一種高強韌性珠光體鋼軌及其生產方法
【專利摘要】本發明具體涉及一種高強韌性珠光體鋼軌。一種高強韌性珠光體鋼軌，化學成分滿足：C：0.75-0.84％、Si0.3-0.8％、Mn0.5-1.5％、V0.04-0.12％、Ti0.004-0.02％，0.1％≤V+10Ti≤0.25％，[N]≤30ppm，P≤0.02％、S≤0.008％，余量為Fe和不可避免的雜質；制備時控制軋制工序中的工藝：開始軋制溫度1120-1180℃，終軋溫度840-880℃，最后兩道次的斷面縮小率6-12％，終軋后以≤2℃/s的冷速冷卻至600℃以下，繼續空冷至室溫。采用該方法制造的鋼軌珠光體晶粒顯著細化，抗拉強度≥1000MPa，延伸率≥14％，具有良好的強韌綜合性能。
【專利說明】一種高強韌性珠光體鋼軌及其生產方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼軌，更具體地講，涉及一種高強韌性珠光體鋼軌及其生產方法。
【背景技術】
[0002] 鐵路的快速發展對鋼軌的服役性能提出了更高要求，特別是大運量、大軸重的重 載鐵路，鋼軌的過快磨耗導致提前下道已成為影響鐵路運輸效率的重要因素，為提高耐磨 損等綜合性能，在鋼軌生產過程中一般采用合金化、熱處理或兩者相結合的方式。然而，強 硬度的提高將導致珠光體鋼軌原本較低的韌塑性進一步降低，特別是在碳含量提高的情況 下，即使采用熱處理工藝發揮強烈的細晶強化效應，鋼軌的延伸率仍呈現降低的趨勢，限制 了珠光體鋼軌向更高碳含量、更高耐磨損性能方向的發展。研究表明，傳統珠光體鋼軌研究 主要集中在化學成分、熱處理工藝方面，對于鋼軌的軋制過程對顯微組織與力學性能指標 的影響有所忽視。在珠光體鋼軌綜合性能向前進一步發展已十分艱難的情況下，在滿足軋 制條件的前提下通過對軋制過程精細化控制，并配合相應的化學成分、乳后冷卻工藝研究， 鋼軌在保持相同強度級別的條件下韌塑性特別是延伸率將顯著提高，滿足鐵路運輸用鋼軌 長壽化及服役安全性需求。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種高強韌性珠光體鋼軌，所得珠光體鋼軌強度和韌性均 較優。
[0004] 本發明的技術方案：
[0005] 本發明提供一種高強韌性珠光體鋼軌，
[0006] 該鋼軌化學成分滿足如下要求：C :0. 75 % -0. 84 %、Si :0. 30 % -0. 80 %、 Μη :0· 50 % -1. 50 %、V :0· 04 % -0· 12 %、Ti :0· 004 % -0· 02 %，且滿足 0· 10 % 彡V+10Ti彡0· 25%，[N]彡30ppm，P彡0· 020%、S彡0· 008%，余量為Fe和不可避免的雜 質；
[0007] 并且，在制備所述高強韌性珠光體鋼軌時控制其軋制工序中的以下工藝條件：鋼 軌開始軋制溫度1120_1180°C，終軋溫度840-880°C，乳制最后兩道次的鋼軌斷面縮小率 6% -12%，終軋后鋼軌以彡2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下，再繼續空冷至室溫。
[0008] 終軋后鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下采用壓縮空氣作為冷卻介質。
[0009] 終軋后鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速在冷床靜置冷卻至600°C以下。
[0010] 所述鋼軌的斷面為50-75kg/m。
[0011] 發明人在研究過程中發現，若達到細化奧氏體晶粒并最終獲得性能優良的鋼軌產 品，需對鋼坯的化學成分、加熱及保溫溫度、開軋溫度、終軋溫度、最后兩道次軋制量以及余 熱鋼軌在冷床空冷過程進行統一協調控制，才能最終實現高性能鋼軌的生產。
[0012] 首先，詳細說明本發明鋼軌中主要元素含量的限定理由。
[0013] C是珠光體鋼軌提高強硬度、促進珠光體轉變最重要、最廉價的元素，當C含量 < 0. 75%時，在本發明生產工藝下強度、硬度指標過低，無法保證鋼軌所需的耐磨損性能； 當C含量> 0. 84%時，即使終軋后采用< 2. 0°C /s的加速冷卻，在晶界處仍將析出微量二 次滲碳體，惡化鋼軌的韌塑性；因此，C含量限定在0. 75% -0. 84%。
