一種超低磷貝氏體鋼及其貝氏體鋼軌的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鐵路用鋼技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種超低磷貝氏體鋼及其貝氏體鋼軌。
【背景技術(shù)】
[0002]重載高速鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國鐵路部門的廣泛重視；隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的逐步實施，我國的重載高速鐵路逐漸進(jìn)入快速發(fā)展的新時期。為了進(jìn)一步提高運(yùn)載效率、降低運(yùn)載成本，重載列車的軸重、行車速度和頻率不斷增加，在這種情況下輪軌之間的磨損和接觸疲勞等損傷將會愈加嚴(yán)重，因而對鋼軌材料的要求越來越苛刻。傳統(tǒng)的珠光體鋼軌由于強(qiáng)度不足、韌性較差、抗接觸疲勞損傷不佳等，很難滿足重載高速鐵路建設(shè)的新需求。
[0003]在此背景下，很多科技工作者開始關(guān)注貝氏體鋼軌的研制與生產(chǎn)。例如，北京特冶工貿(mào)有限責(zé)任公司申請了 “曲線和重載鋼軌用貝氏體鋼和貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法”(CN101921971A)，但由于對P的含量控制不明，生成的鋼軌的性能不穩(wěn)定，特別是鋼軌的脆性會增加；且其采用風(fēng)冷以冷速為10-20°C /分鐘冷卻，獲得鋼軌的強(qiáng)度低，僅為1200-1300MPa,不能滿足日益發(fā)展的重載鐵路建設(shè)。新日本制鐵株式會社的申請“具有優(yōu)異的耐滾動疲勞損傷性的貝氏體系高強(qiáng)鋼軌的制造方法”(CN1095421A)采用“從、區(qū)域溫度以上以1-10°C /秒冷卻鋼軌上端，在500-300°C間停止加速冷卻”，但由于鋼軌形狀復(fù)雜，在高溫階段采用快速冷卻會造成鋼軌不同部位產(chǎn)生溫度梯度，引起鋼軌劇烈的彎曲變形，而且后續(xù)難以矯直。鞍鋼股份有限公司的申請“具有優(yōu)異的抗疲勞性能的貝氏體組織的鋼軌及其生產(chǎn)方法”(CN1978690A)采用“熱軋后在空氣中自然冷卻”必然會引起天氣氣候?qū)鋮s速度的影響，進(jìn)而造成性能不穩(wěn)定，且其組分配比不理想。
[0004]一般認(rèn)為，殘余奧氏體是決定貝氏體鋼軌最終性能的重要因素。殘余奧氏體可以產(chǎn)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng)(TRIP)、阻礙裂紋擴(kuò)展效應(yīng)(BPC)和吸收位錯效應(yīng)(DARA)以及其作為主要的“氫陷阱”可顯著地阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而提高貝氏體鋼軌的耐磨性和抗接觸疲勞的性能。然而不穩(wěn)定的殘余奧氏體在服役過程中，即使在很小的應(yīng)變下也會誘發(fā)轉(zhuǎn)變成馬氏體并釋放出氫，這會加快鋼軌微裂紋的擴(kuò)展和表層剝落，因此對鋼軌的服役性能極為不利，因此調(diào)控貝氏體鋼軌中的殘余奧氏體，提高其穩(wěn)定性具有關(guān)鍵意義。
[0005]本申請的發(fā)明人以朔黃鐵路用貝氏體鋼軌為例進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于該鋼軌的合金組分設(shè)計和熱處理工藝不能完全匹配，造成晶界弱化和殘余奧氏體的穩(wěn)定性不足等問題，進(jìn)而誘發(fā)了鋼軌的接觸疲勞損傷(如核傷、剝離傷損等)，造成鋼軌性能不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的第一個目的是提供一種超低磷貝氏體鋼。采用本發(fā)明的磷元素含量低且合金組分設(shè)計合理的原料組分加工鋼軌，能有效避免鋼軌出現(xiàn)晶界弱化。
[0007]本發(fā)明的第二個目的是提供一種用上述超低磷貝氏體鋼制成的超低磷貝氏體鋼軌。
[0008]一種超低磷貝氏體鋼，其合金元素含量，按質(zhì)量百分比，包括:
[0009]C:0.15-0.22wt %, Μη:2.15-2.35wt %，S1:0.6-1.5wt %，Cr:0.3-0.6wt %, Ni:0-0.6wt%, Mo:0.04-0.48wt%, P:0.001-0.012wt%, S:0.001-0.020wt%,
