一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202311836722.6 | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117888025A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 包头钢铁(集团)有限责任公司; | 发明人 | 刘阳; 郑瑞; 薛虎东; 张凤明; 王慧军; 苏航; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种耐 腐蚀 且低温性能良好的稀土处理 钢 轨，所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.60～0.70％；S i：0.40～0.60％；Mn：0.75～1.00％；Cu：0.25～0.45％；N i：0.15～0.25％；Nb：0.02～0.06％；Ce≤0.020％；P≤0.020％；S≤0.015％；Al≤0.004％；余量为Fe及不可避免的杂质。还公布了其制备方法。本发明通过添加稀土元素， 冶炼 轧制 具有良好强度和韧性匹配的钢轨；通过添加提高钢轨耐腐蚀元素以及合理配比成分并合理优化工艺，使钢轨具备良好的 耐腐蚀性 和耐低温性能，延长钢轨在复杂环境条件下的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨，其特征在于：所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.60～0.70％；Si：0.40～0.60％；Mn：0.75～1.00％；Cu：0.25～ |
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| 说明书全文 | 一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨及其制备方法技术领域背景技术[0002] 我国经济建设处于稳步发展阶段，轨道交通在经济建设中的具有不可替代的地位。随着铁路铺设范围的逐年扩展，复杂的服役环境对钢轨的耐腐蚀、耐低温等特殊性能提出了更高的要求。高原、低温、大温差、风沙、潮湿等极端自然环境条件的复合作用下，钢轨在服役过程中极易发生腐蚀伤损及低温断裂等问题。钢轨腐蚀过后出现损耗、断裂、掉块、起皮等伤损，导致材料性能降低，同时还面临频繁更换、焊接、维护等工程问题，造成了较大的经济损失。 [0003] 钢轨的耐腐蚀性提高能目前主要存在表面涂覆耐蚀涂层和在添加铜、镍等合金元素两种方式。然而，对钢轨表面涂覆处理和添加大量合金元素提高了耐腐蚀钢轨的成本，同时降低钢轨可焊性。目前所公开的珠光体耐腐蚀钢轨及其制备方法的相关专利中，涉及钢轨虽具备较高的强度、硬度和一定的耐腐蚀性能，但对钢轨的耐腐蚀和耐低温的综合提升研究较少，所得钢轨仍无法完全满足我国铁路复杂环境条件下的使用要求。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨及其制备方法，通过添加稀土元素，冶炼轧制具有良好强度和韧性匹配的钢轨；通过添加提高钢轨耐腐蚀元素以及合理配比成分并合理优化工艺，使钢轨具备良好的耐腐蚀性和耐低温性能，延长钢轨在复杂环境条件下的使用寿命。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： [0006] 本发明一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨，所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.60～0.70％；S i：0.40～0.60％；Mn：0.75～1.00％；Cu：0.25～0.45％；N i：0.15～0.25％；Nb：0.02～0.06％；Ce≤0.020％；P≤0.020％；S≤0.015％；A l≤0.004％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0007] 2.根据权利要求1所述的耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨，其特征在于：所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.65％；S i：0.53％；Mn：0.98％；Cu：0.38％；N i：0.20％；Nb：0.04％；Ce：0.0009％；P：0.018％；S：0.007％；A l≤0.004％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0008] 3.根据权利要求1所述的耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨，其特征在于：所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.64％；S i：0.50％；Mn：1.00％；Cu：0.35％；N i：0.17％；Nb：0.03％；Ce：0.0005％；P：0.015％；S：0.004％；A l≤0.004％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0009] 4.