[0014] Si作為鋼中的固溶強化元素存在于鐵素體和奧氏體中提高組織的強度。當Si含 量< 0. 30%時，固溶量偏低導致強化效果不明顯；當Si含量> 0. 80%時，將降低鋼軌的韌 塑性，惡化鋼軌的橫向性能，不利于鋼軌的使用安全。因此，Si含量限定在0. 30% -0. 80%。
[0015] Μη可以和Fe形成固溶體，提高鐵素體和奧氏體的強度。同時，Μη又是碳化物 形成元素，進入滲碳體后可部分替代Fe原子，增加碳化物的硬度，最終增加鋼的硬度。當 Μη含量<0.50 %時，強化效果不顯著，僅能通過固溶強化使鋼的性能略微提高；當Μη含 量> 1.50%時，鋼中碳化物硬度過高，韌塑性明顯降低；同時，Μη在鋼對碳的擴散影響 顯著，即使空冷條件下，Μη偏析區域仍可能產生Β、Μ等異常組織。因此，Μη含量限定在 0· 50% -1. 50%之間。
[0016] V處于室溫條件下時，在鋼中的溶解度很低，而在熱軋過程中如存在于奧氏體晶界 或其它區域，以細化顆粒狀的釩碳氮化物形式析出，或與鋼中的Ti復合析出，抑制奧氏體 晶粒的生長，從而達到細化晶粒提高性能的目的。當V含量低于0. 04%時，含V碳氮化物析 出有限，難以發揮強化效果；當V含量> 0. 12%時，易形成粗大的碳氮化物，惡化鋼軌的韌 塑性。因此，V含量限定在0.04%-0.12%。
[0017] Ti在鋼中的主要作用是細化加熱、乳制及冷卻時奧氏體晶粒，最終增加鋼軌的延 伸率和剛度，是本發明重要的添加元素之一。當Ti含量< 0. 004%時，在鋼軌中形成的碳 化物數量極為有限；當Ti含量> 0. 02%時，一方面由于Ti是強碳氮化物形成元素，產生 的TiC偏多將使鋼軌硬度過高；另一方面，TiC偏多將偏聚富集形成粗大碳化物，不僅降低 韌塑性，還使得鋼軌在沖擊載荷作用下接觸面易于開裂并導致斷裂。因此，Ti含量限定在 0. 004% -0. 02%之間。
[0018] 下面詳述V、Ti元素含量之和滿足0. 10%彡V+10Ti彡0. 25%的原因：V、Ti在鋼中 與C、N等親和力以及形成碳化物的數量和形態有明顯區別，但形成碳氮化物細化奧氏體晶 粒的作用是相似的。以V為例，N含量較低的鋼中，固溶于鐵素體基體的V含量超過50%， 而N含量較高的鋼中，固溶于鋼中的V約為20 %，剩余70 %均已釩碳氮化物的形式析出。在 本發明中，單獨添加 V或Ti對性能的改善均不顯著，如添加0. 10 %的V的同時不添加 Ti鋼 軌強度仍能夠達lOOOMPa但延伸率一般低于12 %，而單獨添加 Ti微合金化，鋼軌的強度無 法達到lOOOMPa要求，通過多次篩選，認為V、Ti含量之和滿足0. 10%彡V+10Ti彡0. 25% 時能夠達到本發明所述目的。
[0019] 在本發明中N含量限定在30ppm以內，主要是為了抑制粗大的含V、Ti的氮化物粗 化，從而達到形成細小彌散的碳化物抑制奧氏體晶粒長大的目的。
[0020] S在鋼中主要以MnS夾雜物形成引起鋼的脆性以及縱橫向性能的差異，當S含量 < 0. 008%時，鋼質純凈度較高，可有效避免車輪應力作用下在夾雜物及其形成的空洞處形 成缺陷，進而影響鋼軌的服役性能。
[0021] 本發明的有益效果：
[0022] 采用該方法制造的鋼軌珠光體晶粒顯著細化，抗拉強度> lOOOMPa，延伸率 > 14%，具有良好的強韌綜合性能。
【具體實施方式】
[0023] 本發明鋼軌化學成分滿足如下要求：C :0. 75% -0. 84%、Si :0. 30% -0. 80%、 Μη :0· 50 % -1· 50 %、V :0· 04 % -0· 12 %、Ti :0· 004 % -0· 02 %，且滿足 0· 1 % 彡 V+10Ti 彡 0· 25 %，[N]彡 30ppm，P 彡 0· 020 %、S 彡 0· 015 %，余量為 Fe 和不可 避免的雜質。采用轉爐或電爐冶煉含有上述成分的鋼水，無鋁脫氧，經LF精煉后降 低鋼中S含量，RH真空處理或VD處理后進行成分微調至目標范圍內，將鋼液連鑄 為250mmX 250mm-450mmX450mm斷面鋼述后冷卻進入加熱爐中加熱。鋼述加熱溫度 彡1200°C，保溫至不超過3h確保鋼坯斷面坯料溫度均勻后出爐，經高壓水去除氧化鐵皮， 鋼軌進行第一道次的開軋溫度為1120_1180°C，選擇上述加熱及軋制溫度的原因主要是解 決在連鑄過程中形成的較粗大的V、Ti析出物重新溶解或大部分溶解，在鋼軌軋制過程中 析出細小的V、Ti碳氮化物，釘扎處于奧氏體相區的奧氏體晶界，細化奧氏體晶粒，以達到 本發明的效果。