[0010]剩余部分為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且Mo與P的比值不小于40。
[0011]采用本發(fā)明的磷元素含量低且合金組分設(shè)計合理的原料組分加工鋼軌，能有效避免鋼軌出現(xiàn)晶界弱化。
[0012]一種超低磷貝氏體鋼軌，由上述超低磷貝氏體鋼制成。
[0013]進(jìn)一步地，所述超低磷貝氏體鋼軌的制備包括以下步驟:
[0014]1)將上述超低磷貝氏體鋼加工成鋼軌；
[0015]2)將鋼軌冷卻至鋼軌踏面溫度為貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)以上的溫度；
[0016]3)將鋼軌踏面以0.5-8°C /秒的冷卻速度冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ms)和馬氏體結(jié)束溫度(Mf)之間的溫度，之后將鋼軌踏面升溫至貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)和貝氏體結(jié)束溫度(Bf)之間的溫度并保持10-60分鐘，之后將鋼軌踏面冷卻至室溫；
[0017]4)將鋼軌回火，得到超低磷貝氏體鋼軌。
[0018]本發(fā)明通過采用磷元素含量低且合金組分設(shè)計合理的原料組分，并控制加工工藝，尤其是控制熱處理工藝，避免了晶界弱化和殘余奧氏體穩(wěn)定性不足的問題，得到了強(qiáng)度高、強(qiáng)韌性良好、抗脆斷的貝氏體鋼軌。只有當(dāng)鋼軌踏面冷卻速度為0.5-8°C/秒時，才能使鋼軌踏面及踏面以下15mm范圍內(nèi)在冷卻過程中得到貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織，提高鋼軌的強(qiáng)度。保持時間在10-60分鐘內(nèi)時，才能使碳從馬氏體和貝氏體中向奧氏體中分配，得到穩(wěn)定的殘余奧氏體組織。
[0019]所述88、8118、1^是將上述超低磷貝氏體鋼制成鋼坯，測定鋼坯的88、8118、1?.。測定方法可參考YB/T5128-1993《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測定方法(膨脹法)》。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟1)中將超低磷貝氏體鋼加工成鋼軌是:將超低磷貝氏體鋼經(jīng)轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，再經(jīng)RH+LF復(fù)合精煉，連鑄和熱軋成鋼軌。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟2)是將鋼軌冷卻至貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)以上30-110°C的溫度(簡稱為冷卻溫度)。若冷卻溫度太低(即太接近Bs點(diǎn))，則不足以產(chǎn)生足夠的過冷度細(xì)化貝氏體組織；若冷卻溫度太高(例如Bs以上120°C )，則后續(xù)快速冷卻的時間將延長，造成能源浪費(fèi)。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟2)是將鋼軌以0.1-0.5°C /秒的冷卻速度冷卻至鋼軌踏面溫度為貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)以上的溫度。這種冷卻速度可避免急速冷速而造成的鋼軌彎曲。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟2)是將鋼軌自然冷卻至鋼軌踏面溫度為貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Bs)以上的溫度。自然冷卻可節(jié)約能源且能避免急速冷卻。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟3)中，在保持10-60分鐘后將鋼軌踏面以0.1_0.5°C/秒的冷卻速度冷卻至室溫。這種冷卻速度可避免急速冷速而造成的鋼軌彎曲。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟3)中，在保持10-60分鐘后將鋼軌踏面自然冷卻至室溫。自然冷卻可節(jié)約能源且能避免急速冷卻。
