一種含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其製備方法與流程
2023-05-13 16:49:56
本發明涉及一種納米貝氏體材料、鋼軌及其製備方法，尤其涉及含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其製備方法。
背景技術：
隨著高速鐵路在世界範圍內的蓬勃發展，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1500MPa)，其成分特色是鋼中加入Mn、Cr、Mo、Ni等合金，提高貝氏體空冷淬透性，抑制碳化物析出，使C固溶，這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、減少汙染等一系列優點，使其成為高速鐵路鋼軌更新換代的新鋼種。但是隨著強度的不斷增加，貝氏體鋼軌的韌性略顯不足，以及環境中的氫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，強度與韌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，加大鋼材使用後的回收難度，不利於提高經濟效益以及環境的保護。此外，由於微合金貝氏體鋼軌成分複雜，加之鋼軌自身的斷面特點，其冷卻過程轉變組織複雜多樣，微觀組織演變規律尚不明確，結果較難得到理想的強韌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。公開號為CN1916195的專利申請提供一種超高強度超低碳貝氏體鋼的製備方法、公開號為CN255949的專利申請提供一種具有高抗表面疲勞損傷性和高耐磨性的貝氏體鋼鋼軌、公開號為CN510156的專利申請提供一種抗磨損、高強韌性準貝氏體鋼軌及其製造方法，上述申請都描述了一般的低碳貝氏體鋼軌用鋼，雖然合金元素Si、Mn、Cr、Mo含量低，但貝氏體的形成需要在較高溫度下發生長時間轉變，增加了生產環節及生產成本，而且鋼的強度不是很高；公開號為CN103451556A的專利中用提高碳含量固溶強化來提高強度，也不能達到最佳的強化效果。公開號為CN103243275B的專利申請提供了一種鋼軌用貝氏體/馬氏體/奧氏體復相高強鋼的製備方法，其金相組織中含有馬氏體，如果鋼軌矯後殘餘應力大，易使鋼軌在使用中造成開裂；鋼中貝氏體體積分數僅為20-50％，並未細述其優勢；而且為穩定這種復相鋼組織，消除殘餘應力，還要將鋼坯在200-350℃下保溫6-60小時進行回火穩定化處理，並且少量不穩定的殘餘奧氏體還是有可能發生馬氏體化。公開號為CN102899471A、CN103160736A的專利申請提供了貝氏體鋼軌的熱處理方法，不僅使生產工序繁雜，控制不當還會造成雜質元素在晶界偏聚，殘餘奧氏體發生分解，析出碳化物，反而會使韌性不利，且鋼軌的特殊斷面形狀並不適合採用回火熱處理來提高韌性。公開號為CN101586216B、CN101921971B等的專利申請所提供的鋼軌都未對組織形態進行描述，因為貝氏體組織形態千差萬別，會使貝氏體鋼軌具有不同的強韌性水平，尤其是貝氏體鋼軌組織中應避免大塊M-A島、不穩定殘餘奧氏體，否則易誘發馬氏體相變，增加鋼軌對氫元素及非金屬夾雜的敏感性，降低鋼軌性能，特別是韌性，導致鋼軌在使用出現安全隱患。公開號為CN101613830B的專利申請介紹了一種熱軋貝氏體鋼軌及生產工藝，其成分設計中採用複合式方法加入Nb、V、Ti，因Nb、V、Ti屬於強碳化物形成元素，其未溶的強碳化物硬質相較粗大，容易成為疲勞裂紋源，降低衝擊韌性。公開號為CN102899471A、CN103160736A、CN104087852A、CN102936700A的專利申請中，所述貝氏體鋼軌組織均屬於粗晶或微晶尺度，未達到納米晶尺度，所謂的超細貝氏體鋼軌的板條厚度也都在100nm以上，而且也未涉及板條內的超細亞結構對強韌性能的貢獻，那麼相應的鋼軌性能潛力就未得到充分的挖掘。公開號為CN101624683B的專利申請介紹了一種超高強度貝氏體鋼軌用鋼及其製造方法，雖然為納米超細組織，但並未詳細說明其貝氏體板條尺寸及細化原因。總而言之，上述專利所涉及貝氏體鋼軌中存在以下各種技術問題：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韌性、延伸性很難同時匹配，換軌頻繁；鋼軌的製造、加工工藝及後序熱處理工序繁雜，過程不易控制，不利於節能減排等等；這些因素大大限制了貝氏體鋼軌的推廣應用。不斷提高的冶煉技術水平使鋼的潔淨度越來越高，稀土在潔淨鋼中的微合金化作用被發現和採納。但是目前針對稀土在含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導。
技術實現要素：
基於上述技術背景，本發明提供了一種含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其製備方法，本發明的含稀土La元素的納米貝氏體材料具有高強韌性，同時，含有本發明的納米貝氏體材料的鋼軌的組織為帶有微孿晶板條及高密度位錯的納米級貝氏體精細板條，即本發明的鋼軌具有優良強韌性配比。本發明提供一種含稀土La元素的納米貝氏體材料，其化學成分以重量百分比計為：碳C：0.18％-0.30％，錳Mn：1.4-1.8％，矽Si：0.8％-1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25％-0.32％，鑭La：0.0050％-0.015％，其餘為鐵Fe及雜質，滿足關係：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。