一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼、鋼軌及製備方法與流程
2023-09-27 05:33:30
本發明涉及低合金高強鋼。更具體地，涉及一種高強度、高韌性，並具有良好耐大氣和環境腐蝕的中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼、鋼軌及製備方法。
背景技術：
：隨著鐵路朝高速重載方向發展，現有珠光體型鋼軌無法滿足鐵路發展需求，新型貝氏體鋼軌已成為國際國內的研究熱點。目前，大量相關貝氏體鋼軌的研究著眼於力學性能的提高，但未能充分考慮不同環境下對鋼軌服役性能的差異要求。而在我國南方潮溼地區、沿海高鹽分地區、長距離隧道等溼度大的環境中及海洋性氣候區域等環境中，現有鋼軌因腐蝕造成的病害十分嚴重，因此，針對上述大氣及環境腐蝕服役條件，急需開發高性能耐腐蝕的貝氏體鋼軌產品，以提高應用經濟性和適應鐵路發展需求。要在複雜長鐵路線上具有優良的耐磨損、抗疲勞、抗腐蝕等綜合服役性能，貝氏體鋼軌需同時具有良好的強韌性配合和良好耐腐蝕能力。目前，絕大多數貝氏體鋼軌產品研發主要關注其強韌性、耐磨性或抗疲勞性能等，公開的報導中，僅公開號為cn102719762a的中國發明專利申請注重了貝氏體鋼軌的耐環境腐蝕性能。該申請主要通過3.2-4.0wt％cr元素髮揮耐腐蝕作用，再輔以少量ni和cu元素(0.1-0.3wt％ni，0.25-0.60wt％cu)，以提高鋼軌的耐腐蝕性能。但是該專利更側重於兼顧鋼軌的高強度和耐腐蝕性能，而所申請保護的鋼軌韌性水平可提高的空間較大，在強度1350mpa水平下，其常溫衝擊功僅aku2≥40j，最高衝擊韌性為60j。因此，為順應鐵路發展趨勢，解決目前國內外貝氏體鋼軌開發過程中的存在的缺陷與不足，需要提供一種1300mpa級高強度高韌性貝氏體耐蝕鋼。技術實現要素：本發明的第一個目的在於提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼。本發明的第二個目的在於提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。該鋼軌兼具高的強度、高的韌性和好的耐腐蝕性。本發明的第三個目的在於提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌的製備方法。為達到上述第一個目的，本發明提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼，按質量百分比，其組成包含：c：0.10-0.40％，mn：1.50-3.00％，si：0.50-1.50％，cr：0.50-1.50％，mo：0.35-1.20％，ni：0.50-1.20％，cu：0.25-0.60％，s：≤0.010％，p：≤0.020％，其餘為fe及不可避免的雜質元素，顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復相組織，其中，ni/cu＞1.8。優選地，按質量百分比，其組成包含：c：0.20-0.40％，mn：1.8-3.00％，si：0.50-1.50％，cr：0.80-1.50％，mo：0.35-1.20％，ni：0.70-1.20％，cu：0.51-0.60％，s：0.0001-0.010％，p：0.0005-0.020％，其餘為fe及不可避免的雜質元素，顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復相組織，其中，ni/cu＞1.8。優選地，按重量百分比，所述組成還包含0.005-0.030％的re元素。本發明中，碳元素：鋼中典型的強化元素，在提高強度的同時能大大提高鋼種的淬透性，但不利於鋼種的耐大氣腐蝕性能，同時過高量時會不利於焊接性能。錳元素：有固溶強化的作用，能顯著延緩高溫區的鐵素體和珠光體轉變，而對中低溫區貝氏體轉變的影響較小，在其他元素共同作用下，達到一定含量時(≥1.5wt％)，能將鋼種cct曲線的高溫珠光體轉變區和貝氏體轉變區分離，並使得鋼種的cct曲線上出現上下與左右方向俱完全分開的典型的高溫轉變區和中溫貝氏體轉變區，大大增加了鋼種淬透性，有利於尺寸較厚產品從奧氏體化高溫空冷即可獲得性能優良的貝氏體組織，便於簡化生產工藝和降低成本。此外，增加錳元素含量，有利於提高鋼的耐點蝕能力和對海洋大氣的耐蝕性。矽元素：起到固溶強化作用，有利於提高強度。可抑制脆性的碳化物析出，利於韌塑性配合良好的殘餘奧氏體膜的形成。矽可阻止鏽層中酸的形成，使得內鏽層緻密，阻礙氯離子的侵入，提高抗腐蝕能力。與其他元素如cu、cr配合使用可改善鋼的耐候性。鉻元素：具有固溶強化的作用，有利於強度的提高。同時，鉻元素能提高鋼種的淬透性，有利於鋼軌軌頭部分內外性能的均勻一致。鉬元素：具有固溶強化的作用。能強烈提高鋼種的淬透性，有利於鋼軌在軋制後空冷條件下即可獲得貝氏體組織和性能的均勻一致性。此外，鉬使得鋼的鏽層緻密，可提高鋼在海洋大氣環境中的抗腐蝕能力。鏽層中的mo可抑制氯離子的侵入，使得氯離子集中於鏽層外部。鉬元素過少，小於0.35％時，上述提高抗環境腐蝕能力效果不明顯，而其含量過多，大於1.2％時，會明顯提高材料的製造成本。鎳元素：有利於鋼的韌性，尤其是低溫衝擊韌性的提高。同時是一種比較穩定的元素，能使得鋼的自腐蝕點位相正方向變化，增強了鋼的穩定性，有利於耐蝕性的提高。當鋼中含有cu元素時，ni元素的適當加入可抑制由於cu元素的存在而導致的「銅脆」現象。鎳元素過少，小於0.70％時，上述提高低溫衝擊韌性效果不明顯，且可能無法完全抑制「銅脆」現象的發生，為保證不會發生銅脆現象，要ni/cu>1.8；而其含量過多，大於1.2％時，會明顯提高材料的製造成本。