低碳無碳化物貝氏體鋼及其制造方法和其在鋼軌中的應用的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種無碳化物低碳貝氏體鋼、制造方法及其在鋼軌中的應用，其金相組織為貝氏體和馬氏體構成的復相組織，其中的貝氏體組織體積分數為20-50％，無碳化物；該低碳貝氏體鋼含有的化學元素及其質量百分比為：0.10-0.22％的C、0.9-1.6％的Si、1.7-2.4％的Mn、0.2-1.0％的Cr、0.01-0.15％的V、小于0.012％的P、小于0.015％的S，余量為Fe及不可避免的雜質。其成本低，綜合性能好，符合節能減排的政策要求。
【專利說明】低碳無碳化物貝氏體鋼及其制造方法和其在鋼軌中的應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于合金領域，具體來說一種低碳且無碳化物的貝氏體鋼， 申請人:命名其 牌號為20Mn2SiCrV低碳無碳化物貝氏體鋼，所得鋼種具有高強度、高韌性、高耐磨性等特 點，綜合性能優異，能顯著提高產品的使用壽命。本發明還涉及其適于工業化的制備方法， 和該種鋼在鋼軌中的應用。
【背景技術】
[0002] 鋼材是國家建設必不可少的重要物資，其應用廣泛、品種繁多。隨著經濟建設的發 展，鋼材作為結構及功能材料的重要組成部分，人們對其機械及使用性能的要求不斷提高。 特種鋼的研制與生產成為了鋼鐵行業的主要發展方向，其中貝氏體鋼以其優異性能正逐漸 被各行業認可。
[0003] 鐵路的發展在經濟發展中占據重要地位，鋼軌作為鐵路發展的基礎顯得尤為重 要。由于鋼軌承載機車重量并受到碾壓和沖擊，因此對鋼軌的強度、硬度、延伸率、焊接性和 耐沖擊韌性要求都較高，特別是重載鋼軌，其綜合性能要求更高。目前，鋼軌用鋼可分為如 下幾類：珠光體鋼、低碳馬氏體鋼和貝氏體鋼。研究表明，珠光體鋼性能及加工工藝的研究 已經接近極限，低碳馬氏體鋼焊接性能不穩定。目前，世界范圍內鋼軌用鋼材主要為珠光體 鋼，這種珠光體鋼存在的主要問題為沖擊韌性偏低，而我國生產的珠光體鋼軌軌腰部分沖 擊韌性低于8J/cm2。而貝氏體鋼各方面性能優異，是今后鋼軌材料發展的方向之一。目前， 國外貝氏體鋼研究重點為高碳貝氏體，材料的抗沖擊性能及韌性受碳含量影響明顯。為避 免碳含量對材料強韌性的不利影響，近年來低碳貝氏體鋼成為研究的熱點。
[0004] 貝氏體鋼研究初期，為獲得良好的下貝氏體組織，必須進行等溫處理，這在生產上 有諸多不便。貝氏體相變理論的研究推動了貝氏體鋼開發和應用，采用空冷的貝氏體鋼被開 發出來。為了保證鋼種的強度和貝氏體轉變所需要的合理的淬透性，需要添加適合轉變的其 他合金元素，以通過合金化轉變成無碳化物貝氏體組織。目前的貝氏體鋼主要有如下體系 ：
[0005] (I)Mo-B系貝氏體鋼，通過在合金中添加Mo和B抑制多邊形鐵素體的形成。但這 種鋼初始轉變溫度高，韌性差。
[0006] ⑵Mn-B系貝氏體鋼，通過Mn與B結合，使貝氏體相變溫度降低，細化貝氏體尺寸，改 善強度和韌性。缺點是由于B的化學性質活潑，不易控制，形成B的化合物會降低材料韌性。
[0007] (3)Si-Mn-Mo準貝氏體鋼，通過Mn和Mo提高淬透性。
[0008] (4)微合金化空冷貝氏體鋼，通過加入Re、Ti、V合金化，使奧氏體晶粒尺寸減小， 顯微組織明顯細化，改善強韌性。
[0009] (5)含Cu鋼，通過加入Cu與B聯合作用，進一步抑制貝氏體轉變前的先共析鐵素 體形成，同時銅可使鈮的碳化物高溫應變誘導析出加速。
