耐腐蝕性的微合金化鋼和鋼軌及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種鋼軌材料，具體涉及耐腐蝕性的微合金化鋼。本發明所要解決的技術問題是提供耐腐蝕性的微合金化鋼，其化學成分由以下重量百分比的元素組成：C：0.73％～0.85％，Si：0.30％～0.90％，Mn：0.80％～1.20％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：0.30％～0.50％，Ni：Cu含量的1/2～2/3，P：0.03％～0.05％，S：≤0.025％；以下三種元素中的至少一種：V：0.04％～0.12％，Nb：0.02％～0.06％、Re：0.005％～0.05％；余量為Fe和不可避免的雜質。鋼軌產品的顯微組織為珠光體+微量鐵素體，抗拉強度≥1000MPa、具有良好的耐海洋環境及大氣環境腐蝕性能，適宜于沿海地區及高相對濕度隧道應用。
【專利說明】耐腐蝕性的微合金化鋼和鋼軌及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼軌材料，具體涉及耐腐蝕性的微合金化鋼軌及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鋼軌作為引導列車運行并將載荷傳遞至道床的結構件，直接關系到鐵路的運輸效 率和行車安全。由于鐵路長期暴露于自然環境中，因而鐵路用鋼不僅要滿足各項力學性能 要求，還同時要具有一定的耐腐蝕性能。在鋼軌服役過程中，不僅要承受各項復雜應力作 用，還將面臨因長期腐蝕導致的失效問題。在氣候半濕潤或干旱地區，采用普通碳素或微合 金化鋼制造的鋼軌在服役周期內通常不會因腐蝕問題影響其使用壽命。相比之下，在沿海 或橋隧區域鋪設的鋼軌，由于長期處于海洋環境和高濕度環境中，鋼軌腐蝕問題的影響很 更加顯著，適當提高鋼軌的耐腐蝕性能，使其至少滿足一個換軌周期的要求，避免因腐蝕問 題導致鋼軌提前下道將是今后亟待解決的一個問題。此外，我國高速鐵路路網布局已初具 規模，由于高鐵主要位于東南沿海區域；同時，高速鐵路用鋼軌的預期服役壽命一般在15 年以上，遠高于普通客貨混運或重載鐵路鋼軌。因此，隨著服役時間的延長，鋼軌的腐蝕問 題將逐步顯現，研制出既能夠滿足鐵道行業標準規定的組織與性能指標要求，同時耐腐蝕 性能在現有鋼軌基礎上顯著提高的鋼軌新產品對促進我國鐵路發展具有重要意義。
[0003] 研究表明，提高鋼軌的耐腐蝕性能通常有以下三種方法：一是表層涂覆耐腐蝕液 態材料，通過在鋼軌表層人為覆蓋一層與基體隔離的薄膜，避免鋼軌基體與空氣或其它介 質接觸，提高鋼軌耐腐蝕性能；二是通過犧牲陽極提高鋼軌的耐腐蝕性能；三是通過向普 通碳素軌中添加 Cu、Cr、Ni等耐腐蝕元素，提高鋼軌基體的耐腐蝕性能。前述兩種方法的耐 腐蝕原理與本發明有本質不同，對于第三種方式，是目前國內外的重點研究方向。
[0004] 申請號為201010034200. 0的發明專利公開了一種具有優良強韌性能抗疲勞性 能和耐磨性能耐蝕重軌鋼，其基本合金體系中合金元素的重量百分含量為：c :0. 55%? 0· 72%、Si :0· 35%?1. 1%、Μη :0· 7 ?1. 40%、Cr :0· 2%?0· 65%、Cu :0· 2%?0· 65%， 余量為Fe，在上述基本成分基礎上，同時添加一種或幾種微合金元素他，、11、附^〇，其中 Nb :0· 01%?0· 055%、V :0· 05%?0· 10%、Ti :0· 001%?0· 05% ;Ni :0· 1%?0· 3%、Mo : 0. 15 %?0. 3 %。通過分析可知，該專利采用了在現有碳素鋼軌鋼的基礎上添加 Cr、Cu等廉 價耐腐蝕合金元素的方式提高鋼軌的耐腐蝕性能；同時，根據性能的需要添加 V、Nb、Ti等 合金元素，依據添加量不同在鋼中發揮固溶或析出強化作用，最終提高鋼軌的強韌性。
