镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种镍微合金化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。同时，通过中温回火，使钢轨获得良好的强韧性匹配。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法，通过在贝氏体辙叉中添加Ni和Cr合金化，提高贝氏体辙叉的韧性，特别是低温韧性，以及耐蚀性。

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，提供一种镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法，所述辙叉用钢按质量百分比计包含0.16～0.35％的C、0.30～0.70％的Ni、1.00～1.80％的Cr，所述方法包括以下步骤：S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯加热至1250～1300℃；S2，对加热后的钢坯进行轧制；S3，利用余热对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，所述热处理的冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为200～250℃；S4，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：0.22～0.29％的C，0.70～2.1％的Si，1.50～2.50％的Mn，0.002～0.020％的P，0.002～0.020％的S，1.00～1.80％的Cr，0.10～0.60％的Mo，0.35～0.70％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，加热时间控制在200～500min。

依据本发明的一个实施例，步骤S2中，轧制的终冷温度为900～1050℃，压缩比为1：4～12。

依据本发明的一个实施例，步骤S3中，热处理的开冷温度为740～820℃。

依据本发明的一个实施例，步骤S4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，按质量百分比计，所述杂质元素包含：0.001～0.02％的Sn，0.05～0.15％的Cu和0.01～0.02％的As。

依据本发明的一个实施例，所述辙叉用钢的氢含量≤1.0ppm，氧含量≤20ppm，氮含量≤60ppm。

依据本发明的一个实施例，浇铸全程进行保护浇铸。

依据本发明的一个实施例，采用0.002-0.010％低硫控制的方式进行保护浇铸。

在根据本发明的实施例的镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法中，通过在贝氏体辙叉中添加Ni和Cr合金化，并进一步设定合理的加热、轧制及热处理参数，提高贝氏体辙叉的韧性，特别是低温韧性，以及耐蚀性。采用该方法生产的贝氏体辙叉抗拉强度≥1350MPa，延伸率≥12％，常温冲击≥80J，-40℃低温冲击≥40J，-20℃低温断裂韧性≥50MPa·0.5。相比普通珠光体辙叉用钢，耐腐蚀提高40-60％，特别适宜沿海或是潮湿隧道重载铁路辙叉用钢。

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镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法的流程图；

图2示出了拉伸和金相显微组织取样位置示意图；

图3示出了实施例1的金相照片。

图中，

1显微组织检查区域，2拉伸试样中心位置。

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。

图1示出根据本发明实施例的镍微合金化贝氏体辙叉用钢的生产方法的流程图，其中辙叉用钢按质量百分比计包含0.16～0.35％的C、0.30～0.70％的Ni、1.00～1.80％的Cr，方法总体包括以下步骤：

S1，对冶炼、浇铸后获得的钢坯加热至1250～1300℃；

S2，对加热后的钢坯进行轧制；

S3，利用余热对轧制或锻造后获得的辙叉用钢进行热处理，其中热处理的冷却速率为5～15℃/s，终冷温度为200～250℃；

S4，对冷却后的辙叉用钢进行回火。

在根据本发明的实施例的镍微合金化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：0.22～0.29％的C，0.70～2.1％的Si，1.50～2.50％的Mn，0.002～0.020％的P，0.002～0.020％的S，1.00～1.80％的Cr，0.10～0.60％的Mo，0.35～0.70％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，Cr元素是增加淬透性的重要元素，Cr元素扩大了在连续冷却条件下的过冷奥氏体分解转变动力学曲线(CCT曲线)的贝氏体相变区，提高了过冷奥氏体的稳定性。Cr元素强压低Bs点(贝氏体转变的上限温度)，弱压低Ms点(马氏体转变上限温度)，是压低△Bs/△Ms比值最强的合金元素，同时可以提高贝氏体的强度。镍元素能够增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，同时能够降低鼻尖温度和马氏体转变温度。通过加入0.30～0.70％的Ni，首先，可以降低位错运动阻力，使应力松弛，提高钢铁基体的韧性，特别是低温韧性；其次，Ni可以使“C”线右移，提高淬透性，细化组织，综合提高强度和韧性；最后，Ni还能促进有害元素的偏聚，提高回火脆性。

在一些实施例中，杂质元素包含：0.001～0.02％的Sn，0.05～0.15％的Cu和0.01～0.02％的As，优选控制氢含量≤1.0ppm，氧含量≤20ppm，氮含量≤60ppm。

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1250～1300℃，加热时间控制在200～500min。钢坯经过除磷后进行轧制，其中轧制的终冷温度为900～1050℃，压缩比为1：4～12。

在一些实施例中，步骤S3中利用轧制余热对轧制后获得的辙叉用钢进行热处理，开冷温度为740～820℃，以5～15℃/s的冷却速度冷却至200～250℃。通过添加合金元素，提高热处理过程中淬透性。再辅以热处理，特别是提高冷却速率，金属材料必然在较低温度内，急剧发生形核和相变，组织得到显著细化，最终，达到强度和韧性塑性同时提高的目的。组织细化后，金属表面抗腐蚀性能也得到显著提高。

在一些实施例中，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。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，优选采用0.002-0.010％低硫控制，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，优先采用0.002-0.010％低硫控制，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，不可避免的杂质元素成分如表2所示，对比例1～4与实施例1～4成分相同。

表1实施例和对比例辙叉用钢的化学成分/％

表2实施例和对比例辙叉用钢的杂质元素成分/％

实施例和对比例采用不同的加热工艺、轧制工艺和热处理工艺，如表3所示。

表3实施例和对比例加热、轧制及热处理工艺

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实施例和对比例钢轨冷却、矫直加工后，采用相同的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，按附图2拉伸试样取样位置加工拉伸试样并检验。同时，按附图2所示，金相试样检验位置进行金相组织检验，实施例1的金相照片如附图3所示。拉伸和金相数据统计如表4所示。

表4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％，常温冲击≥80J，-40℃低温冲击≥40J，-20℃低温断裂韧性≥50MPa·0.5。相比普通珠光体辙叉用钢，耐腐蚀提高40-60％，其强韧性和耐蚀性均优于对比例，特别适宜沿海或是潮湿隧道重载铁路辙叉用钢。

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。