CN109082589B

CN109082589B - 一种超高强韧性导向轨钢材及其制备方法

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Publication number: CN109082589B
Application number: CN201810959904.5A
Authority: CN
Inventors: 朱敏; 费俊杰; 周剑华
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: CN109082589A

Abstract

本发明公开了一种高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.46～0.57％、Si 3.60～4.50％、Mn 4.5～5.1％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.2～2.7％、Cr 2.5～3.5％、Co 2.5～3.5％，其余为Fe和杂质元素。本发明首次提出采用高硅、高锰、高钴的成分设计，对钢材的组成和组织结构进行优化，所得钢材强度高、韧性好，可满足胶轮导轨小半径曲线、高剪切力作用下导向要求，保证钢轨不发生断裂，满足城市轨道交通发展需求，为解决城市拥堵、减少汽车排放，发展我国新型公共环保交通方式的发展提供支撑；且涉及的制备方法简单，能耗低，适合推广应用。

Description

一种超高强韧性导向轨钢材及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金及材料领域，具体涉及一种超高强韧性导向轨钢材及其制备方法。

背景技术

胶轮导轨电车是一种地面公共交通工具，依靠轨道导向和电力推动列车。具有运能较大、噪音小、节约能源、乘坐舒适、爬坡能力强优点，在大城市可以作为地铁、轻轨的加密网络，在中小城市可作为交通骨干。由于胶轮导轨电车较钢轮钢轨电车爬坡能力强，在我国西南地区等以山区为主的城市，更具有广泛的应用前景。

然而，胶轮导轨电车在我国刚刚开始发展，钢轨在行驶过程中起导向作用，而不是传统钢轨起到的支撑列车和轮轨接触运行的作用。目前通常采用普通钢轨材料制备钢轨，但由于胶轮导轨电车转弯半径小，最小的仅10米(铁路最小曲线半径200米)，现有钢轨材料韧性差(20℃冲击功KV₂≤10J)，在小曲线半径容易发生断裂等问题；且胶轮导轨电车上导向辊在小曲线半径上对导向轨施加强大的导向力，现有热轧钢轨强度低(抗拉强度≤1280MPa)，很容易造成断轨等问题。因此，进一步探索具有高韧性、高强度钢轨材料具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有钢轨材料存在的不足，提供一种具有高强韧性的导向轨材料，其屈服强度≥1900MPa，抗拉强度≥2500MPa，断后伸长率≥36％，-40℃冲击功KV₂≥90J；可有效保障胶轮导轨电车运行安全，为胶轮导轨电车的发展提供技术支撑。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：

一种超高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.46～0.57％、Si 3.60～4.50％、Mn 4.5～5.1％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.2～2.7％、Cr 2.5～3.5％、Co 2.5～3.5％，其余为Fe和杂质元素。

优选的，所述超高强韧性导向轨钢材中，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.5～0.57％、Si 4～4.4％、Mn 4.8～5.0％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.4～2.7％、Cr 2.8～3.4％、Co 3～3.4％，其余为Fe和杂质元素。

更优选的，所述超高强韧性导向轨钢材中，各组分及其所占质量百分比包括：C0.57％、Si 4.35％、Mn 5.0％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.6％、Cr 3.2％、Co 3.3％，其余为Fe和杂质元素。

上述一种超高强韧性导向轨钢材的制备方法，包括冶炼、控轧控冷工艺；具体工艺条件包括：经转炉冶炼后进行连铸，铸坯在460～680℃保温1～3h，然后以0.6～0.8℃/s的速率冷却至室温；铸坯加热到1200～1240℃，然后轧制成导向轨，其中终轧温度为850～900℃，轧后以10～14℃/s冷速冷却到220～240℃保温1～3h，然后空冷至室温。

根据上述方案所得超高强韧性导向轨钢材，其Rp_0.2≥1900MPa，R_m≥2500MPa，A≥36％，-40℃冲击功KV₂≥90J；金相组织为板条宽度5-10nm无碳化物贝氏体；具有超高强度，能对列车运行起到单轨导向作用，承受较高的横向力和纵向力；具有良好的韧性，可以将钢轨在室温条件下弯曲到小于5m的曲线半径轨道，适应城市狭窄地区轨道交通发展。

本发明的成分设计原理为：

碳(C)：C是提高钢强度的主要元素，随着碳含量的增加，钢的强度随之提高，但随着碳含量的提高，在连铸过程中容易造成偏析，从而减低钢轨整体性能的均匀性；本发明要求导向轨既要有高强度又要有良好的连铸质量，设计钢的碳含量不宜过高也不能太低，因此将C含量目标值控制在0.46～0.57％。