在本發明中，在納米貝氏體材料中加入稀土La元素，La能夠增強Mn、Cr、Mo等合金元素的淬透性，大大提高強化效果。本發明的發明人經過深入微觀結構觀察，發現在本發明貝氏體鐵素體板條內部存在兩種亞結構：2-5nm的超細孿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，這對貝氏體材料的高強韌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，這與稀土促進位錯生成及提高位錯密度的研究報導相符。同時發現，本發明中貝氏體鐵素體板條間存在殘餘奧氏體(RA)，能夠吸收部分衝擊功並使疲勞裂紋尖端鈍化，大大改善韌性；因稀土La的加入，使其比例可控制在1-5％，並呈現細條狀，而非粗大塊狀，使本發明的RA機械穩定性強，外力作用下不易誘發馬氏體轉變，保證了在鐵軌中使用納米貝氏體材料時的可靠性及安全性。本發明中添加稀土La後，稀土La不僅能夠有效提高鋼的淬透性，提高強化效果，還能得到如下效果：在軋制過程中稀土會抑制再結晶、細化晶粒；貝氏體形核及其長大過程中稀土會細化貝氏體鐵素體板條；稀土會促進貝氏體板條內位錯的生成；稀土會影響殘餘奧氏體數量及其形貌；稀土在貝氏體鋼中可起到變質夾雜物及淨化晶界等作用，上述列舉的稀土作用使本發明中納米貝氏體材料以及由該納米貝氏體材料製成的鋼軌即使不添加昂貴合金Ni元素，也能保證抗拉強度不低於1500MPa，室溫下的衝擊功不低於80J，硬度可達480HB，同時兼具優異的耐磨性、抗疲勞性能及硬度。進一步地，本發明所述的含稀土La元素的納米貝氏體材料的鑭La的含量為0.0090％-0.015％。此時，所獲得的納米貝氏體材料力學性能最佳。進一步地，本發明所述的含稀土La元素的納米貝氏體材料中，含有的磷P、硫S、銅Cu以及鋁Al的含量以重量百分比計為：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，銅Cu≤0.10％，鋁Al≤0.02％，這樣由該納米貝氏體材料製成的鋼為純淨鋼，能夠保證更多的稀土固溶於純淨的納米貝氏體鋼中，其微合金化作用更加明顯和穩定。本發明提供一種含稀土La元素的納米貝氏體材料的製備方法，包括：脫氧脫硫步驟，對所述納米貝氏體材料的基體進行脫氧脫硫，以便得到純淨的材料組織；元素添加步驟，在得到的所述純淨的材料組織中，添加的元素和含量重量百分比計分別為：碳C：0.18％-0.30％，錳Mn：1.4％-1.8％，矽Si：0.8％-1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25-0.32％，鑭La：0.0050-0.015％，其餘為鐵Fe及雜質，合金元素錳、矽、鉻和鉬的總量滿足關係：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％；以及精煉步驟，對於元素添加後得到的所述材料組織進行真空脫氣處理。進一步地，在所述含稀土La元素的納米貝氏體材料的製備方法中，在所述元素添加步驟中，所述鑭La的含量為0.0090％-0.015％。進一步地，在所述含稀土La元素的納米貝氏體材料的製備方法中，所述納米貝氏體材料中含有的磷P、硫S、銅Cu以及鋁Al的含量以重量百分比計為：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，銅Cu≤0.10％，鋁Al≤0.02％。本發明另一方面提供了一種含稀土La元素的納米貝氏體的鋼軌，利用上述的含稀土La元素的高強韌性納米貝氏體材料而製成。本發明另一方面提供了一種含稀土La元素的高強韌性納米貝氏體材料的鋼軌的製備方法，利用上述含稀土La元素的高強韌性納米貝氏體材料的製備方法製成。本發明納米貝氏體材料以及鋼軌的製備方法中，合金設計特點是利用稀土與合金元素的這種優勢互補作用及稀土自身在貝氏體鋼中的獨特作用，降低合金成本，且稀土的抑制再結晶作用可提高終軋溫度至960℃-980℃的較寬範圍，使鋼軌在工業化生產中更容易實現本發明採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。本發明製造成本低廉、工藝簡單，便於大規模生產，同時利於節能減排，可實現資源的經濟型和可循環利用性。附圖說明本發明將結合以下附圖進行詳細描述，其中：圖1是本發明提供的鋼軌成分實施例5的連續冷卻轉變曲線。圖2是本發明提供的鋼軌成分實施例5的冷卻工藝曲線。圖3是本發明提供的鋼軌成分實施例5的貝氏體板條透射電鏡照片。圖4是本發明提供的鋼軌成分實施例5的微觀亞結構透射電鏡照片。圖5是本發明提供的鋼軌成分對比例3的滲碳體透射電鏡照片。具體實施方式為獲得本發明的所述產品，本發明在無碳化物貝氏體成分設計基礎上，在納米貝氏體材料中加入稀土La元素，主要化學元素含量及生產工藝應滿足以下要求：C：0.18％-0.30％，Mn：1.4％-1.8％，Si：0.8％-1.0％，Cr≤1.0％，Mo：0.25％-0.32％，La：0.0050％-0.015％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Cu：≤0.10％，Al：≤0.02％，其餘為Fe及不可避免的雜質，並滿足3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％，以下詳細說明本發明所述納米貝氏體材料主要化學元素限制在上述範圍的原因：C：C含量過高，不利於形成貝氏體組織；為使少量C全部固溶，防止碳化物析出，同時又能夠獲得良好的塑韌性及焊接性能，本發明納米貝氏體材料中C含量限定在0.18％-0.30％。Mn：納米貝氏體材料中Mn元素壓低Bs點，提高貝氏體空冷淬透性，易得到細小的板條貝氏體，納米貝氏體材料的強韌性好；但Mn含量過高易產...