[0010] 在貝氏體鋼中，昂貴的Mo、Ni的使用，限制了產品的商業化發展，而B又不易控制 產品質量，也對產品的推廣應用造成了限制。另外，不同領域對鋼的性能的要求也不同，例 如有的要求較好的焊接性，有的要求較高耐磨性。然而由于合金元素的相互影響，提高某一 性能往往也會對其他性能產生負面影響，這也對貝氏體鋼的研制提出了更高的要求。
[0011] 鋼軌用鋼，對材料的硬度、強度、韌性、焊接性等均有較高要求，是貝氏體鋼應用研 究的一個主要領域。
[0012] 目前，鋼軌用貝氏體鋼大部分采用的都是Si-Mn-Mo體系，除Si、Mn、Mo是必須的合 金元素外，甚至還需要添加有Cr、Nd、V、Ni等。這種合金由于采用Mo、Ni，成本較高，同時由 于鋼軌用鋼量巨大，因此在鐵路上真正推廣應用難度很大，限制了其商業化。另外，目前開 發的Si-Mn-Mo貝氏體鋼軌材料，經過研究，其金相組織為貝氏鐵素體+ (M-A)島，貝氏鐵素 體大多呈板條狀特征，所占比例在80%以上。其軌頭拉伸性能Rm達到1250-1270MPa，延伸 率12-16%，常溫沖擊韌性Aku為72-88J/cm2,硬度HB為363-375。（"抗拉強度1200MPa貝 氏體鋼軌的開發及其在鐵路上的應用"，陳昕等，《鋼鐵》。2008年11月第43卷第11期）。
[0013]中國專利文獻CN102534403A、CN102021481A，用Nb、V、Ti甚至還有Co、W代替 了Mo、Ni,通過在鋼軌軋制溫度范圍內析出Nb、V、Ti的碳氮化物抑制奧氏體再結晶晶粒 的長大，同時以碳氮化物作為貝氏體相變形核質點，增加形核數量，盡可能多地產生板條 貝氏體，限制M-A島的尺寸及所占比例。其力學性能為Rm達到1060-1350MPa，延伸率 11-16. 5 %，常溫沖擊韌性Aku為 28-52J/cm2。
[0014] 申請人:開發的復合轍叉用的心軌，主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、Ni,附以微量 元素V和Nd,其抗拉強度大于1320MPa，延伸率大于9 %，常溫沖擊韌性大于75J/cm2,硬 度HRC38-45。合金元素為Si、Mn、Cr、Mo、Ni的曲線和重載貝氏體鋼軌，其抗拉強度為 1300-1500MPa，延伸率A彡10%，常溫沖擊韌性彡75J/cm2,布氏硬度彡380HB。
[0015] 上述貝氏體鋼軌，雖然在性能上具有突出的表現，然而由于都采用了Mo、Ni、Nb、Ti 等貴重合金元素，因此都具有成本高的不足，限制了商業化應用。
[0016] 日本開發的貝氏體鋼以Mn、Si、Cr為主要合金元素（CN102021481A)，選擇添加Mo、 Cu、Ni或Ti、V、Nb或者B，其控制方法是由700°C以上的高溫以I-KTC/s的速度快速冷卻 至IJ500-300°C再自然冷卻到常溫。其金相組織主要是貝氏體組織，并有可能有微小的回火馬 氏體組織，該文獻認為馬氏體損害鋼韌性，因此馬氏體組織越少越好。其不足是在提高耐磨 性同時其沖擊韌性較低，即使其要控制馬氏體組織的出現，但其沖擊韌性要明顯低于前述 國內的貝氏鐵鋼軌，因此其只適合作鋼軌上端耐磨部分，作軌腰則由于沖擊韌性差反而會 降低使用壽命。
[0017] 另外，為提高鐵路運力，重載鋼軌不僅要求強度和硬度好，還對沖擊韌性提出了更 高的要求，現有的貝氏體鋼軌材料雖然其沖擊韌性比傳統的低碳馬氏體鋼軌有較大提高， 但由于目前貝氏體鋼軌材料的高成本，沖擊韌性低意味著鋼軌壽命短，基于上述種種原因， 目前貝氏體鋼由于成本等因素在鋼軌上的真正商業化擴廣應用受到了較大限制。