銅元素：典型的改善鋼耐環境大氣腐蝕性能的元素。但其存在可能會導致鋼軌生產過程中的「銅脆」現象發生，需採取一定措施進行預防。re元素：稀土元素re在鋼中可起到淨化晶界、變質夾雜物和細化晶粒的作用，有利於強度和韌性的提高，進而有利於提高鋼種的耐磨損和抗接觸疲勞等服役性能。本發明中，貝氏體鋼軌鋼成分及含量的確定，是在基於同時兼顧鋼的強度、韌性和耐腐蝕性的要求，主要通過添加ni、cu、mo元素的綜合作用，控制ni/cu＞1.8，結合原料中各元素的合理配比，使得貝氏體鋼在具有好的耐腐蝕性的同時，還具有高的強度和韌性。進一步地，在該特定組成的條件下，添加一定量的re元素，更好的改善了所得貝氏體鋼的強度、韌性等。為達到上述第二個目的，本發明提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，該貝氏體鋼軌是由上述中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成。為達到上述第三個目的，本發明提供一種中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌的製備方法，包括如下步驟：將具有上述組成的中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的原料採用煉鋼工藝進行冶煉、鑄造，得鑄坯；將鑄坯加熱至1150-1250℃，保溫2-3小時，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度≥900℃；將鋼軌原型連續冷卻至室溫，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。優選地，所述連續冷卻的速度小於所述的中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的cct曲線中發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度。採用低於cct臨界冷卻速度進行連續冷卻，可使得鋼軌在連續冷卻到室溫時即可獲得貝氏體/馬氏體的復相組織。此外，相對於常規冷卻過程中進行的等溫處理，本專利採取的連續冷卻工藝，可使得該過程中先形成的貝氏體組織起到明顯分割原奧氏體晶粒，細化顯微組織的效果，進而有利於同時提高強度、韌性、塑性等綜合力學性能。優選地，所述連續冷卻的方法為空冷、霧冷或風冷中的一種或幾種。優選地，所述鑄造的方式為連鑄或模鑄。優選地，所述方法還包括：在將鋼軌原型連續冷卻至室溫後，再進行熱處理，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。優選地，所述熱處理為回火處理，回火處理的溫度≤400℃。進一步地，回火處理的溫度可為250-400℃等。優選地，所述回火處理的保溫時間大於3小時。本發明中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌的顯微組織主要為貝氏體/馬氏體復相組織，其力學性能指標如下：屈服強度rp0.2≥1150mpa，抗拉強度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，衝擊功aku2(常溫)≥80j，表現出良好的強韌性配合水平。本發明中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌耐腐蝕性能指標如下：在鹽霧腐蝕試驗條件下，平均腐蝕速率低至0.68g/(m2h)，相對於u71mn鋼軌鋼的平均腐蝕速率降低50％以上，可大幅提高鋼軌在大氣和腐蝕環境下的使用壽命。本發明的有益效果如下：1、本發明中通過對原料的合理選擇以及原料添加量的精確控制，進一步結合本發明的製備方法，與現有貝氏體耐腐蝕鋼軌相比，本發明製備得到的貝氏體鋼軌，在保持同強度水平前提下，可大幅度增加鋼軌的韌性水平，同時可進一步提高鋼軌的塑性和耐大氣腐蝕能力，進而有利於提高鋼軌的耐磨損、抗腐蝕等綜合服役性能。2、本發明的抗震鋼筋屈服強度rp0.2≥1150mpa，抗拉強度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，衝擊功aku2(常溫)≥80j。附圖說明下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。圖1示出本發明實施例1製備得到的中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌內部的顯微組織照片。具體實施方式為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。表1示出了以下各實施例及對比例中的中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的組分含量(質量百分數)表1不同實施例製備的耐腐蝕貝氏體鋼的組分及含量(質量百分數)實施例1中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用連鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為950℃；3)將鋼軌原型連續採用空冷的方式，以平均6℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在400℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌內部的顯微組織照片如圖1所示。從圖1可知，本發明的1300mpa級高強度高韌性耐腐蝕貝氏體鋼軌的顯微組織為貝氏體+馬氏體復相組織。