CN116083696A - 稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法，包括以下步骤：S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯进行加热；S2，对加热后的钢坯进行轧制或锻造；S3，对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，所述热处理的开冷温度为700～820℃，冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为150～250℃；S4，热处理后的辙叉用钢冷却至中冷温度时，对全断面进行保温处理，所述保温处理时间为240～480h；S5，对冷却后的辙叉用钢进行回火。本发明的方法能够通过控制铸坯加热、轧制或是锻造及冷却过程中残余奥氏体形态和数量，获得细小弥散、稳定的残余奥氏体，提高贝氏体辙叉的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法。
背景技术
辙叉是铁路轨道结构的重要组成部件，是机车车辆的车轮从一股道转入另一股道，通过钢轨交叉点的特殊设备。在机车通过辙叉时，辙叉将受到巨大的车轮冲击载荷，工作条件极为苛刻。辙叉承受来自车轮载荷的冲击，除了静载荷的增加外，还是铁轨上承受最大动载荷的地方。而在铁轨和道岔上动载荷是静载荷的2～5倍。因此，辙叉对材料的性能要求极为严格。
已有贝氏体钢轨均采用低碳(碳含量：0.15～0.25％)设计，辅以适量的Si、Mn、Cr、Ni、Mo等元素，在空冷条件下获得无碳化物贝氏体或B/M复相组织以及少量残余奥氏体。残余奥氏体是指发生贝氏体或是马氏体转变后，还有一定未发生转变的奥氏体。贝氏体辙叉中通常含有5-30％的残余奥氏体，残余奥氏体对钢的性能影响：①残余奥氏体的硬度远低于贝氏体或马氏体，因此，贝氏体辙叉随着残奥的增加而降低，对贝氏体辙叉的性能指标产生显著的影响；②残奥存在热稳定性和机械稳定性，在回火或是线路服役轮轨接触过程中，均会发生残奥转变为马氏体组织，对贝氏体辙叉回火工艺和线路服役产生深远的影响；③残奥含量的增加，转化为马氏体后，通常会形成硬质点，在产品内部产生核伤。在辙叉表面则会产生大面积剥落或是开裂，严重影响贝氏体辙叉的疲劳性能和线路服役性能；④残奥的增加，一定程度上提高贝氏体辙叉的韧性，提高贝氏体辙叉的抗冲击性能。
由此，如何控制残余奥氏体形态和数量成为贝氏体辙叉用钢生产过程亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法，通过控制铸坯加热、轧制或是锻造及冷却过程中残余奥氏体形态和数量，获得细小弥散、稳定的残余奥氏体，提高贝氏体辙叉的综合性能。
为了解决上述技术问题中的至少一项，本发明采用以下技术方案：
依据本发明，提供一种稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法，包括以下步骤：S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯进行加热；S2，对加热后的钢坯进行轧制或锻造；S3，对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，所述热处理的开冷温度为700～820℃，冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为150～250℃；S4，热处理后的辙叉用钢冷却至终冷温度时，对全断面进行保温处理，所述保温处理时间为240～480h；S5，对冷却后的辙叉用钢进行回火。
依据本发明的一个实施例，按质量百分比计，所述辙叉用钢的成分为：0.24～0.35％的C，1.20～1.8％的Si，1.50～2.50％的Mn，0.002～0.020％的P，0.002～0.020％的S，0.30～1.70％的Cr，0.10-0.60％的Mo，0.002～0.70％的Ni，0.01～0.15％的V，0.001～0.004％的Al，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
依据本发明的一个实施例，步骤S1中，所述钢坯的均热温度为1050～1150℃，保温时间为200～350min。
依据本发明的一个实施例，步骤S2中，轧制或锻造的终冷温度为950～1000℃，轧制压缩比或锻造比≥5。
依据本发明的一个实施例，步骤S4中，所述保温处理过程中，采用导向轨对轨腰进行约束。
依据本发明的一个实施例，步骤S4中，对保温处理后的辙叉用钢进行自然冷却。
依据本发明的一个实施例，步骤S5中，冷却后的辙叉用钢，采用200～400℃温度回火，回火时间为5～120h。
依据本发明的一个实施例，步骤S5中，对回火后的辙叉用钢进行自然冷却。
依据本发明的一个实施例，所述自然冷却过程中，相邻的辙叉用钢之间的间距100mm。
依据本发明的一个实施例，浇铸全程进行保护浇铸。