【發明內容】
[0018] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種低碳無碳化物貝氏體鋼材料，是一種 20Mn2SiCrV低碳貝氏體鋼,這種鋼不需要添加貴重合金元素Mo、Ni、Nd等,也不需要添加活 潑元素B，因此材料成本低，而且綜合性能優于現有鋼軌用鋼。
[0019] 本發明的另一個目的還在于提供這種20Mn2SiCrV低碳貝氏體鋼在鋼軌上的應用。
[0020] 本發明第三個目的在于提供一種上述20Mn2SiCrV低碳貝氏體鋼在線控冷生產方法。
[0021] 申請人:經過大量的研究驚奇地發現，作為貝氏體鋼軌，并非貝氏體組織含量越高 越好，采用本發明的合金元素組成，控制金相組織為下貝氏體與馬氏體復合體，且下貝氏體 組織體積分數為20-50%且無碳化物時，得到的貝氏體鋼不僅強度、延伸率和硬度優良，而 且能夠獲得更高的沖擊韌性，因此特別適合于鋼軌用鋼，并且不需要Mo、Ni等合金元素，降 低了成本，易于推廣。
[0022] 為實現本發明第一個目的，提供一種20Mn2SiCrV無碳化物低碳貝氏體鋼，其 金相組織為貝氏體和馬氏體構成的復相組織，無碳化物，其中的貝氏體組織體積分數為 20-50%;該低碳貝氏體鋼含有的化學元素及其質量百分比為：0. 10-0. 22%的C、0. 9-1. 6% 的Si、l. 7-2. 4%的Μη、0· 2-1. 0%的Cr、0. 01-0. 15%的V、小于 0· 012%的P、小于 0· 015% 的S，余量為Fe及不可避免的雜質。
[0023] 比較優選的是，含有的化學元素及其質量百分比為：0.14-0. 20%的C、l. 0-1. 4% 的Si、l. 8-2. 3%的Μη、0· 3-0. 8%的Cr、0. 03-0. 12%的V、小于 0· 012%的P、小于 0· 015% 的S，和余量的Fe及不可避免的雜質。
[0024] 本發明的20Mn2SiCrV以C-Mn-Si-Cr為主要合金元素，避免加入Ni、Co、W、Nb元 素，有利于降低合金成本；含有較低的p、S含量，有利于改善鋼軌的抗脆斷能力。其特殊的 下貝氏體與馬氏體的復合金相組織結構，使得晶粒接觸面的晶界紋理方向交錯，受到沖擊 應力時晶界破壞方向不能沿固定方向延展，因此提高了其沖擊韌性。
[0025] 一種上述20Mn2SiCrV無碳化物低碳貝氏體鋼在鋼軌中的應用，這種20Mn2SiCrV 無碳化物低碳貝氏體鋼，其抗拉強度大于1250MPa，屈服強度大于900MPa，延伸率大于 10 %，常溫沖擊韌性Aku大于100J/cm2,布氏硬度HB大小390,具有優異的綜合性能，而且 采用的合金元素成本低，制造方法簡便易于控制，符合我國節能減排的戰略要求，能夠滿足 我國鐵路建設的需要，特別適用于重載鐵路線路。
[0026] 本發明還提供了 20Mn2SiCrV低碳貝氏體鋼材料的制備方法，該方法包括如下步驟：
[0027] (1)冶煉：經過轉爐或電爐冶煉一爐精煉一真空脫氣一連鑄一軋制一緩冷， 得到含有下述重量百分含量化學元素的連鑄鋼坯：〇. 10-0. 22%的C、0. 9-1. 6%的Si、 L7-2. 4% 的Μη、0· 2-L0% 的Cr、0. 01-0. 15% 的V、小于(λ012% 的P、小于(λ015% 的S，和 余量的Fe以及不可避免的雜質；
[0028] (2)軋制：將上述連鑄鋼坯經過加熱-開坯-粗軋和精軋；
