CN102732804B

CN102732804B - 一种贝氏体钢辙叉及其轧制后三段冷却制造方法

Info

Publication number: CN102732804B
Application number: CN201210194847.9A
Authority: CN
Inventors: 张福成; 张明; 吕博; 郑炀曾; 王天生
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102732804A

Abstract

一种贝氏体钢辙叉，其中钢的化学成分（wt％）为：C 0.18～0.23，Mn 1.0～2.0，Al 0.4～0.7，Ni 0.6～1.0，Cr 1.4～2.0，Si1.0～1.6，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01，O＜0.0016，H<0.0001，S<0.01，P<0.01，其余为Fe。上述贝氏体钢辙叉的制造方法主要是采用氧气转炉冶炼，继而进行炉外精炼，然后连铸热轧成断面形状成铁路辙叉坯料，轧制比要大于9，轧制后直接进行三段冷却至室温，最后加热到310～330℃保温50～70min后空冷至室温。本发明工艺简单、成本低廉、节能节材，同时，这种贝氏体钢辙叉具有优良的焊接性能。

Description

一种贝氏体钢辙叉及其轧制后三段冷却制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料及其制造方法，特别是铁路辙叉专用贝氏体钢及其制造方法。

背景技术

ZGMn13奥氏体高锰钢是英国工程师Hadfield于1882年9月发明的，它的第一个用途就是于1892年用于制作电车轨道的辙叉，从此，100多年来世界上几乎所有的铁路辙叉都是由这种材料制作。最初Hadfield公布的ZGMn13的化学成分是：C1.35％、Si0.69％、Mn12.76％。目前，公认的ZGMn13钢的化学成分范围为C1.0～1.4％，Mn11～14％，其余为铁和少量杂质如Si、S、P等。我国生产的ZGMn13钢辙叉的平均过载量（使用寿命）为1.5亿吨，美国及欧洲一些发达国家生产的ZGMn13钢辙叉的平均使用寿命可达2亿吨以上。随着社会发展和铁路运输速度的提高，人们对铁路辙叉使用寿命提出更高的要求。因此人们从进一步提高原ZGMn13钢辙叉使用寿命和寻求新的辙叉材料等方面展开了广泛的研究，出现了许多新的研究成果。如世界专利WO0136698、加拿大专利CA2159358、美国专利4514235、中国专利CN02157927.X和98124899.3等等。纵观这些研究成果和实际使用效果，可以说目前世界上关于铁路辙叉选材方面主要有两大流派，其一是奥氏体高锰钢，即在原有高锰钢的基础上利用冶金、铸造、热处理和机械强化等工艺方法进一步提高其使用寿命；其二是主要组织为贝氏体的中低碳低合金钢。

贝氏体钢因其具有高的强度、适当的韧度和硬度使其表现出优良的抗接触疲劳和耐磨性能，尤其是它具有优异的焊接工艺性能，使它成为制作新型重载高速铁路用辙叉的理想材料之一。因此，目前它在制作铁路辙叉方面有了越来越广泛的应用。中国专利CN02157927.X公布了一种贝氏体钢电渣熔铸复合辙叉心轨，其心轨主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、Ni，附以微量元素V和Nb，其余为Fe。中国专利98124899.3公布一种铁道辙叉专用材料，发明者把它命名为铁道辙叉专用超高韧可焊接空冷鸿康贝氏体钢，此发明以Mn、Si为主要合金元素，辅以Cr、Ni、Mo等元素，经奥氏体化后空冷即可到贝氏体／马氏体复相组织；其基础化学成分为（Wt％）：C 0.10～0.65、Si≤2.65、Mn 0.50～3.20、Cr0.20～2.80、Ni≤3.50、Mo≤2.00、余下是Fe。我们国家的另一项研究成果报道了“新一代高性能新型合金钢新材料”，它是以Si和Mn为主要合金元素，Cr、Mo、Ni为辅，辅以Re、V、Ti变质的铁路道岔心轨，具体化学成分为：0.25～0.4%C、1.0～2.5%Si、1.0～2.5%Mn、1.0～2.0%Cr、0.3～0.8％Mo、0.3～1.0%Ni，以及微量的Re、B、V、Ti。这种钢用锻造方法成型，正火或退火态获得贝氏体组织。使用状态下钢的机械性能指标为：抗拉强度σ_b1240～1360MPa、屈服强度σ_s≥1100MPa、延伸率δ₅≥8%、室温冲击韧性≥75J/cm²、低温冲击韧性≥40J/cm²(-40℃)、硬度HRC37～42。