硅(Si)：Si以固溶体形态存在铁素体或奥氏体中，缩小奥氏体相区；在本发明中硅更是抑制转变时碳化物析出的元素，在连续冷却转变中使碳化物以富碳残奥的方式存在，提高钢的韧性；现有钢中，硅含量通常在0.10～0.50％，这种含量的钢种，碳化物析出较多，降低了钢的塑性；而本发明通过研究发现，提高硅含量，可以抑制碳化物的析出，提高硅含量可使角钢中铁素体板条中间析出残余奥氏体薄膜而非碳化物，这种组织结构决定了其超高强度和良好的韧性；同时提高钢的强度；本发明Si含量限定在3.60～4.50％之间。

锰(Mn)：锰固溶于铁素体或奥氏体中，锰强化铁素体或奥氏体；锰又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱钢因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能；现有钢中Mn一般小于1.7％，目的在于提高钢的强度；而本发明研究发现提高锰含量，可明显推迟珠光体转变，在常规生产工艺下可得到亚纳米超细贝氏体和少量马氏体、残余奥氏体组织，因此将Mn含量控制在4.5～5.1％。

S(硫)、P(磷)：S、P是强烈的裂纹敏感性元素，S含量过高，会形成大量的MnS，MnS在钢液凝固时易在晶界析出，在热轧时被轧成带状夹杂，降低了钢材的延展性及韧性，因此S含量越低越好，S含量目标值控制在≤0.010％；P能够提高低温脆性转变温度，使钢的低温冲击性能大幅下降，因此要求P≤0.010％。

镍(Ni)：镍和铁无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，是形成稳定奥氏体的主要元素；镍强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度和钢的抗疲劳力，减少刚对缺口的敏感性，降低钢的低温脆化转变温度；从而能提高导向轨在寒冷地区使用性能；但其含量低于2.2％时，对钢的疲劳性能作用不明显；高于2.7％时经济性则会下降，故将其含量控制在2.2～2.7％。

铬(Cr)：具有明显推迟珠光体转变的作用，同时可使钢的强度和硬度提高；当Cr含量大于2.50％时，显著提高钢的淬透性，大幅提高钢的强度和硬度；当Cr含量大于3.50％时，钢的回火脆性明显提高；因此本发明将Cr的含量控制在2.5～3.5％。

钴(Co)：添加钴元素可以大幅缩短保温时间，降低贝氏体相变温度，可将回火保温时间从72小时降低到3小时以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出采用高硅、高锰、高钴的成分设计手段，对钢材的组成和组织结构进行优化，所得钢材强度高、韧性好，可满足胶轮导轨小半径曲线、高剪切力作用下导向要求，保证钢轨不发生断裂。

2)本发明生产的导向轨能满足城市轨道交通发展需求，为解决城市拥堵、减少汽车排放，发展我国新型公共环保交通方式的发展提供支撑。

3)本发明涉及的制备方法简单，能耗和制备成本低，适合推广应用。

附图说明

图1为现有胶轮导轨电车用轨的应用示意图；图中1为钢轨；2为地面，3为扣件，4为地基，5为胶轮导轨电车导向轮，6为电车接触部位。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种超高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比为：C 0.55％、Si3.62％、Mn 4.6％、P 0.009％、S 0.005％、Ni 2.2％、Cr 2.6％、Co 2.6％，其余为Fe和杂质元素；其生产步骤包括如下：

1)按成分设计进行转炉冶炼、连铸，铸坯尺寸320mm×480mm；铸坯在570℃保温2h，然后在保温罩内以0.6℃/s的速率冷却至室温；

2)轧钢时铸坯加热到1220℃，进行热轧，终轧温度在850℃；

3)轧后以12℃/s的速率冷却至230℃保温3h，保温后空冷至室温。

实施例2

一种超高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比为：C 0.52％、Si3.8％、Mn 4.9％、P 0.010％、S 0.006％、Ni 2.8％、Cr 2.9％、Co 2.8％，其余为Fe和杂质元素；其生产步骤包括如下：

