本發(fā)明涉及低合金高強(qiáng)鋼。更具體地，涉及一種高強(qiáng)度、高韌性，并具有良好耐大氣和環(huán)境腐蝕的中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼、鋼軌及制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著鐵路朝高速重載方向發(fā)展，現(xiàn)有珠光體型鋼軌無(wú)法滿足鐵路發(fā)展需求，新型貝氏體鋼軌已成為國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。目前，大量相關(guān)貝氏體鋼軌的研究著眼于力學(xué)性能的提高，但未能充分考慮不同環(huán)境下對(duì)鋼軌服役性能的差異要求。而在我國(guó)南方潮濕地區(qū)、沿海高鹽分地區(qū)、長(zhǎng)距離隧道等濕度大的環(huán)境中及海洋性氣候區(qū)域等環(huán)境中，現(xiàn)有鋼軌因腐蝕造成的病害十分嚴(yán)重，因此，針對(duì)上述大氣及環(huán)境腐蝕服役條件，急需開(kāi)發(fā)高性能耐腐蝕的貝氏體鋼軌產(chǎn)品，以提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)鐵路發(fā)展需求。要在復(fù)雜長(zhǎng)鐵路線上具有優(yōu)良的耐磨損、抗疲勞、抗腐蝕等綜合服役性能，貝氏體鋼軌需同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性配合和良好耐腐蝕能力。目前，絕大多數(shù)貝氏體鋼軌產(chǎn)品研發(fā)主要關(guān)注其強(qiáng)韌性、耐磨性或抗疲勞性能等，公開(kāi)的報(bào)道中，僅公開(kāi)號(hào)為cn102719762a的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)注重了貝氏體鋼軌的耐環(huán)境腐蝕性能。該申請(qǐng)主要通過(guò)3.2-4.0wt％cr元素發(fā)揮耐腐蝕作用，再輔以少量ni和cu元素(0.1-0.3wt％ni，0.25-0.60wt％cu)，以提高鋼軌的耐腐蝕性能。但是該專利更側(cè)重于兼顧鋼軌的高強(qiáng)度和耐腐蝕性能，而所申請(qǐng)保護(hù)的鋼軌韌性水平可提高的空間較大，在強(qiáng)度1350mpa水平下，其常溫沖擊功僅aku2≥40j，最高沖擊韌性為60j。因此，為順應(yīng)鐵路發(fā)展趨勢(shì)，解決目前國(guó)內(nèi)外貝氏體鋼軌開(kāi)發(fā)過(guò)程中的存在的缺陷與不足，需要提供一種1300mpa級(jí)高強(qiáng)度高韌性貝氏體耐蝕鋼。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼。本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。該鋼軌兼具高的強(qiáng)度、高的韌性和好的耐腐蝕性。本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌的制備方法。為達(dá)到上述第一個(gè)目的，本發(fā)明提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼，按質(zhì)量百分比，其組成包含：c：0.10-0.40％，mn：1.50-3.00％，si：0.50-1.50％，cr：0.50-1.50％，mo：0.35-1.20％，ni：0.50-1.20％，cu：0.25-0.60％，s：≤0.010％，p：≤0.020％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)元素，顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，其中，ni/cu＞1.8。優(yōu)選地，按質(zhì)量百分比，其組成包含：c：0.20-0.40％，mn：1.8-3.00％，si：0.50-1.50％，cr：0.80-1.50％，mo：0.35-1.20％，ni：0.70-1.20％，cu：0.51-0.60％，s：0.0001-0.010％，p：0.0005-0.020％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)元素，顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，其中，ni/cu＞1.8。優(yōu)選地，按重量百分比，所述組成還包含0.005-0.030％的re元素。本發(fā)明中，碳元素：鋼中典型的強(qiáng)化元素，在提高強(qiáng)度的同時(shí)能大大提高鋼種的淬透性，但不利于鋼種的耐大氣腐蝕性能，同時(shí)過(guò)高量時(shí)會(huì)不利于焊接性能。錳元素：有固溶強(qiáng)化的作用，能顯著延緩高溫區(qū)的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而對(duì)中低溫區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響較小，在其他元素共同作用下，達(dá)到一定含量時(shí)(≥1.5wt％)，能將鋼種cct曲線的高溫珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)分離，并使得鋼種的cct曲線上出現(xiàn)上下與左右方向俱完全分開(kāi)的典型的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，大大增加了鋼種淬透性，有利于尺寸較厚產(chǎn)品從奧氏體化高溫空冷即可獲得性能優(yōu)良的貝氏體組織，便于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝和降低成本。此外，增加錳元素含量，有利于提高鋼的耐點(diǎn)蝕能力和對(duì)海洋大氣的耐蝕性。硅元素：起到固溶強(qiáng)化作用，有利于提高強(qiáng)度?？梢种拼嘈缘奶蓟镂龀觯陧g塑性配合良好的殘余奧氏體膜的形成。硅可阻止銹層中酸的形成，使得內(nèi)銹層致密，阻礙氯離子的侵入，提高抗腐蝕能力。與其他元素如cu、cr配合使用可改善鋼的耐候性。鉻元素：具有固溶強(qiáng)化的作用，有利于強(qiáng)度的提高。同時(shí)，鉻元素能提高鋼種的淬透性，有利于鋼軌軌頭部分內(nèi)外性能的均勻一致。鉬元素：具有固溶強(qiáng)化的作用。能強(qiáng)烈提高鋼種的淬透性，有利于鋼軌在軋制后空冷條件下即可獲得貝氏體組織和性能的均勻一致性。此外，鉬使得鋼的銹層致密，可提高鋼在海洋大氣環(huán)境中的抗腐蝕能力。銹層中的mo可抑制氯離子的侵入，使得氯離子集中于銹層外部。鉬元素過(guò)少，小于0.35％時(shí)，上述提高抗環(huán)境腐蝕能力效果不明顯，而其含量過(guò)多，大于1.2％時(shí)，會(huì)明顯提高材料的制造成本。鎳元素：有利于鋼的韌性，尤其是低溫沖擊韌性的提高。同時(shí)是一種比較穩(wěn)定的元素，能使得鋼的自腐蝕點(diǎn)位相正方向變化，增強(qiáng)了鋼的穩(wěn)定性，有利于耐蝕性的提高。