[0005] 研究表明，在低碳或超低碳鋼中添加 Cr、Cu、Ni等元素同時增加提高耐腐蝕性能 顯著的P元素含量，可以在原有碳素鋼的基礎上顯著提高耐大氣及海洋環境性能，如我國 早期研制的〇9CuPTiRE、09CuPCrNi耐候鋼等。對于如鋼軌等高碳鋼，添加 Cr、Cu、Ni元素對 于組織、力學性能及耐腐蝕性能的影響與低碳鋼有類似之處，同時也存在明顯不同。首先， Cr含量是目前鋼軌鋼普遍采用的強化元素，提高Cr含量不僅對強韌性提高顯著，同時也能 夠提高耐腐蝕性能；添加〇. 2%?0. 65%的Cu以及根據需要添加0. 1 %?0. 3%的Ni能夠 略微提高鋼軌的強硬度指標而不損失韌塑性；對于耐腐蝕性能，如鋼中P含量< 〇. 025%， 對于耐海洋環境耐腐蝕性能尚有一定幫助，但在大氣酸性環境下，其耐腐蝕性能無法得到 有效提高。同時，Cu含量超過0. 5%以后，還將引起焊接性能特別是鋁熱焊沖擊韌性的惡化 并增加銅脆的傾向性，不利于鋼軌的服役安全。同時，該專利中碳含量上限為〇. 72%，鋼軌 強度級別較低，僅能滿足高速及普通客貨混勻鐵路需要，難以滿足大軸重、大運量重載鐵路 運輸需求。因此，亟需一種耐腐蝕性能優良的高強度鋼軌滿足鐵路發展需要。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供耐腐蝕性能優良的微合金化鋼。
[0007] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼，其化學成分由以下重量百分比的元素組成：C: 0· 73 % ?0· 85 %，Si :0· 30 % ?0· 90 %，Μη :0· 80 % ?1. 20 %，Cr :0· 20 % ?0· 40 %，Cu : 0· 30%?0· 50%，Ni :Cu 含量的 1/2 ?2/3, P :0· 03%?0· 05%，S :彡 0· 025% ;以下三種 元素中的至少一種：V :0· 04%?0· 12%，Nb :0· 02%?0· 06%、Re :0· 005%?0· 05%;余量 為Fe和不可避免的雜質。
[0008] 本發明專利含有0.30%?0.50%的(：11、(：11含量1/2?2/3的附以及0.03%? 0.05%的P，三種元素缺一不可。
[0009] Cu含量需要嚴格控制在0.30 %?0.50 %。當鋼中Cu含量<0.20%，作為鋼中提 高耐腐蝕性能最重要的元素，無法發揮相應作用，進而達到本發明提高鋼軌耐腐蝕性能的 目的；當鋼中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在強氧化氣氛中較長時間高溫加熱及保溫時，由 于Fe的選擇性氧化，在崗的表層氧化皮與基體界面將富集一層熔點低于1100°C的富Cu相， 并沿奧氏體晶界滲透，將使鋼坯以及軋制后的鋼軌產生表層裂紋或角裂；另一方面，通過焊 接模擬實驗證實，Cu含量提高后將顯著惡化鋼軌的焊接性能特別是鋁熱焊的沖擊韌性，不 利于鋼軌接頭的服役安全性。因此，Cu含量為0. 30%?0. 50%為宜。
[0010] Ni含量為Cu含量的1/2?2/3。在含Cu鋼中添加 Ni，能夠提高Cu在奧氏體中的 溶解度，在含Cu鋼中加入一定量的Ni，能夠防止Cu脆現象的發生，同時可進一步提高鋼軌 的耐腐蝕性能，由于Ni為昂貴合金元素，適宜的含量為Cu含量的1/2?2/3,即Ni在鋼中 的作用除提高耐腐蝕性能外，主要用于減輕Cu含量提高對鋼軌各項指標的危害。
[0011] 對于鋼中的P元素，則是耐腐蝕鋼材中作用僅次于Cu的最重要的耐腐蝕元素 ，P 在鋼中提高耐大氣腐蝕方面有著特殊的作用，主要表現為P促使非晶態銹層的形成并改善 銹層結果，提高致密度及和鋼表面的粘結性、增強與大氣隔離方面有著獨特的效應有關。鋼 中適量的Cu和P同時添加到鋼中，其復合耐腐蝕作用更加顯著。因此，低于耐腐蝕鋼中的 P含量，一般不宜超過〇. 1%。然而，P提高耐腐蝕性能的同時也帶來了脆性增加、韌塑性特 別是沖擊韌性降低的危害，在鋼軌等高碳鋼中十分明顯。研究表明，既要發揮P對提高耐腐 蝕性能的有益作用，又要降低因脆性導致服役風險的增加，適宜的P含量控制在0. 03%? 0. 05%為宜，如P含量低于0. 03%，鋼軌在大氣環境中的耐腐蝕性能無法有效提高；如P含 量高于0. 05%，鋼軌脆性過大，無法滿足服役要求。
[0012] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼的顯微組織為珠光體或者珠光體和少量鐵素體的 混合體，其力學性能為：抗拉強度Rm彡lOOOMPa，A彡11%。