根据权利要求1所述的耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨，其特征在于：所述钢轨的化学成分的重量百分比包括：C：0.67％；S i：0.52％；Mn：0.98％；Cu：0.36％；N i：0.19％；Nb：0.04％；Ce：0.0004％；P：0.017％；S：0.009％；A l≤0.004％；余量为Fe及不可避免的杂质。 [0010] 一种耐腐蚀且低温性能良好的稀土处理钢轨的制备方法，包括： [0012] 1)转炉生产 [0013] 为保证产品质量及对成品成分的精确控制，供转炉铁水要求：按质量百分数磷含量小于等于0.15％，硫含量小于等于0.04％；在转炉冶炼过程中加入造渣辅料，出钢过程中根据成品成分要求加入硅铁、硅锰和铝硅锰进行脱氧合金化；转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩； [0014] 2)LF、VD炉生产 [0015] 根据生产低氧钢要求，LF采用中等碱度、强还原性精炼渣处理钢水，深真空时间15～20/min；深真空度7～9/kpa，软吹时间18～22/min，VD后温度1536～1546/℃；稀土丝在VD工位加入； [0016] 3)连铸生产 [0017] 连铸生产中过热度控制在15～30℃之间，拉速在0.6m/min～0.7m/min之间； [0018] (2)钢轨轧制工艺为：连铸方坯—锯切—加热—BD1轧制—BD2轧制—CCS万能轧机连轧—锯切—冷却—切头尾—矫直—检查—包装—过磅—入库；其方坯加热预热段温度不大于800℃；加热温度为1200℃，加热时长不小于3小时；出炉温度为不低于1100℃，轧制温度1080℃～1160℃，终轧温度900～950℃； [0019] (3)在线余热淬火冷却介质为纯风介质；热处理温度根据钢中的相变温度参数及工业设备实际能力结合确定；试样开始余热热处理温度为740℃～780℃，在线热处理120～160s后出热处理生产线，在线第一阶段对钢轨轨头顶面、两侧、及轨距角下颚、轨底处冷却，实际冷却段冷却速度2℃/s～4℃/s，冷却时长60s～80s；第二阶段弱冷，对钢轨顶面、轨头两侧、轨距角下颚、轨底冷却，冷速≤1.5℃/s，冷却后出口轨头温度为450℃～500℃，后自然空冷至室温。 [0020] 本发明中各合金元素的作用和机理： [0021] C在珠光体钢轨中的主要作用为提高强度和硬度、促进珠光体转变和形成碳化物。随C含量的增加，钢的强度和硬度升高，塑性和韧性下降。C含量过低，珠光体钢中碳化物比例降低，铁素体比例增高，导致钢轨强度和硬度不足；C含量过高，导致钢轨硬度过高，加速疲劳裂纹扩展，同时降低钢轨焊接性能。当C含量＜0.60％时，钢轨强度、硬度和耐磨耗性能较低，难以满足使用要求；当C含量＞0.70％时，钢轨强度、硬度性能较好，但塑韧性和耐低温性能有所下降。因此，为提高钢轨耐低温性能，设定C含量范围0.60～0.70％。 [0022] S i在钢中的主要作用为抑制渗碳体形成，并作为固溶强化元素，提高铁素体基体的强度和硬度。当S i含量＜0.40％，其固溶量较低，强化效果较小；当Si含量＞0.90％时，由于S i在钢轨中是裂纹敏感性元素，因此会加剧疲劳断裂性能恶化，同时产生局部偏析，较低的传热性还会降低钢轨的可焊性。因此，设定S i含量范围0.40～0.60％。 [0023] Mn作为钢中的固溶强化元素和碳化物形成元素，可以同时强化铁素体和渗碳体，提高钢轨的强度和硬度。此外，Mn元素在钢中还可替代Fe与S元素形成MnS，避免生成FeS(FeS与Fe易形成低熔点化合物)而导致钢轨热脆。Mn也可以降低珠光体转变温度，进而降低珠光体片层间距。然而，Mn含量的增加会大幅降低钢的焊接性能，增大晶粒尺寸，并增加形成白点和铸坯偏析的敏感性。当Mn含量＜0.40％时，其对碳化物的强化作用有限，对钢轨性能提升较小；当Mn含量＞1.00％时，过量的Mn元素导致晶粒尺寸增大，影响热处理过程中钢的组织变化，显著降低钢轨塑韧性。Mn在钢中对C的扩散也具有明显影响，在Mn偏析区域还有可能导致异常组织出现，并影响钢轨的可焊性。因此设定Mn含量范围0.75～1.00％。 [0024] Cu在腐蚀界面富集可有效抑制钢的腐蚀反应，是提高钢轨耐腐蚀性能最重要的元素。当Cu含量＜0.20％时，对钢的耐腐蚀性能提升较小；当Cu含量＞0.50％时，钢轨易出现铜脆现象，恶化性能。因此，设定Cu含量范围0.25～0.45％。此外，Cu元素还可扩大奥氏体区，提升淬透性，对钢有析出强化作用，在不降低钢轨的抗拉强度的同时提升屈服强度和表面硬度。 [0025] N i在含Cu钢中，可提高Cu在奥氏体中的溶解度，减少铜脆现象发生。当Ni含量＜0.15％时，对铜脆现象抑制作用较弱；当Ni含量＞0.35％时，Ni元素含量过剩，对铜脆现象的抑制作用提升已不明显，且会对钢轨可焊性带来不利影响。因此，设定N i含量范围0.15～0.25％。 [0026] Nb在钢中的主要作用为通过析出细小的铌碳氮化物来阻碍晶粒长大，以此来细化奥氏体晶粒，达到同时提高钢的强硬度和塑韧性目的。