[0029] (3)在線控冷，將精軋后的鋼坯進行在線控冷，將鋼坯以I-KTC/s的冷速強制 冷卻至200-350°C，然后以0. 01-0. 5°C/s的冷速緩慢冷卻至室溫，得到含有體積分數為 20-50 %貝氏體組織；
[0030] (4)穩定化處理：將上述貝氏體鋼坯在在200-350°C溫度下保溫6-60小時，穩定顯 微組織，消除殘余應力。
[0031] 本發明中，由于減少Mo、Nb、B等合金元素，欲獲得所需性能的貝氏體，對鋼坯中非 金屬夾雜物的控制，特別是對[H]、P、S含量的控制較常規貝氏體鋼要更加嚴格，本發明具 體可以采用如下方法：
[0032] (a)在所述冶煉和爐精煉過程采用高鋁質/MgO-C耐火材料，以及石灰CaC03/MgC03 渣料，只有滿足該條件，才能控制鋼坯的非金屬夾雜物水平，避免出現單個的大顆粒夾雜；
[0033] (b)所述精煉過程控制鋼水的P的質量百分比不高于0. 01%，[H]和[0]含量分 別小于2.Oppm和20ppm;
[0034] (c)所述冶煉中緩冷過程要采用在600-700°C保持24-120小時，只有滿足該條件， 才能有效降低鋼坯的[H]含量；
[0035] 最終鋼坯的非金屬夾雜物水平為：A類夾雜小于2. 0,B類夾雜小于1. 5,C類夾雜 小于1. 5,D類夾雜小于1. 5。
[0036] 本發明中，還包括具體采用以下方法消除貝氏體鋼軌的微觀缺陷以及減小原奧氏 體晶粒的尺寸：
[0037](a)、所述步驟⑵中粗軋和萬能精軋采用的軋機噸位在900噸以上，只有滿足該 條件，才能有效地消除微觀缺陷；
[0038] (b)、所述步驟（2)中萬能精軋的終止軋制溫度是950-860°C，只有滿足該條件，才 能有效地減小原奧氏體晶粒尺寸。終軋溫度對產品的性能有一定的關聯，冷卻速度快慢對 拉伸強度的高低有很大的關系。冷卻快，強度大，但沖擊（韌性）下降。最后的保溫時間要 有合理、科學的時間即可。過長不會無限提高性能。自然冷卻性能不好，因為達不到合理的 組織。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明的20Mn2SiCrV低碳貝氏體鋼金相組織照片，圖中標尺為10μm。
【具體實施方式】 [0040]
[0041] 下面結合具體實施例，對本發明作進一步說明，以助于理解本發明的內容。、
[0042] 步驟1鋼材料的制備
[0043] 經過轉爐或電爐冶煉一爐精煉一真空脫氣一連鑄一緩冷獲得鋼坯，含有的化學元 素及其重量百分比為 〇· 10-0. 22%的C、0. 9-L6%的Si、L7-2. 4%的Mn、0. 2-L0%的Cr、 0.01-0. 15%的V、小于0.012%的P、小于0.015%的S，和余量的Fe以及不可避免的雜質；
[0044] 冶煉和精煉過程采用高鋁質/MgO-C耐火材料，以及石灰CaC03/MgC03渣料；
[0045] 精煉過程鋼水的P的質量百分比不高于0. 01 %，[H]和[0]含量分別小于2.Oppm 和 20ppm;
[0046] 緩冷過程采用在600-700°C保持24-120小時。
[0047] 步驟2貝氏體鋼軌的制造
[0048] 將步驟1制得的貝氏體鋼坯軋制成鋼軌，鋼坯加熱溫度為：1150-1250°C，開坯溫 度為1100-1200°C，采用噸位為900噸以上的軋機粗軋，噸位為900噸的萬能軋制精軋，終止 軋制溫度為860-950°C;
[0049]鋼軌的軌型：50kg/m，60kg/m，68kg/m，75kg/m。
