一種利用含稀土La元素的納米貝氏體材料制造鋼軌的方法以及鋼軌的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及鋼軌的制造方法及其鋼軌，尤其設及利用含稀±La元素的納米貝氏體 材料制造鋼軌的方法及其鋼軌。
【背景技術】
[0002] 隨著高速鐵路在世界范圍內的蓬勃發展，對高速鐵路鋼軌的綜合性能提出日趨苛 刻的要求。貝氏體鋼軌是我國根據鐵路發展需要和自身資源特色開發的新一代超高強度鋼 軌，因獨特的成分設計而具備超高強度(可達1500M化），其成分特色是鋼中加入Mn、Cr、Mo、 Ni等合金，提高貝氏體空冷澤透性，抑制碳化物析出，使C固溶，運樣可對強度產生最大貢 獻;其空冷自硬化特性可實現鋼軌的超短工藝流程生產，從而具有增加效益、節約能源、減 少污染等一系列優點，使其成為高速鐵路鋼軌更新換代的新鋼種。
[0003] 但是隨著強度的不斷增加，貝氏體鋼軌的初性略顯不足，W及環境中的氨元素進 入鋼軌中導致的延遲斷裂等問題，大大削弱了貝氏體鋼軌在強度性能方面的優勢，強度與 初性的突出矛盾成為急需解決的研究難題;而且鋼中加入較多的昂貴合金元素 Mo、Ni，導致 生產過程中的能耗增加，加大鋼材使用后的回收難度，不利于提高經濟效益W及環境的保 護。此外，由于微合金貝氏體鋼軌成分復雜，加之鋼軌自身的斷面特點，其冷卻過程轉變組 織復雜多樣，微觀組織演變規律尚不明確，結果較難得到理想的強初配比優良的貝氏體組 織，致使鋼軌在使用初期便出現了軌裂，同時伴有剝離掉塊現象。
[0004][0005][0006][0007][000引公開號為CN101613830B的專利申請介紹了一種熱社貝氏體鋼軌及生產工藝，其成 分設計中采用復合式方法加入師、V、Ti，因 Nb、V、Ti屬于強碳化物形成元素，其未溶的強碳 化物硬質相較粗大，容易成為疲勞裂紋源，降低沖擊初性。
[0009][0010][0011] 上述專利所設及貝氏體鋼軌中存在W下各種技術問題：貝氏體鋼軌中添加較多昂 貴合金Mo、Ni合金；貝氏體鋼軌的強度與初性、延伸性很難同時匹配，換軌頻繁；鋼軌的制 造、加工工藝及后序熱處理工序繁雜，過程不易控制，不利于節能減排等等;運些因素大大 限制了貝氏體鋼軌的推廣應用。
[0012] 不斷提高的冶煉技術水平使鋼的潔凈度越來越高，稀±在潔凈鋼中的微合金化作 用被發現和采納。但是目前針對稀±在含Mn、Cr等合金的空冷貝氏體鋼軌中的應用還未見 相關專利及報道。
【發明內容】
[0013] 基于上述技術背景，本發明提供了一種含稀±La元素的納米貝氏體材料制造鋼軌 的方法W及依據該方法制造出的鋼軌，其組織為帶有微李晶板條及高密度位錯的納米級貝 氏體精細板條，鋼軌具有優良強初性配比。
[0014] 本發明提供了一種含稀±13元素的納米貝氏體鋼軌制備方法，包含如下步驟：
[0015] 冶煉工藝:其中包括:1)脫氧脫硫步驟，對所述納米貝氏體鋼軌的材料基體進行脫 氧脫硫，W便純凈的材料組織;2)元素添加步驟，在所述純凈的材料組織中，添加的元素和 含量重量百分比計分別為:碳C:0.18%-0.30%，儘Mn:1.4%-1.8%，娃51:0.8%-1.0%，銘 Cr。. 0%，鋼Mo: 0.25-0.32 %，銅La: 0.0050%-0.0 l5 %，其余為鐵化及雜質，合金元素車孟、 娃、銘和鋼的總量滿足關系：3.0 <Mn+Si+化+Mo < 3.82% ;3)精煉步驟，對于元素添加后得 到的所述材料組織進行真空脫氣處理，然后連鑄成巧，隨后社制成鋼軌；
[0016] 社制步驟:將鑄巧加熱至1200°C-125(rC，粗社孔型社制的開巧溫度為1180°C，萬 能精社的終社溫度范圍為960°C-98(rC ; W及
[0017] 冷卻步驟：W分階段控制冷卻方式，對社制后的所述鋼軌進行冷卻:首先利用所述 社制后的余熱，將所述鋼軌快冷至860°C;在860°C-45(rC溫度區間，冷卻速度小于5TVS; 450°C -250°C溫度區間，冷卻速度小于2 °C /S; 250°C后空冷至室溫。
[001引在本發明中，鋼中加入稀±La元素，La能夠增強MnXr、Mo等合金元素的澤透性，大 大提高強化效果，結合熱社過程中的形變強化、稀±抑制再結晶細化晶粒作用、貝氏體相變 過程中的控制冷卻及稀±細化貝氏體板條作用，可將貝氏體鐵素體板條細化至72nm~ 95nm，亞片條細化至50nm W下。