1)按成分设计进行转炉冶炼、连铸，铸坯尺寸320mm×420mm；铸坯在620℃保温2h，然后在保温罩内以0.7℃/s的速率冷却至室温；

2)轧钢时铸坯加热到1220℃，进行热轧，终轧温度在870℃；

3)轧后以13℃/s的速率冷却至220℃保温2h，保温后空冷至室温。

实施例3

一种超高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比为：C 0.57％、Si4.35％、Mn 5.0％、P 0.010％、S 0.002％、Ni 2.6％、Cr 3.2％、Co 3.3％，其余为Fe和杂质元素；其生产步骤包括如下：

1)按成分设计进行转炉冶炼、连铸，铸坯尺寸320mm×420mm；铸坯在480℃保温2h，然后在保温罩内以0.6℃/s的速率冷却至室温；

2)轧钢时铸坯加热到1220℃，进行热轧，终轧温度在860℃；

3)轧后以14℃/s的速率冷却至240℃保温1h，保温后空冷至室温。

对比例1

TB/T 2344-2012标准中的U75V钢轨，各组分及其所占质量百分比为：C 0.75％、Si0.6％、Mn 0.95％、P 0.010％、S 0.006％、V 0.06％，其余为Fe和杂质元素；其生产步骤包括如下：

1)按成分设计进行转炉冶炼、连铸，铸坯尺寸280mm×380mm；铸坯以1℃/s的速率冷却至室温；

2)轧钢时铸坯加热至1280℃，进行热轧，终轧温度控制在900℃；

3)轧制后自然空冷至室温。

对比例2

TB/T 2344-2012标准中U71MN钢轨，各组分及其所占质量百分比为：C 0.71％、Si0.4％、Mn 0.90％、P 0.010％、S 0.005％，其余为Fe和杂质元素；其生产步骤包括如下：

1)按成分设计进行转炉冶炼、连铸，铸坯尺寸280mm×380mm；铸坯以1.5℃/s的速率冷却至室温；

2)轧钢时铸坯加热到1280℃，然后进行热轧，终轧温度控制在910℃；

3)轧制后自然空冷至室温。

实施例1～3和对比例1、2所得钢轨材料分别进力学性能等测试，测试结果分别见表1。

表1本发明实施例1～3和对比例1、2所得钢材的综合性能检测结果

钢材	规格	R<sub>p0.2</sub>/MPa	R<sub>m</sub>/MPa	A/％	-40℃/KV<sub>2</sub>(J)
						实施例1	43kg/m	1990	2520	40	98
实施例2	38kg/m	2010	2590	39	99
						实施例3	33kg/m	2230	2610	37	102
对比例1	43kg/m	660	1020	10	6
						对比例2	43kg/m	620	910	11	7

上述结果表明：本发明所得钢材的Rp_0.2≥1900MPa，R_m≥2500MPa，A≥36％，-40℃冲击功KV₂≥90J；且本发明所得钢材的金相组织为板条宽度5-10nm的无碳化物贝氏体。

本发明所得钢材兼具优异的强度和韧性，可满足胶轮导轨小半径曲线、高剪切力作用下导向等要求，可有效保障胶轮导轨电车运行安全，为胶轮导轨电车的发展提供技术支撑。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种超高强韧性导向轨钢材，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.46～0.57％、Si3.60～4.50％、Mn 4.5～5.1％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.2～2.7％、Cr 2.5～3.5％、Co 2.5～3.5％，其余为Fe和杂质元素；其Rp_0.2≥1900MPa，R_m≥2500MPa，A≥36％，-40℃冲击功KV₂≥90J；金相组织为板条宽度5-10nm的无碳化物贝氏体。

2.根据权利要求1所述的超高强韧性导向轨钢材，其特征在于，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.5～0.57％、Si 4～4.4％、Mn 4.8～5.0％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.4～2.7％、Cr 2.8～3.4％、Co 3～3.4％，其余为Fe和杂质元素。

3.根据权利要求1所述的超高强韧性导向轨钢材，其特征在于，各组分及其所占质量百分比包括：C 0.57％、Si 4.35％、Mn 5.0％、P≤0.010％、S≤0.010％、Ni 2.6％、Cr 3.2％、Co 3.3％，其余为Fe和杂质元素。

4.权利要求1～3任一项所述超高强韧性导向轨钢材的制备方法，其特征在于，包括冶炼、控轧控冷工艺；具体工艺条件包括：经转炉冶炼后进行连铸，铸坯在460～680℃保温1～3h，然后以0.6～0.8℃/s的速率冷却至室温；铸坯加热到1200～1240℃，然后轧制成导向轨，其中终轧温度为850～900℃，轧后以10～14℃/s的速率冷却至220～240℃保温1～3h，然后空冷至室温。