[0026]優(yōu)選地，所述步驟4)中將鋼軌回火是:將鋼軌在200-300°C回火2_10小時，得到超低磷貝氏體鋼軌。將鋼軌回火的目的是為了釋放殘余應(yīng)力并提高殘余奧氏體穩(wěn)定性。過低的回火溫度或過短的回火時間很難釋放殘余應(yīng)力，過高的回火溫度或過長的回火時間會促進(jìn)碳化物析出，不利于殘余奧氏體的穩(wěn)定。
[0027]本發(fā)明的有益效果如下:
[0028]1、本發(fā)明的超低磷貝氏體鋼和貝氏體鋼軌通過控制磷的含量同時控制Mo/P比，有效的預(yù)防了貝氏體鋼和貝氏體鋼軌的脆斷，特別是在低溫下的脆斷。
[0029]2、本發(fā)明通過采用組分精確的、加工工藝精確控制(尤其是熱處理工藝的精確控制)、且兩者相匹配的加工工藝，避免了鋼軌出現(xiàn)晶界弱化和殘余奧氏體穩(wěn)定性不足的問題，改善了超低磷貝氏體鋼軌抗接觸疲勞損傷(如核傷、剝離損傷等)的能力，得到的貝氏體鋼軌的抗拉強(qiáng)度大于1300MPa，延伸率大于15%，_40°C低溫沖擊韌性大于80J/cm2，-40°C低溫Κκ大于60MPam1/2。
[0030]3、本發(fā)明采用熱軋后鋼軌在線熱處理，節(jié)約能源和資源，符合我國節(jié)能減排的戰(zhàn)略需求。
【附圖說明】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0032]圖1為實施例4鋼軌踏面15mm之內(nèi)的顯微組織照片。
[0033]圖2為對比例1貝氏體鋼沖擊斷口橫截面照片。
[0034]圖3為對比例2鋼軌沖擊斷口形貌照片。
【具體實施方式】
[0035]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。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。
[0036]實施例1超低磷貝氏體鋼1
[0037]一種超低磷貝氏體鋼，其包括:
[0038]C:0.15wt %, Μη:2.35wt %, S1:0.6wt %, Cr:0.6wt %, N1:0.6wt %, Mo:
0.48wt%,P:0.012wt%,S:0.020wt%，所含的Mo與P的質(zhì)量百分比之比值等于40，該組成的剩余部分為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0039]經(jīng)過轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，經(jīng)RH+LF復(fù)合精煉，連鑄后獲得鋼坯。
[0040]實施例2超低磷貝氏體鋼軌1
[0041]測定實施例1制成的鋼坯的Bs、Bf、Ms、Mf:Bs點(diǎn)為450°C，Bf點(diǎn)為380°C，Ms點(diǎn)為380°C，Mf 點(diǎn)為 200。。。
[0042]將上述鋼坯熱軋成鋼軌；
[0043]將鋼軌自然冷卻至480°C ；
[0044]使鋼軌踏面以4°C /s冷卻至240°C ;然后使鋼軌踏面的溫度升至400°C，在400-380°C之間停留10分鐘，之后自然冷卻至室溫；
[0045]最后使整體鋼軌在200°C回火10小時，獲得超低磷貝氏體鋼軌。
[0046]所得超低磷貝氏體鋼軌的性能:抗拉強(qiáng)度1300_1600MPa，延伸率15-18 %，-40°C低溫沖擊值 80-100J/cm2，_40°C低溫 KK60_70MPam 1/2。
[0047]實施例3超低磷貝氏體鋼2
[0048]一種超低磷貝氏體鋼，其包括:
[0049]C:0.18wt %, Μη:2.25wt %, S1:1.2wt %, Cr:0.5wt %, N1:0.4wt %, Mo:0.32wt%,P:0.007wt%,S:0.01 lwt%，所含的Mo與P的質(zhì)量百分比之比值等于45.7，該組成的剩余部分為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0050]經(jīng)過轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，經(jīng)RH+LF復(fù)合精煉，連鑄后獲得鋼坯。
[0051 ] 實施例4超低磷貝氏體鋼軌2
[0052]測定實施例3制成的鋼坯的Bs、Bf、Ms、Mf:Bs點(diǎn)為420°C，Bf點(diǎn)為366°C，Ms點(diǎn)為366°C，Mf 點(diǎn)為 190。。。
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