[0013] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼可采用常規工藝制備。
[0014] 本發明還提供本發明耐腐蝕性的微合金化鋼制備的鋼軌。
[0015] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼，可用以下方法制備成大軸重、大運量重載鐵路運 輸用的鋼軌：采用轉爐或電爐冶煉含所述成分的鋼水，經爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為 大方坯后送入加熱爐加熱并保溫，采用孔型法或萬能法軋制成單重50?75kg/m鋼軌，空 冷至室溫后可獲得耐腐蝕性能優良的微合金化鋼軌。可采用如下的具體工藝步驟：將含本 發明所述化學成分的鋼，經轉爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為一定斷面 連鑄坯后，送至步進式加熱爐中加熱至1200?1300°C并保溫3h以上，將鋼坯軋制為50? 75kg/m所需斷面鋼軌，空冷至室溫并完成后續矯直、探傷、加工等工序后獲得成品鋼軌。
[0016] 本發明鋼軌產品的顯微組織為珠光體+少量鐵素體，抗拉強度> lOOOMPa、耐海洋 環境及酸性大氣環境，在海洋環境中銹蝕率不超過相同條件下普通碳素鋼軌的1/2,在酸性 大氣環境中銹蝕率不超過相同條件下普通碳素鋼軌的2/3,適宜于沿海地區及高相對濕度 隧道應用。
【具體實施方式】
[0017] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼，其化學成分由以下重量百分比的元素組成：C: 0· 73 % ?0· 85 %，Si :0· 30 % ?0· 90 %，Μη :0· 80 % ?1. 20 %，Cr :0· 20 % ?0· 40 %，Cu : 0· 30%?0· 50%，Ni :Cu 含量的 1/2 ?2/3, P :0· 03%?0· 05%，S :彡 0· 025% ;以下三種 元素中的至少一種：V :0· 04%?0· 12%，Nb :0· 02%?0· 06%、Re :0· 005%?0· 05%;余量 為Fe和不可避免的雜質。
[0018] 本發明專利含有0. 30 %?0. 50 %的Cu、Cu含量1/2?2/3的Ni以及0. 03 %? 0.05%的P，三種元素缺一不可。
[0019] Cu含量需要嚴格控制在0.30 %?0.50 %。當鋼中Cu含量<0.20%，作為鋼中提 高耐腐蝕性能最重要的元素，無法發揮相應作用，進而達到本發明提高鋼軌耐腐蝕性能的 目的；當鋼中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在強氧化氣氛中較長時間高溫加熱及保溫時，由 于Fe的選擇性氧化，在崗的表層氧化皮與基體界面將富集一層熔點低于1100°C的富Cu相， 并沿奧氏體晶界滲透，將使鋼坯以及軋制后的鋼軌產生表層裂紋或角裂；另一方面，通過焊 接模擬實驗證實，Cu含量提高后將顯著惡化鋼軌的焊接性能特別是鋁熱焊的沖擊韌性，不 利于鋼軌接頭的服役安全性。因此，Cu含量為0. 30%?0. 50%為宜。
[0020] Ni含量為Cu含量的1/2?2/3。在含Cu鋼中添加 Ni，能夠提高Cu在奧氏體中的 溶解度，在含Cu鋼中加入一定量的Ni，能夠防止Cu脆現象的發生，同時可進一步提高鋼軌 的耐腐蝕性能，由于Ni為昂貴合金元素，適宜的含量為Cu含量的1/2?2/3,即Ni在鋼中 的作用除提高耐腐蝕性能外，主要用于減輕Cu含量提高對鋼軌各項指標的危害。
[0021] 對于鋼中的P元素，則是耐腐蝕鋼材中作用僅次于Cu的最重要的耐腐蝕元素，P 在鋼中提高耐大氣腐蝕方面有著特殊的作用，主要表現為P促使非晶態銹層的形成并改善 銹層結果，提高致密度及和鋼表面的粘結性、增強與大氣隔離方面有著獨特的效應有關。鋼 中適量的Cu和P同時添加到鋼中，其復合耐腐蝕作用更加顯著。因此，低于耐腐蝕鋼中的 P含量，一般不宜超過〇. 1%。然而，P提高耐腐蝕性能的同時也帶來了脆性增加、韌塑性特 別是沖擊韌性降低的危害，在鋼軌等高碳鋼中十分明顯。研究表明，既要發揮P對提高耐腐 蝕性能的有益作用，又要降低因脆性導致服役風險的增加，適宜的P含量控制在0. 03%? 0. 05%為宜，如P含量低于0. 03%，鋼軌在大氣環境中的耐腐蝕性能無法有效提高；如P含 量高于0. 05 %，鋼軌脆性過大，無法滿足服役要求。