在根据本发明的实施例的稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法中，通过控制铸坯加热、轧制或是锻造及冷却过程中残余奥氏体形态和数量，获得细小弥散、稳定的残余奥氏体，提高贝氏体辙叉的综合性能。采用该方法生产的贝氏体辙叉抗拉强度≥1350MPa，延伸率≥12％，残余奥氏体含量≤12％。经500万次实物辙叉疲劳试验后，残奥转化率低至10％以内。相比常规贝氏体辙叉或是贝氏体钢轨而言，服役前期伤损率降低70-90％，大幅提高贝氏体用钢机械和组织稳定性，提升贝氏体辙叉服役稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明实施例的稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
残余奥氏体对强度的影响，钢中的强化方式包含：固溶强化、亚结构位错强化、晶界强化、析出强化、细晶强化及多相微观组织强化。含残余奥氏体的贝氏体辙叉用钢的强度主要来自于钢中的强硬相基体组织，主要包括铁素体、贝氏体、马氏体。在拉伸过程中，钢中的残余奥氏体会随着变形量的增加发生相变而形成硬相马氏体组织，导致抗拉强度升高。
残余奥氏体对塑性的影响，当贝氏体辙叉在塑性变形的作用下，残余奥氏体体积增大产生应***化，发生马氏体相变，局部硬度提髙，继续变形困难。同时随着相变的不断发展，材料获得了很高的塑性。残余奥氏体相变时引起位错密度增加，产生位错强化，导致强度也有提髙。
残余奥氏体对韧性的影响，随着变形的増加，发生马氏体相变，提髙颈缩区加工硬化率，加宽颈缩区并使颈缩区变得平缓，从而提高钢的韧性。残余奥氏体是一种软质相，通过塑性变形它可以松弛局部集中的应力，延缓显微裂纹的萌发，阻碍显微裂纹的扩展与长大。裂纹扩展中，残余奥氏体会发生转向，吸收更多的能量，提高贝氏体辙叉的断裂韧性。
图1示出根据本发明实施例的稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法的流程图，方法总体包括以下步骤：
S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯进行加热；
S2，对加热后的钢坯进行轧制或锻造；
S3，对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，所述热处理的开冷温度为700～820℃，冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为150～250℃；
S4，热处理后的辙叉用钢冷却至终冷温度时，对全断面进行保温处理，所述保温处理时间为240～480h；
S5，对冷却后的辙叉用钢进行回火。
在根据本发明的实施例的稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法中，按质量百分比计，辙叉用钢的成分优选为：0.24～0.35％的C，1.20～1.8％的Si，1.50～2.50％的Mn，0.002～0.020％的P，0.002～0.020％的S，0.30～1.70％的Cr，0.10-0.60％的Mo，0.002～0.70％的Ni，0.01～0.15％的V，0.001～0.004％的Al，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
在上述成分中，通过采用0.24～0.35％的C显著降低马氏体相变Ms点，提高奥氏体的稳定性。1.50～2.50％的Mn不仅可以扩大奥氏体相区，也能降低马氏体相变开始温度Ms。1.20～1.8％的Si和0.002～0.020％的P同样能够降低马氏体相变开始温度Ms温度，0.001～0.004％的Al则是提高Ms温度。
在一些实施例中，步骤S1至步骤S2可采用以下参数：冶炼浇铸后，将钢坯加热至1050～1150℃，保温时间为200～350min。钢坯经过除磷后进行轧制或锻造，其中轧制或锻造的终冷温度为950～1000℃，轧制压缩比或锻造比≥5。通过铸坯低温加热、大压缩比轧制以及步骤S3中热处理加速冷却获得小尺寸的残余奥氏体。奥氏体晶粒越小，Ms温度越低。另外，在形变过程中，大尺寸残余奥氏体稳定性较差，在低应变下就会发生马氏体相变，小尺寸残余奥氏体稳定性强，在高应变下也不发生相变。
当辙叉用钢经热处理降温至终冷温度时，在步骤S4对全断面进行长时间保温处理。全断面即是将钢材整体进行保温处理。辙叉用钢为“工”字形，分为轨头、轨腰和轨底三部分。传统工艺要么对轨头进行热处理、要么对轨头和轨底进行热处理。本发明材质为贝氏体+马氏体+残奥等复合组织，采用全断面保温处理，可提高整体产品的综合性能，降低内部应力等。在一些实施例中，保温处理过程中，采用导向轨对轨腰进行约束。保温处理后的辙叉用钢可通过自然冷却降低至室温，即相邻的辙叉用钢之间的间距100mm，无快速冷却装置加速冷却。
采用本发明所述成分辙叉用钢，经过快速冷却后，组织中奥氏体组织因成分和冷速影响，会出现一定量的残余奥氏体组织。这种室温下留存的残余奥氏体组织，为非稳态，在后续升温或是变形过程中，均会再次相变转变为硬质的马氏体组织。通过急速冷却后，长时间的保温处理，有利于残余奥氏体从非稳态转变为稳态组织，或是从残余奥氏体组织转变为综合性能更优的贝氏体组织。
步骤S4中，冷却后的辙叉用钢经矫直加工后，采用200～400℃温度回火，回火时间为5～120h，以消除残余应力。回火处理后的辙叉用钢同样可以通过自然冷却降低至室温。其中，回火时间主要与加热介质、炉温、钢的化学成分、组织、试样尺寸形状、装炉方式和装炉量等有关，而试样尺寸形状和组织对回火时间影响最为明显。辙叉用钢截面厚度通常可以达到116mm，按照回火常用经验公式(1)：