當(dāng)鋼中含有cu元素時(shí)，ni元素的適當(dāng)加入可抑制由于cu元素的存在而導(dǎo)致的“銅脆”現(xiàn)象。鎳元素過(guò)少，小于0.70％時(shí)，上述提高低溫沖擊韌性效果不明顯，且可能無(wú)法完全抑制“銅脆”現(xiàn)象的發(fā)生，為保證不會(huì)發(fā)生銅脆現(xiàn)象，要ni/cu>1.8；而其含量過(guò)多，大于1.2％時(shí)，會(huì)明顯提高材料的制造成本。銅元素：典型的改善鋼耐環(huán)境大氣腐蝕性能的元素。但其存在可能會(huì)導(dǎo)致鋼軌生產(chǎn)過(guò)程中的“銅脆”現(xiàn)象發(fā)生，需采取一定措施進(jìn)行預(yù)防。re元素：稀土元素re在鋼中可起到凈化晶界、變質(zhì)夾雜物和細(xì)化晶粒的作用，有利于強(qiáng)度和韌性的提高，進(jìn)而有利于提高鋼種的耐磨損和抗接觸疲勞等服役性能。本發(fā)明中，貝氏體鋼軌鋼成分及含量的確定，是在基于同時(shí)兼顧鋼的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性的要求，主要通過(guò)添加ni、cu、mo元素的綜合作用，控制ni/cu＞1.8，結(jié)合原料中各元素的合理配比，使得貝氏體鋼在具有好的耐腐蝕性的同時(shí)，還具有高的強(qiáng)度和韌性。進(jìn)一步地，在該特定組成的條件下，添加一定量的re元素，更好的改善了所得貝氏體鋼的強(qiáng)度、韌性等。為達(dá)到上述第二個(gè)目的，本發(fā)明提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，該貝氏體鋼軌是由上述中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成。為達(dá)到上述第三個(gè)目的，本發(fā)明提供一種中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌的制備方法，包括如下步驟：將具有上述組成的中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的原料采用煉鋼工藝進(jìn)行冶煉、鑄造，得鑄坯；將鑄坯加熱至1150-1250℃，保溫2-3小時(shí)，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度≥900℃；將鋼軌原型連續(xù)冷卻至室溫，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。優(yōu)選地，所述連續(xù)冷卻的速度小于所述的中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的cct曲線中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度。采用低于cct臨界冷卻速度進(jìn)行連續(xù)冷卻，可使得鋼軌在連續(xù)冷卻到室溫時(shí)即可獲得貝氏體/馬氏體的復(fù)相組織。此外，相對(duì)于常規(guī)冷卻過(guò)程中進(jìn)行的等溫處理，本專利采取的連續(xù)冷卻工藝，可使得該過(guò)程中先形成的貝氏體組織起到明顯分割原奧氏體晶粒，細(xì)化顯微組織的效果，進(jìn)而有利于同時(shí)提高強(qiáng)度、韌性、塑性等綜合力學(xué)性能。優(yōu)選地，所述連續(xù)冷卻的方法為空冷、霧冷或風(fēng)冷中的一種或幾種。優(yōu)選地，所述鑄造的方式為連鑄或模鑄。優(yōu)選地，所述方法還包括：在將鋼軌原型連續(xù)冷卻至室溫后，再進(jìn)行熱處理，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。優(yōu)選地，所述熱處理為回火處理，回火處理的溫度≤400℃。進(jìn)一步地，回火處理的溫度可為250-400℃等。優(yōu)選地，所述回火處理的保溫時(shí)間大于3小時(shí)。本發(fā)明中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌的顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，其力學(xué)性能指標(biāo)如下：屈服強(qiáng)度rp0.2≥1150mpa，抗拉強(qiáng)度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，沖擊功aku2(常溫)≥80j，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性配合水平。本發(fā)明中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌耐腐蝕性能指標(biāo)如下：在鹽霧腐蝕試驗(yàn)條件下，平均腐蝕速率低至0.68g/(m2h)，相對(duì)于u71mn鋼軌鋼的平均腐蝕速率降低50％以上，可大幅提高鋼軌在大氣和腐蝕環(huán)境下的使用壽命。本發(fā)明的有益效果如下：1、本發(fā)明中通過(guò)對(duì)原料的合理選擇以及原料添加量的精確控制，進(jìn)一步結(jié)合本發(fā)明的制備方法，與現(xiàn)有貝氏體耐腐蝕鋼軌相比，本發(fā)明制備得到的貝氏體鋼軌，在保持同強(qiáng)度水平前提下，可大幅度增加鋼軌的韌性水平，同時(shí)可進(jìn)一步提高鋼軌的塑性和耐大氣腐蝕能力，進(jìn)而有利于提高鋼軌的耐磨損、抗腐蝕等綜合服役性能。2、本發(fā)明的抗震鋼筋屈服強(qiáng)度rp0.2≥1150mpa，抗拉強(qiáng)度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，沖擊功aku2(常溫)≥80j。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖1示出本發(fā)明實(shí)施例1制備得到的中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌內(nèi)部的顯微組織照片。具體實(shí)施方式為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。表1示出了以下各實(shí)施例及對(duì)比例中的中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的組分含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))表1不同實(shí)施例制備的耐腐蝕貝氏體鋼的組分及含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))實(shí)施例1中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用連鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為950℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用空冷的方式，以平均6℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在400℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌內(nèi)部的顯微組織照片如圖1所示。