[发明专利]添加稀土Ce及Nb元素的耐腐蚀超细珠光体材料

说明书

本发明公开了添加稀土Ce及Nb元素的耐腐蚀超细珠光体材料，其化学成本以重量百分比计为：C：0.85％～1.1％，Mn：0.9％～1.2％，Si：0.7％～0.9％，Cr：0.3％～0.5％，Cu：0.2％～0.5％，Nb：0.02％～0.04％，Ce：0.02％～0.05％，P：0.02％～0.04％，S≤0.003％，余量为铁Fe及杂质。采用本发明耐腐蚀超细珠光体材料所制备的过共析钢钢轨，其组织为纳米级珠光体片层结构，片层间距约62nm～83nm，钢轨具有优良强韧性、硬度及耐腐蚀性，更适用于高速重载铁路线上。

技术领域

本发明属于耐腐蚀超细珠光体材料和过共析钢钢轨技术领域，尤其涉及添加稀土Ce及Nb元素的耐腐蚀超细珠光体材料。

背景技术

高速铁路作为高效绿色运输在世界范围内呈现出蓬勃发展的强劲势头，不仅促进世界和区域和谐发展，还可节约宝贵的石油资源，大量减少碳排放。至2020年，我国计划将建成“四纵四横”的15万公里高速铁路网，迫切需要更高强度及耐磨性的钢轨产品，而现有珠光体类钢轨经合金化或热处理，踏面硬度最高仅能达到430HB左右，钢轨强度低、硬度低、碳含量低，耐磨性差。目前，提高珠光体组织的强韧性能及耐磨性，就必须强化铁素体基体、减小片层间距、控制渗碳体比例和硬度，可通过增加钢轨中C含量和合金元素来实现，如过共析钢轨钢由于碳含量的增加，强度得到进一步提高，钢轨踏面硬度最高达到460HB。但传统观念认为，钢中碳含量增加到1％以上时，奥氏体晶界处优先析出的二次渗碳体形成粗大网状分布，会急剧降低钢的塑性、韧性及抗疲劳性能的下降；并且易与氢氧和腐蚀性气体环境优先反应，在大气腐蚀作用下，引起微小缺陷或疲劳微裂纹导致脆性破坏，这大大削弱了过共析钢轨在强度、耐磨性能方面的优势，因而高碳过共析钢被长期排除在轨道材料之外。

公告号为CN104032222B的中国专利公开了一种纳米珠光体钢轨的制备方法，该制备方法轧制工艺后各温度段保温时间较长，还要进行再加热去应力回火处理；公告号CN102899471B、CN103160736B的中国专利所公开的钢轨中引入了贝氏体组织，公开号CN1884606A的中国专利公开的超细珠光体高强度轨道钢的制备方法采用热温变形工艺，公告号CN1155013C、CN1044723C、CN1107735C、公告号CN1754973A的中国专利所公开的轨钢中，添加Nb、V、Cr和稀土等元素，并控制轧制或轧制后热处理。上述专利中所公开的工艺提高过共析钢钢轨强度及耐磨性有限，已不能满足当前对高强钢轨的性能要求。

公告号CN1304618C的中国专利公开：珠光体钢的碳含量虽然高达1.4％，并通过进一步添加Nb、V、Mo、B等微合金元素控制碳化物形态，获得较高强度，但后续热处理过程控制较为复杂。公告号CN101818312B、公开号CN1884606A的中国专利对轧后钢轨进行低温再加热结合加速冷却的方法，控制珠光体相变获得微细珠光体来提高韧性，存在的问题是再加热会引起碳化物粗大，反而降低韧性，而且增加能耗及生产成本。公告号为CN104032222B的中国专利中所述纳米珠光体钢轨需要去应力回火处理，不仅使生产工序繁杂，控制不当还会造成杂质元素在晶界偏聚，也会对韧性不利，且钢轨的特殊断面形状并不适合采用回火热处理来提高韧性。公开号CN1522311A的中国专利中所述过共析钢钢轨塑性低，钢轨容易断裂，在铸坯中心偏析带部位容易生成先共析渗碳体，恶化钢轨性能，焊接碳当量高，钢轨焊接性能差，在焊接过程中易形成网状先共析渗碳体。

此外，公开号为CN104060187B的专利申请开发了添加铜、铬等耐蚀合金元素的高碳钢钢轨，但未能解决因铜、铬的加入对高碳钢轨钢的韧性和焊接性能带来的副作用问题，降低了钢轨使用的安全性。公告号CN104060187B、CN100519670C的中国专利中分别在钢轨表面热喷涂铝锌涂层及耐腐蚀纳米涂料提高钢轨耐蚀性能，但涂层法工艺复杂，不仅存在涂层材料飞溅污染、成本较高等问题，关键是钢轨矫直过程中涂层容易剥落，耐腐性能不理想，无法规模化推广使用。