[0022] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼的顯微組織為珠光體或者珠光體和少量鐵素體的 混合體，其力學性能為：抗拉強度Rm彡lOOOMPa，A彡11%。
[0023] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼可采用常規工藝制備。
[0024] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼，可用以下方法制備成大軸重、大運量重載鐵路運 輸用的鋼軌：采用轉爐或電爐冶煉含所述成分的鋼水，經爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為 大方坯后送入加熱爐加熱并保溫，采用孔型法或萬能法軋制成單重50?75kg/m鋼軌，空 冷至室溫后可獲得耐腐蝕性能優良的微合金化鋼軌。可采用如下的具體工藝步驟：將含本 發明所述化學成分的鋼，經轉爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為一定斷面 連鑄坯后，送至步進式加熱爐中加熱至1200?1300°C并保溫3h以上，將鋼坯軋制為50? 75kg/m所需斷面鋼軌，空冷至室溫并完成后續矯直、探傷、加工等工序后獲得成品鋼軌。
[0025] 下面結合實施例對本發明的【具體實施方式】做進一步的描述，并不因此將本發明限 制在所述的實施例范圍之中。
[0026] 實施例1
[0027] 本發明耐腐蝕性的微合金化鋼，選用本發明所述的化學成分，其中，C含量 0.73%?0.85%、5丨含量0.30%?0.90%、]?11含量0.80?1.20、0含量0.20%?0.40%， Cu含量0· 30 %?0· 50 %、Ni含量為Cu含量的1/2?2/3、P含量0· 03 %?0· 05 %、S含 量彡0.025%，同時，可根據需要至少添加￥(0.04%?0.12%)、恥(0.02%?0.06%)、 Re (0. 005%?0. 05% )中一種，余量為Fe和不可避免的雜質，具體各組的化學成分見表1。
[0028] 表1本發明八組實施例化學成分
[0029]
【權利要求】
1. 耐腐蝕性的微合金化鋼，其特征在于，其化學成分由以下重量百分比的元素組成： C :0. 73%?0. 85%，Si :0. 30%?0. 90%，Mn :0. 80%?1. 20%，Cr :0. 20%?0. 40%， Cu :0· 30%?0· 50%，Ni :Cu 含量的 1/2 ?2/3, P :0· 03%?0· 05%，S :彡 0· 025% ; 以下三種元素中的至少一種：V :0. 04 %?0. 12 %，Nb :0. 02 %?0. 06 %、Re : 0. 005%?0. 05% ; 余量為Fe和不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述的耐腐蝕性的微合金化鋼，其特征在于：鋼的顯微組織為珠光 體或者珠光體和少量鐵素體的混合體，力學性能為：Rm彡lOOOMPa，A彡11%。
3. 權利要求1或2所述的耐腐蝕性的微合金化鋼制備的鋼軌。
4. 制備權利要求3所述的鋼軌的方法，其特征在于步驟如下：用轉爐或電爐冶煉鋼水， 經爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為大方坯后送入加熱爐加熱并保溫，采用孔型法或萬能法 軋制成單重50?75kg/m鋼軌，空冷至室溫后，獲得耐腐蝕性的微合金化鋼軌。
【文檔編號】C22C38/48GK104060187SQ201410334327
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月14日 優先權日:2014年7月14日
【發明者】韓振宇, 鄒明, 賈濟海, 郭華, 李大東, 鄧勇, 王春建, 袁俊, 陳崇木 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司