從圖1可知，本發(fā)明的1300mpa級(jí)高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕貝氏體鋼軌的顯微組織為貝氏體+馬氏體復(fù)相組織。實(shí)施例2中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用連鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1250℃，保溫3h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為900℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用風(fēng)冷的方式，以平均5℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在350℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實(shí)施例3中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用模鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為980℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用空冷的方式，以平均4℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在320℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實(shí)施例4中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用模鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為930℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用空冷的方式，以平均3℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在280℃溫度下，回火處理4h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實(shí)施例5中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用模鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1150℃，保溫4h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為950℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用霧冷的方式，以平均3℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在250℃溫度下，回火處理6h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實(shí)施例6中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示。該鋼軌的制備方法如下：1)按照表1中本實(shí)施例的配方，采用常規(guī)的煉鋼工藝，由轉(zhuǎn)爐或電爐進(jìn)行冶煉和精煉，再采用模鑄的方式進(jìn)行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經(jīng)開(kāi)坯、粗軋、精軋后，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為980℃；3)將鋼軌原型連續(xù)采用霧冷的方式，以平均4℃/s的冷速連續(xù)冷卻至室溫；4)在320℃溫度下，回火處理4h，得中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。對(duì)比例1重復(fù)實(shí)施例1，區(qū)別在于，將步驟3)中的鋼以6℃/s速度冷卻到500℃進(jìn)行保溫4小時(shí)，然后空冷到室溫，其余條件不變，制備得到中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。對(duì)比例2中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼制成，其中，該中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，ni/cu為0.94。其制備方法同實(shí)施例4，制備得到中低碳高強(qiáng)高韌耐蝕貝氏體鋼軌。制備過(guò)程中，出現(xiàn)少量鋼軌開(kāi)裂現(xiàn)象。。試驗(yàn)例1力學(xué)性能測(cè)試通過(guò)萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，分別測(cè)定了各實(shí)施例制備的貝氏體耐腐蝕鋼軌試樣的力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示。由表2可知，本發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕貝氏體鋼軌的屈服強(qiáng)度rp0.2≥1150mpa，抗拉強(qiáng)度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，沖擊功aku2(常溫)≥80j，具有高強(qiáng)度、高韌性和高塑性的良好匹配。表2各實(shí)施例及對(duì)比例制備的耐腐蝕貝氏體鋼軌的力學(xué)性能試驗(yàn)例2耐腐蝕性能測(cè)試通過(guò)鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鋼軌的耐腐蝕性能。鹽霧腐蝕條件為：50±10g/l的nacl水溶液，ph值為6.5-7.2，溫度35℃，采用連續(xù)噴霧方法，實(shí)驗(yàn)持續(xù)1個(gè)月時(shí)間，結(jié)果如表3所示。表3各實(shí)施例及對(duì)比例制備的耐腐蝕貝氏體鋼軌的鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)性能實(shí)施例腐蝕速率g/(m2h)相對(duì)u71mn耐腐蝕速率實(shí)施例10.83157％實(shí)施例20.71183％實(shí)施例30.53245％實(shí)施例40.6217％實(shí)施例50.76171％實(shí)施例60.52248％平均0.65203％現(xiàn)有u71mn1.3100％對(duì)比例10.82158％顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。當(dāng)前第1頁(yè)12