当Nb含量＜0.01％时，铌碳氮化物析出较少，对钢的强化作用不明显；当Nb含量＞0.08％时，易形成粗大碳氮化物，反而降低钢的塑韧性。因此，设定Nb含量范围0.02～0.06％。 [0027] 稀土的基础理论研究已经证明，钢中含稀土具有控制冶炼过程中硫化物的形态作用，形成稀土硫氧化合物并减少其他金属硫化合物的形成，这种新的硫化合物在轧制过程中不变形或变形较小，并可在冷却过程中作为形核点使得钢的晶粒得到细化。同时，稀土还能提高钢的抗氧化和耐低温性能，并降低韧脆转变温度，因此在钢轨的加入的微量的稀土元素。 [0028] P和S均为钢轨中无法完全除去的杂质元素，会大幅增加钢的裂纹敏感性，同时会提高钢的低温脆性转变温度，降低钢的低温冲击性能，因此，在不影响钢轨性能的前提下，要求P、S含量越低越好，本发明中的P含量需控制在0.020％以下；S含量需控制在0.015％以下。 [0029] 选取上述工艺参数的原因如下： [0030] 钢轨轨头主要为珠光体组织，珠光体片层间距是决定其力学性能的主要因素。本发明为了提高钢轨的耐腐蚀性能和耐低温性能，同时提高钢轨的可焊性，采取降低C元素含量并添加适量钢轨耐腐蚀合金元素的策略，导致热轧钢轨的强度等级较低，难以满足线路使用要求。为此，采用在线热处理工艺细化珠光体片间距，提高钢轨强度、硬度和耐磨性能。钢轨轨头在热处理过程中，采取分段冷却思路，第1阶段冷却速度为2.5‑4.5℃/s，快速带走轨头表层的热量，形成稳定细化珠光体层，保证表面踏面硬度；第2阶段冷速≤1.5℃/s，避免产生异常组织。 [0031] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果： [0032] 本发采用稀土处理和热处理工艺，净化钢质并使得组织转变均匀，在保证钢轨各项性能满足使用要求的同时，提高钢轨耐腐蚀性和低温性能，降低线路钢轨养护成本，提高钢轨服役安全性能及服役期限。该钢轨生产方法简单，可操作性强，易于推广应用。 [0033] 钢轨组织均为珠光体，允许有少量铁素体，脱碳层≤0.5mm。性能满足如下技术要求：抗拉强度≥1080MPa，延伸率≥12％。 具体实施方式[0034] 一种耐腐蚀低温韧性良好的稀土处理钢轨及其制备方法，钢轨的冶炼生产工艺为：铁水→转炉冶炼→LF精炼→VD→连铸。转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩。LF采用中等碱度、强还原性精炼渣处理钢水，深真空时间15～20/min；深真空度7～9/kpa软吹时间18～22/min，VD后温度1536～1546/℃；稀土丝在VD工位加入。连铸生产中过热度控制在15～30℃之间，拉速在0.6m/min～0.7m/min之间。本发明实施例1‑3冶炼化学成分控制见表1，对比例1和对比例2分别为常规工业生产U71MnH和U75VH钢轨。 [0035] 表1实施过程中不同成分对比(wt.％) [0036] [0037] [0038] 余量为Fe和不可避免的杂质。 [0039] 钢轨轧制工艺为：连铸方坯—锯切—加热—BD1轧制—BD2轧制—CCS万能轧机连轧—锯切—冷却—切头尾—矫直—检查—包装—过磅—入库；其方坯加热预热段温度不大于800℃；加热温度为1200℃，加热时长不小于3小时；出炉温度为不低于1100℃，轧制温度1080℃～1160℃，终轧温度900～950℃； [0040] 钢轨热处理工艺：在线余热淬火冷却介质为纯风介质，热处理温度根据钢中的相变温度参数及工业设备实际能力结合确定；试样开始余热热处理温度为740℃～780℃，在线热处理120～160s后出热处理生产线，结束温度460～500℃。在线第一阶段对钢轨轨头顶面、两侧、及轨距角下颚、轨底处冷却。实际冷却段冷却速度2℃/s～4℃/s，冷却时长60s～80s；第二阶段弱冷，对钢轨顶面、轨头两侧、轨距角下颚、轨底冷却，冷速≤1.5℃/s，冷却后出口轨头温度为450℃～500℃，后自然空冷至室温。 [0041] 钢轨组织均为珠光体，允许有少量铁素体，脱碳层≤0.5mm。抗拉强度≥1080MPa，延伸率≥12％。 [0042] 实施例1～3与对比例1～2的平均抗拉强度、断后伸长率、表面硬度、低温冲击韧性和耐蚀性能如表2所示。 [0043] 按照TB/T2375‑93《中华人民共和国铁道行业标准—铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验》测试钢轨的耐腐蚀性能，具体条件为：干燥室温度：45±0.5℃、腐蚀溶液温度：35±0.5℃、循环周期：60(其中浸润时间10min)、试验时间：240h、试样尺寸120mm×60mm×3mm、初始腐蚀液浓度：0.01mo l/L的NaHSO3溶液；补给腐蚀液浓度：0.02mo l/L的NaHSO3溶液。 [0044] 表2本发明各实施例和对比例的硬度检测结果(HBW) [0045] [0046] 通过比较实施例和对比例，可见本发明方法生产的热处理钢轨具有更好的耐腐蚀性和耐低温性，使钢轨在复杂环境条件下具备更好的服役性能，延长钢轨使用寿命，降低运营维护成本。 [0047] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。 |
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