世界其他几个国家也先后开展了贝氏体钢辙叉的研究，其研究成果如表1所示。可以看出，国外在贝氏体钢辙叉的成分设计上选用了Mo系或Mo-B系合金，以Mo或Mo-B为基本成分，添加其他合金元素，这种成分设计的优点是便于在空冷条件下得到贝氏体组织，工艺简单。因为，当钢中含有足够量的Mo元素时，可明显推迟珠光体转变及铁素体转变。添加B元素后，作用更为明显，使得贝氏体转变“C”曲线向左凸出，从而在较宽的冷速范围内可得到贝氏体组织。这种通过合金化，并且在空冷条件下获得贝氏体组织的思路成为目前贝氏体钢辙叉研究的主流。从结果看，各国所用钢经空冷后均获得了较满意的组织及性能。国外空冷贝氏体组织，大都为混合组织或无碳化物贝氏体组织。表2列出了各国商业贝氏体辙叉钢的力学性能，可以看出各国采用的贝氏体钢辙叉都具有较高的强度、韧度和硬度。

表1国内外主要商业贝氏体钢辙叉化学成分（wt％）

国家	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	B	其它
									英国	0.1	1.0	-	2.0	3.0	0.5	0.003
美国	0.26	1.85	1.75	-	3.00	0.50	0.004
									德国	0.4	0.7	1.5	1.1	-	0.8		0.1V
日本	0.2-0.55	0.4-2.5	0.15-1.0	0.2-3.0	-	0.1-2.0		0.1Nb0.1V
									中国	0.3	1.5	1.5	1.5	0.5	0.5	-

表2几个国家商业贝氏体钢辙叉的力学性能

国家	σ_s（MPa）	σ_b（MPa）	δ（％）	硬度
					英国	750	1000	6	350HB
美国	1000	1531	5	450HB
					德国	1037	1455	13	440HV
中国	-	≥1240	-	38-45HRC

其中，美国和英国都含有3wt%的镍，成本较高，同时材料的塑性较低；德国的因为碳含量较高，焊接性能很差；日本的没有在实际中成功应用；我国的性能不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提高一种制造工艺简单、成本低廉、节能节材、强度高、韧性好的贝氏体钢辙叉及其轧制后三段冷却制造方法。本发明主要是采用对纯净钢的冶炼、轧后控制冷却、最终热处理工艺获得新型耐磨耐疲劳铁路辙叉专用的低碳纯净贝氏体钢。

本发明的铁路辙叉专用的贝氏体钢，其化学成分（wt％）是：C 0.18～0.23，Mn 1.0～2.0，Al 0.4～0.7，Ni 0.6～1.0，Cr 1.4～2.0，Si 1.0～1.6，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01，O＜0.0016，H<0.0001，S<0.01，P<0.01，其余为Fe。

上述铁路辙叉专用的贝氏体钢的制造方法：

1、冶炼：将有关原材料工业纯铁、镍铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等放入氧气转炉冶炼钢水，然后对钢水进行炉外精炼。

2、浇注：将上述钢水在1550～1600℃进行连铸成钢坯。

3、轧制：对上述连铸钢坯进行热轧，开轧温度1100～1150℃，终轧温度860～920℃，将铸坯轧制成接近铁路辙叉心轨和翼轨的尺寸，轧制比要大于9。

4、冷却：将上述轧后的辙叉进行三段冷却，在450℃以上温度冷却速度为50～80℃/min，在450～300℃之间温度冷却速度为1.5～2.5℃/min，300℃以下温度在空气中自然冷却。

5、热处理：将上述冷却后的辙叉加热到310～330℃保温50～70min后空冷至室温。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、由于这种制造方法是利用轧制获得接近贝氏体钢辙叉心轨和翼轨尺寸，后继的机械加工量很少，同时，它是利用轧后控制冷却处理获得理想的组织和性能，不用再重新奥氏体化处理，因此，工艺简单、成本低廉、节能节材，与锻造贝氏体钢辙叉相比成本降低50％以上。

2、由于是利用轧后控制冷却处理技术，得到的贝氏体钢中的原始奥氏体晶粒尺寸、以及贝氏体铁素体和残余奥氏体片的厚度和尺寸都较小，其使用状态力学性能：σb≥1250MPa、σs≥1000MPa、δ5≥10%、a_KU≥80J/cm²、a_{KU（－40℃）}≥50J/cm²、HRC38～43。

3、本发明发现微量杂质元素的含量对贝氏体钢辙叉的使用寿命产生很大的影响，从而严格限制了微量杂质元素的含量。因此，这种制造方法制造的贝氏体钢辙叉的综合力学性能比锻后再进行热处理制造方法得到的贝氏体钢辙叉性能高，尤其是韧性。

