變形速率為8s—1，單道次變形量為48%，總壓縮比為11，終軋溫度950°C。軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫20min，接著以50°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫30min，之后空冷至350°C保溫60，最后空冷至室溫。再加熱到300°C，保溫90min進行去應力回火處理。按照上述制造技術制造出的鋼軌，其內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體片平均間距為55nm，為納米珠光體。從而獲得十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為1370MPa，屈服強度1050MPa，延伸率12%，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能。
[0018]實施例3:將化學成分(wt % )為:C:0.85、Mn:0.07、Al:0.7、S1:0.8、Cr: 1.3、Co:0.11、Zr:0.35、Mg:0.06、Cu:0.05、S:0.010 和 P:0.005，其余為 Fe 的鋼水，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。軋制時開始軋制溫度1130°C，軋制變形速率為5s—1，單道次變形量為42%，總壓縮比為11，終軋溫度960°C。軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫25min，接著以35°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫35min，之后空冷至350°C保溫70，最后空冷至室溫。再加熱到280°C，保溫70min進行去應力回火處理。按照上述制造技術制造出的鋼軌，其內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體片平均間距為65nm，為納米珠光體。從而獲得十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為1360MPa，屈服強度1030MPa，延伸率12%，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能。
[0019]實施例4:將化學成分(wt % )為:C:0.91、Mn:0.09、Al: 1.0、S1:0.5、Cr: 1.2、Co:0.21、Zr:0.44、Mg:0.05、Cu:0.02、S:0.008 和 P:0.016，其余為 Fe 的鋼水，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。軋制時開始軋制溫度1100°C，軋制變形速率為8s—1，單道次變形量為35%，總壓縮比為12，終軋溫度960°C。軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫25min，接著以40°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫35min，之后空冷至350°C保溫90，最后空冷至室溫。再加熱到290°C，保溫65min進行去應力回火處理。按照上述制造技術制造出的鋼軌，其內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體片平均間距為68nm，為納米珠光體。從而獲得十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為1410MPa，屈服強度1090MPa，延伸率12%，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能。 [0020]實施例5:將化學成分(wt % )為:C:0.90、Mn:0.06、Al:0.7、S1:0.8、Cr: 1.1、Co:0.28、Zr:0.41、Mg:0.05、Cu:0.04、S:0.008 和 P:0.015，其余為 Fe 的鋼水，采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌。軋制時開始軋制溫度1100°C，軋制變形速率為7s—1，單道次變形量為45%，總壓縮比為12，終軋溫度955°C。軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫27min，接著以45°C /min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫35min，之后空冷至350°C保溫75，最后空冷至室溫。再加熱到250°C，保溫85min進行去應力回火處理。按照上述制造技術制造出的鋼軌，其內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體片平均間距為70nm，為納米珠光體。從而獲得十分優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為1420MPa，屈服強度llOOMPa，延伸率12%，同時具有優(yōu)異的耐磨和抗疲勞性能。
【權利要求】
1.一種納米珠光體鋼軌，其特征在于:它是一種鋼內(nèi)部組織為100%珠光體，且珠光體平均片厚度間距為60nm左右的鋼軌，其鋼的化學成分被％為:C:0.83~0.93, Mn:0.05~0.10，Al: (8 ~12) Mn，S1: 1.5-A1，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，Ρ〈0.025，其余為 Fe。
2.權利要求1所述的納米珠光體鋼軌的制備方法，其特征在于: (1)將上述成分的鋼水采用堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉并經(jīng)爐外精煉和真空脫氣處理，在保護氣氛下進行連鑄連軋成鋼軌； (2)開始軋制溫度不高于1150°C，軋制變形速率為5~8s—1，單道次變形量為30~50%，總壓 縮比應大于10，終軋溫度不低于950°C ； (3)軋后空冷至軌頭溫度為850°C保溫20~30min，接著以30~50°C/min的冷速冷至軌頭溫度不高于550°C保溫30~40min，之后空冷至350°C保溫60~90min，最后空冷至室溫； (4)再加熱到250~300°C，保溫60~90min進行去應力回火處理。
【文檔編號】C22C38/28GK104032222SQ201410285670
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】張福成, 劉碩, 康杰, 楊志南, 呂博, 鄭煬曾 申請人:燕山大學