經五機架或七機架軋制后終軋溫度840-880°C，乳制最后兩道次的鋼軌斷 面縮小率6% -12%，終軋后鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速在冷床靜置冷卻至600°C以下時繼續 空冷至室溫。終軋溫度控制在840-880°C的原因是確保具有一定粒度的析出物穩定、均勻 析出；當溫度高于880°C時，析出物有粗化的趨勢，依托析出的效果有所減弱；當溫度低于 840°C時，析出物過于細小，無法繼續發揮釘扎奧氏體晶界的作用；另外，在840-880°C范圍 內，終軋溫度越低，鋼中V、Ti碳氮化物的析出效果越顯著。同樣，鋼軌最后兩道次變形量控 制在6% -12%也是經試驗證實了的性能較好，同時處于軋機負荷可以承受的變形量范圍。 鋼軌完成軋制到達冷床后繼續以不超過2. 0°C /s的冷速繼續冷卻至600°C的主要目的仍是 確保珠光體組織相變前粗大奧氏體組織的形成，與前述步驟共同達到本發明的目的。當鋼 軌溫度低于600°C時，在空氣中繼續自然冷卻至適宜的溫度完成矯直、探傷、加工等工序，最 終獲得成品鋼軌。
[0024] 在下文中，將結合實施例來具體描述一種高強韌性珠光體鋼軌及其生產方法。
[0025] 實施例以及相應的對比例均選用以下六組本發明所述鋼軌化學成分。
[0026] 表1本發明六組實施例及對比例化學成分
[0027]
【權利要求】
1. 一種高強韌性珠光體鋼軌，其特征在于，該鋼軌化學成分滿足如下要求：c: 0. 75 % -0. 84 %, Si ：0. 30 % -〇. 80 %, Μη ：0. 50 % -1. 50 %, V ：0. 04 % -〇. 12 %, Ti ： 0· 004 % -0· 02 %，且滿足 0· 10 % 彡 V+lOTi 彡 0· 25 %，[N]彡 30ppm，P 彡 0· 020 %、 S < 0. 008%，余量為Fe和不可避免的雜質； 并且，在制備所述高強韌性珠光體鋼軌時控制其軋制工序中的以下工藝條件：鋼軌 開始軋制溫度1120-1180°C，終軋溫度840-880°C，乳制最后兩道次的鋼軌斷面縮小率 6% -12%，終軋后鋼軌以彡2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下，再繼續空冷至室溫。
2. 根據權利要求1所述的一種高強韌性珠光體鋼軌，其特征在于，終軋后鋼軌以 < 2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下采用壓縮空氣作為冷卻介質。
3. 根據權利要求1或2所述的一種高強韌性珠光體鋼軌，其特征在于，終軋后鋼軌以 < 2. 0°C /s的冷速在冷床靜置冷卻至600°C以下。
4. 一種高強韌性珠光體鋼軌的生產方法，其特征在于， 在制備所述高強韌性珠光體鋼軌時控制其軋制工序中的以下工藝條件：鋼軌開始軋制 溫度1120-1180°C，終軋溫度840-880°C，軋制最后兩道次的鋼軌斷面縮小率6% -12%，終 軋后鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下，再繼續空冷至室溫； 該鋼軌化學成分滿足如下要求：C :0. 75 % -0. 84 %、Si :0. 30 % -0. 80 %、 Μη :0· 50 % -1. 50 %、V :0· 04 % -0· 12 %、Ti :0· 004 % -0· 02 %，且滿足 0· 10 % 彡V+10Ti彡0· 25%，[N]彡30ppm，P彡0· 020%、S彡0· 008%，余量為Fe和不可避免的雜 質。
5. 根據權利要求4所述的一種高強韌性珠光體鋼軌的生產方法，其特征在于，終軋后 鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速冷卻至600°C以下采用壓縮空氣作為冷卻介質。
6. 根據權利要求4或5所述的一種高強韌性珠光體鋼軌的生產方法，其特征在于，終乳 后鋼軌以< 2. 0°C /s的冷速在冷床靜置冷卻至600°C以下。
【文檔編號】C22C38/14GK104195433SQ201410443977
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】韓振宇, 鄒明, 陶功明, 郭華, 李大東, 鄧勇 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司