[发明专利]低碳无碳化物贝氏体钢及其制造方法和其在钢轨中的应用

说明书

技术领域

本发明属于合金领域，具体来说一种低碳且无碳化物的贝氏体钢，申请人命名其牌号为20Mn2SiCrV低碳无碳化物贝氏体钢，所得钢种具有高强度、高韧性、高耐磨性等特点，综合性能优异，能显著提高产品的使用寿命。本发明还涉及其适于工业化的制备方法，和该种钢在钢轨中的应用。 

背景技术

钢材是国家建设必不可少的重要物资，其应用广泛、品种繁多。随着经济建设的发展，钢材作为结构及功能材料的重要组成部分，人们对其机械及使用性能的要求不断提高。特种钢的研制与生产成为了钢铁行业的主要发展方向，其中贝氏体钢以其优异性能正逐渐被各行业认可。 

铁路的发展在经济发展中占据重要地位，钢轨作为铁路发展的基础显得尤为重要。由于钢轨承载机车重量并受到碾压和冲击，因此对钢轨的强度、硬度、延伸率、焊接性和耐冲击韧性要求都较高，特别是重载钢轨，其综合性能要求更高。目前，钢轨用钢可分为如下几类：珠光体钢、低碳马氏体钢和贝氏体钢。研究表明，珠光体钢性能及加工工艺的研究已经接近极限，低碳马氏体钢焊接性能不稳定。目前，世界范围内钢轨用钢材主要为珠光体钢，这种珠光体钢存在的主要问题为冲击韧性偏低，而我国生产的珠光体钢轨轨腰部分冲击韧性低于8J/cm²。而贝氏体钢各方面性能优异，是今后钢轨材料发展的方向之一。目前，国外贝氏体钢研究重点为高碳贝氏体，材料的抗冲击性能及韧性受碳含量影响明显。为避免碳含量对材料强韧性的不利影响，近年来低碳贝氏体钢成为研究的热点。 

贝氏体钢研究初期，为获得良好的下贝氏体组织，必须进行等温处理，这在生产上有诸多不便。贝氏体相变理论的研究推动了贝氏体钢开发和应用，采用空冷的贝氏体钢被开发出来。为了保证钢种的强度和贝氏体转变所需要的合理的淬透性，需要添加适合转变的其他合金元素，以通过合金化转变成无碳化物贝氏体组织。目前的贝氏体钢主要有如下体系： 

(1)Mo-B系贝氏体钢，通过在合金中添加Mo和B抑制多边形铁素体的形成。但这种钢初始转变温度高，韧性差。 

(2)Mn-B系贝氏体钢，通过Mn与B结合，使贝氏体相变温度降低，细化贝氏体尺寸，改善强度和韧性。缺点是由于B的化学性质活泼，不易控制，形成B的化合物会降低材料韧性。 

(3)Si-Mn-Mo准贝氏体钢，通过Mn和Mo提高淬透性。 

(4)微合金化空冷贝氏体钢，通过加入Re、Ti、V合金化，使奥氏体晶粒尺寸减小，显微组织明显细化，改善强韧性。 

(5)含Cu钢，通过加入Cu与B联合作用，进一步抑制贝氏体转变前的先共析铁素体形成，同时铜可使铌的碳化物高温应变诱导析出加速。 

在贝氏体钢中，昂贵的Mo、Ni的使用，限制了产品的商业化发展，而B又不易控制产品质量，也对产品的推广应用造成了限制。另外，不同领域对钢的性能的要求也不同，例如有的要求较好的焊接性，有的要求较高耐磨性。然而由于合金元素的相互影响，提高某一性能往往也会对其他性能产生负面影响，这也对贝氏体钢的研制提出了更高的要求。 

钢轨用钢，对材料的硬度、强度、韧性、焊接性等均有较高要求，是贝氏体钢应用研究的一个主要领域。 

目前，钢轨用贝氏体钢大部分采用的都是Si-Mn-Mo体系，除Si、Mn、Mo是必须的合金元素外，甚至还需要添加有Cr、Nd、V、Ni等。这种合金由于采用Mo、Ni，成本较高，同时由于钢轨用钢量巨大，因此在铁路上真正推广应用难度很大，限制了其商业化。另外，目前开发的Si-Mn-Mo贝氏体钢轨材料，经过研究，其金相组织为贝氏铁素体+(M-A)岛，贝氏铁素体大多呈板条状特征，所占比例在80％以上。其轨头拉伸性能Rm达到1250-1270MPa，延伸率12-16％，常温冲击韧性Aku为72-88J/cm²，硬度HB为363-375。(“抗拉强度1200MPa贝氏体钢轨的开发及其在铁路上的应用”，陈昕等，《钢铁》。2008年11月第43卷第11期)。 

中国专利文献CN102534403A、CN102021481A，用Nb、V、Ti甚至还有Co、W代替了Mo、Ni，通过在钢轨轧制温度范围内析出Nb、V、Ti的碳氮化物抑制奥氏体再结晶晶粒的长大，同时以碳氮化物作为贝氏体相变形核质点，增加形核数量，尽可能多地产生板条贝氏体，限制M-A岛的尺寸及所占比例。其力学性能为Rm达到1060-1350MPa，延伸率11-16.5％，常温冲击韧性Aku为28-52J/cm²。