4、可以适当降低贝氏体钢中的碳含量，也可以得到超过目前商业上广泛使用的较高碳含量贝氏体钢辙叉的性能，因此，本发明的贝氏体钢辙叉的焊接工艺性能优良。

附图说明

图1为本发明贝氏体钢辙叉胚料断面形状简图。

具体实施方式

实施例1

首先将有关原材料工业纯铁、镍铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等放入氧气转炉冶炼成钢水，然后利用LF炉对钢水进行炉外精炼，利用RH法对钢水进行真空脱气处理。将钢水在1550℃进行连铸成钢坯，该钢坯的化学成分（wt％）为：C 0.20，Mn 1.10，Al 0.50，Ni 0.62，Cr 1.92，Si 1.50，Ti 0.008,B 0.0003,H 0.00008,V 0.0011，Nb 0.008，O 0.0012,S 0.006，P 0.003，其余为Fe。继而对上述连铸钢坯进行开坯热轧，轧制比为13，开轧温度1140℃，终轧温度920℃，将其轧制成断面形状为类似于钢轨形断面状的辙叉用材料，如图1所示。将轧制的辙叉轧进行三段冷却处理，在450℃以上温度冷却速度为50℃/min，在450～300℃之间温度冷却速度为1.5℃/min，300℃以下温度在空气中自然冷却。最后将上述冷却的辙叉加热到320℃保温60min后空冷至室温。在轨头表层以下20mm深度处取纵向试样测试，机械性能为：σ_b＝1310MPa，σ_0.2＝1105MPa，δ₅＝14％，a_KU＝121J/cm²，a_{KU（-40℃）}＝59J/cm²，HRC41。

实施例2

首先将有关原材料工业纯铁、镍铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等放入氧气转炉冶炼成钢水，然后利用LF炉对钢水进行炉外精炼，利用RH法对钢水进行真空脱气处理。将钢水在1600℃进行连铸成钢坯，连铸钢坯的化学成分（wt％）为：C 0.19，Mn 1.86，Al 0.68，Ni 0.75，Cr 1.48，Si1.15，Ti 0.009,B 0.0001,H0.00009,V 0.009,Nb 0.005，O 0.0010,S 0.008，P 0.009，其余为Fe。继而对连铸刚坯进行开坯热轧，轧制比为14，开轧温度1130℃，终轧温度900℃，将其轧制成断面形状为类似于钢轨断面形状的辙叉用材料，如图1所示。将轧制的辙叉轧进行三段冷却处理，在450℃以上温度冷却速度为65℃/min，在450～300℃之间温度冷却速度为2.5℃/min，300℃以下温度在空气中自然冷却。最后将上述冷却的辙叉加热到310℃保温70min后空冷至室温。在轨头表层以下20mm深度处取纵向试样测试，机械性能为：σ_b＝1260MPa，σ_0.2＝1030MPa，δ₅＝16％，a_KU＝138J/cm²，a_{KU（-40℃）}＝71J/cm²，HRC40。

实施例3

首先将有关原材料工业纯铁、镍铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等放入氧气转炉冶炼成钢水，然后利用LF炉对钢水进行炉外精炼，利用RH法对钢水进行真空脱气处理。将钢水在1580℃进行连铸成钢坯，该连铸钢坯的化学成分（wt％）为：C 0.22，Mn 1.65，Al 0.52，Ni 0.92，Cr 1.67，Si1.31，Ti 0.006,B 0.0003,H 0.00007,V 0.0013,O 0.0011,S 0.009，P 0.008，Nb0.003，其余为Fe。继而对上述连铸钢坯进行开坯热轧，轧制比为11，开轧温度1100℃，终轧温度860℃，将其轧制成断面形状为类似于钢轨形状的断面辙叉用材料，如图1所示。将轧制后的辙叉轧进行三段冷却处理，在450℃以上温度冷却速度为80℃/min，在450～300℃之间温度冷却速度为2.0℃/min，300℃以下温度在空气中自然冷却。最后将上述冷却后的辙叉加热到330℃保温50min后空冷至室温。在轨头表层以下20mm深度处取纵向试样测试，机械性能为：σ_b＝1340MPa，σ_0.2＝1100MPa，δ₅＝12％，a_KU＝107J/cm²，a_{KU（－40℃）}＝52J/cm²，HRC42。

Claims

1.一种贝氏体钢辙叉轧制后三段冷却制造方法，该贝氏体钢辙叉的化学成分质量百分比wt％为：C 0.18～0.23，Mn 1.0～2.0，Al 0.4～0.7，Ni 0.6～1.0，Cr 1.4～2.0，Si 1.0～1.6，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01，S<0.01，P<0.01，其余为Fe，钢中微量气体元素氧和氢含量控制在很低的水平，O＜16ppm，H<1ppm；将有关原材料工业纯铁、镍铁、铬铁、锰铁、工业纯铝放入氧气转炉冶炼钢水，然后对钢水进行炉外精炼；将上述钢水在1550～1600℃进行连铸成钢坯，其特征在于：对上述连铸钢坯进行热轧，开轧温度1100～1150℃，终轧温度860～920℃，轧制比要大于9，将连铸钢坯轧制成接近铁路辙叉心轨和翼轨的尺寸；将上述轧制后的辙叉进行三段冷却，在450℃以上温度以50～80℃/min冷却速度冷却，在450～300℃之间温度以1.5～2.5℃/min冷却速度冷却，300℃以下温度在空气中自然冷却，将上述冷却后的辙叉，再加热到310～330℃保温50～70min后空冷至室温。