[0019] 本發明的發明人經過深入微觀結構觀察，發現在本發明的鋼的貝氏體鐵素體板條 內部存在兩種亞結構:2nm-5nm的超細李晶板條及高密度位錯，二者分別起到了顯著的形變 細晶強化及位錯強化效果，運對貝氏體鋼軌的高強初性能做出了突出貢獻，同時促成了硬 度的迅速增加，耐磨性也隨之提高，運與稀±促進位錯生成及提高位錯密度的研究報道相 符。同時發現，本發明鋼中貝氏體鐵素體板條間存在殘余奧氏體(RA),能夠吸收部分沖擊功 并使疲勞裂紋尖端純化，大大改善初性;因稀±La的加入，使其比例可控制在1%-5%，并呈 現細條狀，而非粗大塊狀，使本發明鋼中的RA機械穩定性強，外力作用下不易誘發馬氏體轉 變，保證了鐵軌使用中的可靠性及安全性。
[0020] 本發明鋼中添加稀±La后，能有效提高鋼的澤透性，提高強化效果;社制過程中稀 ±抑制再結晶、細化晶粒；貝氏體形核及其長大過程中稀±細化貝氏體鐵素體板條;稀±促 進貝氏體板條內位錯的生成;稀±影響殘余奧氏體數量及其形貌;稀±在貝氏體鋼中可起 到變質夾雜物及凈化晶界等作用，上述稀±作用使本發明鋼中即使不添加昂貴合金Ni元 素，也能保證本發明鋼抗拉強度不低于1500MPa，室溫下的沖擊功不低于80J，硬度可達 480皿，同時使鋼軌兼具優異的耐磨性、抗疲勞性能及硬度。
[0021] 本發明鋼的合金設計特點是利用稀±與合金元素的運種優勢互補作用及稀±自 身在貝氏體鋼中的獨特作用，降低合金成本，且稀±的抑制再結晶作用可提高萬能精社的 終社溫度至96(TC-98(rC的較寬范圍，使鋼軌在工業化生產中更容易實現本發明采用的分 階段控制冷卻工藝，省去繁雜的熱處理工藝，提高了本發明鋼種的生產工藝適應性。本發明 制造成本低廉、工藝簡單，便于大規模生產，同時利于節能減排，可實現資源的經濟型和可 循環利用性。
[0022] 此外，在社制工藝中，粗社孔型社制的開巧溫度為118(TC，因稀±La抑制社制過程 中的再結晶，實現在未再結晶區社制，增加未再結晶奧氏體晶界、形變帶和位錯李晶等晶體 缺陷，提高形核率，細化晶粒，運樣便可將萬能精社的終社溫度提高至960°C-98(rC范圍內， 降低設備消耗，同時保證有效利用社后余熱實現控制冷卻，提高鋼軌強度，利于節能環保。 在冷卻工藝中，首先利用社后余熱，快冷至86(TC，進一步細化高溫細小的奧氏體晶粒;為避 免鋼軌因橫斷面冷卻不均勻而產生較大彎曲變形、增加矯直應力，860°C-45(rC溫度區間的 冷卻速度應小于5 °C/S，運樣可提高鋼軌平直度，確保本發明鋼軌使用安全性;450°C-250°C 溫度區間發生貝氏體轉變，為促進生成高比例納米貝氏體板條，獲得最佳強初性能，冷卻速 度應控制在0.8°C/S-1.5°C/S范圍內，同時為避免生成馬氏體，冷卻速度須小于2°C/S;250 °(：后空冷至室溫。
[0023] 進一步地，本發明所述的含稀±La元素的納米貝氏體鋼軌制備方法，中，在所述冷 卻步驟中，在所述450-250°C溫度區間，所述冷卻速度控制在0.8°C/S-1.5°C/S范圍內。通過 將冷卻速度控制在0.8°C/S-1.5°C/S范圍內，能夠促進生成高比例納米貝氏體板條，獲得最 佳強初性能。
[0024] 進一步地，本發明所述的含稀±La元素的納米貝氏體鋼軌制備方法，中，在所述冶 煉步驟中，所述納米貝氏體材料中含有的憐P、硫S、銅CuW及侶Al的含量W重量百分比計 為:憐P < 0.015%，硫S含0.008 %，銅Cu < 0.10 %，侶Al < 0.02%，能夠使納米貝氏體鋼軌所 用鋼為潔凈鋼，保證稀±1曰更多地固溶于基體中。
[0025] 本發明另一方面提供了一種利用權利要求1至3中任一項所述的利用含稀±La元 素的納米貝氏體材料制造鋼軌的方法所制造的鋼軌，所述鋼軌的組織為納米級貝氏體結 構，所述貝氏體結構的組織體積分數為95% W上，所述貝氏體結構的鐵素體板條寬度為 7化m~95nm，亞片條細化至50nmW下，存在于板條間的薄膜狀奧氏體的比例為1%-5%，所 述貝氏體結構的貝氏體鐵素體板條內存在微細李晶及高密度位錯，所述微細李晶的板條的 尺寸為2nm-5nm，所述高密