實施例2中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用連鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1250℃，保溫3h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為900℃；3)將鋼軌原型連續採用風冷的方式，以平均5℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在350℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實施例3中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用模鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為980℃；3)將鋼軌原型連續採用空冷的方式，以平均4℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在320℃溫度下，回火處理3h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實施例4中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用模鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為930℃；3)將鋼軌原型連續採用空冷的方式，以平均3℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在280℃溫度下，回火處理4h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實施例5中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，該鋼的cct曲線中，發生馬氏體轉變的臨界冷卻速度在10℃/s以上。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用模鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1150℃，保溫4h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為950℃；3)將鋼軌原型連續採用霧冷的方式，以平均3℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在250℃溫度下，回火處理6h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。實施例6中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示。該鋼軌的製備方法如下：1)按照表1中本實施例的配方，採用常規的煉鋼工藝，由轉爐或電爐進行冶煉和精煉，再採用模鑄的方式進行鑄造，得鑄坯；2)將鑄坯加熱至1200℃，保溫3h，再經開坯、粗軋、精軋後，得鋼軌原型，其中，精軋的終軋溫度為980℃；3)將鋼軌原型連續採用霧冷的方式，以平均4℃/s的冷速連續冷卻至室溫；4)在320℃溫度下，回火處理4h，得中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。對比例1重複實施例1，區別在於，將步驟3)中的鋼以6℃/s速度冷卻到500℃進行保溫4小時，然後空冷到室溫，其餘條件不變，製備得到中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。對比例2中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌，其由中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼製成，其中，該中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼的各組分含量如表1所示，ni/cu為0.94。其製備方法同實施例4，製備得到中低碳高強高韌耐蝕貝氏體鋼軌。製備過程中，出現少量鋼軌開裂現象。。試驗例1力學性能測試通過萬能拉伸試驗機，採用標準拉伸試樣，根據相關國家標準的規定，分別測定了各實施例製備的貝氏體耐腐蝕鋼軌試樣的力學性能，結果如表2所示。由表2可知，本發明的高強度高韌性耐腐蝕貝氏體鋼軌的屈服強度rp0.2≥1150mpa，抗拉強度rm≥1320mpa，延伸率a≥13％，衝擊功aku2(常溫)≥80j，具有高強度、高韌性和高塑性的良好匹配。表2各實施例及對比例製備的耐腐蝕貝氏體鋼軌的力學性能試驗例2耐腐蝕性能測試通過鹽霧腐蝕實驗來評價鋼軌的耐腐蝕性能。鹽霧腐蝕條件為：50±10g/l的nacl水溶液，ph值為6.5-7.2，溫度35℃，採用連續噴霧方法，實驗持續1個月時間，結果如表3所示。表3各實施例及對比例製備的耐腐蝕貝氏體鋼軌的鹽霧腐蝕實驗性能實施例腐蝕速率g/(m2h)相對u71mn耐腐蝕速率實施例10.83157％實施例20.71183％實施例30.53245％實施例40.6217％實施例50.76171％實施例60.52248％平均0.65203％現有u71mn1.3100％對比例10.82158％顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。當前第1頁12