T＝a×K×D (1)
式中，T--加热时间min；a——加热系数min/mm与工件尺寸、加热介质、钢的化学成分有关；K——装炉修正系数(取1.5－2.0)；D——零件有效厚度mm)
计算回火时间最低为300min，既5h。
同时，在本发明的实施例中，辙叉用钢尽享组织为贝氏体+马氏体复合+残奥等复合组织，组织中马氏体和残奥含量较小，回火过程转变又收到贝氏体组织挤压影响，转变速率极低，需要的回火时间长。通过试验研究表明，回火时间最长需要120h，国际贝氏体材质最长时间达到30余天。
在一些实施例中，浇铸全程进行保护浇铸，以控制辙叉用钢的氮、氢、氧含量。
下面根据具体的实施例进行说明。
本发明实施例和对比例的辙叉用钢经全程保护浇铸，其中以质量百分数计，实施例1～5的主要化学成分如表1所示，，对比例1～2与实施例1～2成分相同。
表1实施例和对比例辙叉用钢的化学成分/％
实施例和对比例采用相同的冶炼、铸坯加热、轧制或是锻造工艺。铸坯均热温度为1050-1150℃，保温时间为200-350min；轧制或锻造的终冷温度为950～1000℃，锻造比或是压缩比≥5。利用余热或是再次加热后，以开冷温度范围为700-820℃，冷却速率为5-15℃/s，终冷温度为150-250℃。实施例和对比例热处理工艺如表2所示。
表2实施例和对比例热处理工艺
实施例和对比例贝氏体辙叉保温处理后，冷却、矫直加工后，采用200-400℃温度回火，回火时间为5-120h。实施例和对比例按照TB/T 2344《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》要求，取拉伸试样并检验。同时，采用钢轨实物疲劳试验机，对贝氏体辙叉进行500万次疲劳试验。在贝氏体辙叉试验前后，轨头圆角处取金相试样，采用XRD对比检验分析试验前后残奥变化情况。残余奥氏体含量≤12％。经500万次实物辙叉疲劳试验后，残奥转化率低至10％以内。拉伸和金相数据统计如表3所示。
表3实施例和对比例钢轨拉伸性能
结合表1至表3，对比例的成分设计、加热工艺、轧制工艺的相关参数不在预定范围内。如表4所示，采用该方法生产的贝氏体辙叉抗拉强度≥1350MPa，延伸率≥12％，残余奥氏体含量≤12％。经500万次实物辙叉疲劳试验后，残奥转化率低至10％以内。相比常规贝氏体辙叉或是贝氏体钢轨而言，服役前期伤损率降低70-90％，大幅提高贝氏体用钢机械和组织稳定性，提升贝氏体辙叉服役稳定性。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种稳定残奥贝氏体辙叉用钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯进行加热；
S2，对加热后的钢坯进行轧制或锻造；
S3，对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，所述热处理的开冷温度为700～820℃，冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为150～250℃；
S4，热处理后的辙叉用钢冷却至终冷温度时，对全断面进行保温处理，所述保温处理时间为240～480h；
S5，对冷却后的辙叉用钢进行回火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按质量百分比计，所述辙叉用钢的成分为：0.24～0.35％的C，1.20～1.8％的Si，1.50～2.50％的Mn，0.002～0.020％的P，0.002～0.020％的S，0.30～1.70％的Cr，0.10-0.60％的Mo，0.002～0.70％的Ni，0.01～0.15％的V，0.001～0.004％的Al，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述钢坯的均热温度为1050～1150℃，保温时间为200～350min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，轧制或锻造的终冷温度为950～1000℃，轧制压缩比或锻造比≥5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述保温处理过程中，采用导向轨对轨腰进行约束。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4中，对保温处理后的辙叉用钢进行自然冷却。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，冷却后的辙叉用钢，采用200～400℃温度回火，回火时间为5～120h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S5中，对回火后的辙叉用钢进行自然冷却。
9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述自然冷却过程中，相邻的辙叉用钢之间的间距100mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，浇铸全程进行保护浇铸。
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