[0050]將上述熱軋后的鋼軌以I-KTC/s的冷速強制冷卻至200_350°C，然后以 0. 01-0. 5°C/s的冷速緩慢冷卻至室溫；
[0051] 將上述鋼軌在200-350°C保溫6-60小時，穩定顯微組織。
[0052] 熱處理后的鋼軌性能為：抗拉強度1200_1500MPa，屈服強度900_1150MPa，延伸率 大于10%，常溫沖擊值Aku 100-200J/cm2,布氏硬度大于HB390。
[0053]下面表中給出了具體不同條件下的具體實施例以及機械性能。
[0054]
【權利要求】
1. 一種無碳化物低碳貝氏體鋼，其金相組織為貝氏體和馬氏體構成的復相組織， 其中的貝氏體組織體積分數為20-50%，無碳化物；該低碳貝氏體鋼含有的化學元素及 其質量百分比為：〇· 10-0. 22% 的 C、0. 9-1. 6% 的 Si、l. 7-2. 4% 的 Mn、0. 2-1. 0% 的 Cr、 0. 01-0. 15%的V、小于0. 012%的P、小于0. 015%的S，余量為Fe及不可避免的雜質。
2. 如權利要求1所述的無碳化物低碳貝氏體鋼，其特征在于含有的化學元素及其 質量百分比為：〇· 14-0. 20 % 的 C、l. 0-1. 4 % 的 Si、l. 8-2. 3 % 的 Μη、0· 3-0. 8 % 的 Cr、 0. 03-0. 12%的V、小于0. 012%的P、小于0. 015%的S，和余量的Fe及不可避免的雜質。
3. 權利要求1所述20Mn2SiCrV無碳化物低碳貝氏體鋼在鋼軌中的應用。
4. 一種權利要求1所述無碳化物低碳貝氏體鋼的生產方法，該方法包括如下步驟： (1) 冶煉：經過轉爐或電爐冶煉一爐精煉一真空脫氣一連鑄一軋制一緩冷，得到含有 下述重量百分含量化學元素的連鑄鋼坯：〇. 10-0. 22%的C、0. 9-1. 6%的Si、l. 7-2. 4%的 Μη、0. 2-1. 0%的 Cr、0. 01-0. 15%的 V、小于 0. 012%的 P、小于 0. 015%的 S，和余量的 Fe 以 及不可避免的雜質； (2) 軋制：將上述連鑄鋼坯經過加熱-開坯-粗軋和精軋； (3) 在線控冷，將精軋后的鋼坯進行在線控冷，將鋼坯以1-10°C /s的冷速強制冷卻至 200-3501：，然后以0.01-0.51：/8的冷速緩慢冷卻至室溫，得到含有體積分數為20-50%貝 氏體組織； (4) 穩定化處理：將上述貝氏體鋼坯在在200-350°C溫度下保溫6-60小時，穩定顯微組 織，消除殘余應力。
5. 如權利要求4所述的生產方法，其特征在于：在所述冶煉和爐精煉過程采用高鋁質/ Mg〇-C耐火材料，以及石灰CaC03/MgC03渣料。
6. 如權利要求4所述的生產方法，其特征在于：所述精煉過程控制鋼水的P的質量百 分比不高于〇· 01 %，Η和0含量分別小于2. Oppm和小于20ppm。
7. 如權利要求4所述的生產方法，其特征在于：所述緩冷過程采用在600-700°C保持 24-120 小時。
8. 如權利要求4所述的生產方法，其特征在于：所述步驟（2)中粗軋和萬能精軋采用 的軋機噸位在900噸以上。
9. 如權利要求4所述的生產方法，其特征在于：所述步驟⑵中萬能精軋的終止軋制 溫度是 950-860°C。
【文檔編號】E01B5/02GK104278205SQ201410444533
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】白秉哲, 張綿勝, 張志強, 張志勇 申請人:北京特冶工貿有限責任公司