一種含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及一種含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其制備方法，其中，納米貝氏體材料的化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：碳C：0.18％?0.30％，錳Mn：1.4％?1.8％，硅Si：0.8％?1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25％?0.32％，鑭La：0.0050％?0.015％，其余為鐵Fe及雜質(zhì)，合金元素錳、硅、鉻和鉬的總量滿(mǎn)足關(guān)系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。通過(guò)采用成分多元微合金化原則，添加稀土La，利用稀土La與價(jià)格低廉的Mn、Cr、Si合金元素共同增強(qiáng)淬透性的作用，提高強(qiáng)化效果，并且不添加昂貴合金Ni，使本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)所述的納米貝氏體材料以及鋼軌獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性能。

A La containing rare earth elements of Namibe's material, steel and preparation method thereof

The invention relates to a rare earth containing La elements of Namibe's rail material, and a preparation method thereof, wherein, the chemical composition of Namibe's bulk materials by weight percentage: C:0.18% 0.30% Mn:1.4% carbon, manganese 1.8%, silicon Si:0.8% chromium 1%, Cr 1%, Mo:0.25% 0.32% Mo, La La:0.0050% 0.015%, the rest is Fe and total iron impurities, satisfy the relation of alloying elements Mn, Si, Cr and Mo: 3% = Mn+Si+Cr+Mo = 3.82%. By using the composition of multi alloying principle, adding La, Mn, Cr, Si alloy with rare earth elements La and low price together enhance hardenability effect, improve the strengthening effect, and does not add the expensive alloy Ni, the Namibe's body material and obtain excellent properties of strength and toughness of steel rail.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種納米貝氏體材料、鋼軌及其制備方法，尤其涉及含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其制備方法。
技術(shù)介紹
隨著高速鐵路在世界范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，對(duì)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(guó)根據(jù)鐵路發(fā)展需要和自身資源特色開(kāi)發(fā)的新一代超高強(qiáng)度鋼軌，因獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)而具備超高強(qiáng)度(可達(dá)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(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生最大貢獻(xiàn)；其空冷自硬化特性可實(shí)現(xiàn)鋼軌的超短工藝流程生產(chǎn)，從而具有增加效益、節(jié)約能源、減少污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其成為高速鐵路鋼軌更新?lián)Q代的新鋼種。但是隨著強(qiáng)度的不斷增加，貝氏體鋼軌的韌性略顯不足，以及環(huán)境中的氫元素進(jìn)入鋼軌中導(dǎo)致的延遲斷裂等問(wèn)題，大大削弱了貝氏體鋼軌在強(qiáng)度性能方面的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)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(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中的能耗增加，加大鋼材使用后的回收難度，不利于提高經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境的保護(hù)。此外，由于微合金貝氏體鋼軌成分復(fù)雜，加之鋼軌自身的斷面特點(diǎn)，其冷卻過(guò)程轉(zhuǎn)變組織復(fù)雜多樣，微觀組織演變規(guī)律尚不明確，結(jié)果較難得到理想的強(qiáng)韌配比優(yōu)良的貝氏體組織，致使鋼軌在使用初期便出現(xiàn)了軌裂，同時(shí)伴有剝離掉塊現(xiàn)象。公開(kāi)號(hào)為CN1916195的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N超高強(qiáng)度超低碳貝氏體鋼的制備方法、公開(kāi)號(hào)為CN255949的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N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(kāi)號(hào)為CN510156的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N抗磨損、高強(qiáng)韌性準(zhǔn)貝氏體鋼軌及其制造方法，上述申請(qǐng)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(fā)生長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)變，增加了生產(chǎn)環(huán)節(jié)及生產(chǎn)成本，而且鋼的強(qiáng)度不是很高；公開(kāi)號(hào)為CN103451556A的專(zhuān)利中用提高碳含量固溶強(qiáng)化來(lái)提高強(qiáng)度，也不能達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果。公開(kāi)號(hào)為CN103243275B的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N鋼軌用貝氏體/馬氏體/奧氏體復(fù)相高強(qiáng)鋼的制備方法，其金相組織中含有馬氏體，如果鋼軌矯后殘余應(yīng)力大，易使鋼軌在使用中造成開(kāi)裂；鋼中貝氏體體積分?jǐn)?shù)僅為20-50％，并未細(xì)述其優(yōu)勢(shì)；而且為穩(wěn)定這種復(fù)相鋼組織，消除殘余應(yīng)力，還要將鋼坯在200-350℃下保溫6-60小時(shí)進(jìn)行回火穩(wěn)定化處理，并且少量不穩(wěn)定的殘余奧氏體還是有可能發(fā)生馬氏體化。公開(kāi)號(hào)為CN102899471A、CN103160736A的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┝素愂象w鋼軌的熱處理方法，不僅使生產(chǎn)工序繁雜，控制不當(dāng)還會(huì)造成雜質(zhì)元素在晶界偏聚，殘余奧氏體發(fā)生分解，析出碳化物，反而會(huì)使韌性不利，且鋼軌的特殊斷面形狀并不適合采用回火熱處理來(lái)提高韌性。公開(kāi)號(hào)為CN101586216B、CN101921971B等的專(zhuān)利申請(qǐng)所提供的鋼軌都未對(duì)組織形態(tài)進(jìn)行描述，因?yàn)樨愂象w組織形態(tài)千差萬(wàn)別，會(huì)使貝氏體鋼軌具有不同的強(qiáng)韌性水平，尤其是貝氏體鋼軌組織中應(yīng)避免大塊M-A島、不穩(wěn)定殘余奧氏體，否則易誘發(fā)馬氏體相變，增加鋼軌對(duì)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(dǎo)致鋼軌在使用出現(xiàn)安全隱患。公開(kāi)號(hào)為CN101613830B的專(zhuān)利申請(qǐng)介紹了一種熱軋貝氏體鋼軌及生產(chǎn)工藝，其成分設(shè)計(jì)中采用復(fù)合式方法加入Nb、V、Ti，因Nb、V、Ti屬于強(qiáng)碳化物形成元素，其未溶的強(qiáng)碳化物硬質(zhì)相較粗大，容易成為疲勞裂紋源，降低沖擊韌性。公開(kāi)號(hào)為CN102899471A、CN103160736A、CN104087852A、CN102936700A的專(zhuān)利申請(qǐng)中，所述貝氏體鋼軌組織均屬于粗晶或微晶尺度，未達(dá)到納米晶尺度，所謂的超細(xì)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(nèi)的超細(xì)亞結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)韌性能的貢獻(xiàn)，那么相應(yīng)的鋼軌性能潛力就未得到充分的挖掘。公開(kāi)號(hào)為CN101624683B的專(zhuān)利申請(qǐng)介紹了一種超高強(qiáng)度貝氏體鋼軌用鋼及其制造方法，雖然為納米超細(xì)組織，但并未詳細(xì)說(shuō)明其貝氏體板條尺寸及細(xì)化原因。總而言之，上述專(zhuān)利所涉及貝氏體鋼軌中存在以下各種技術(shù)問(wèn)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(qiáng)度與韌性、延伸性很難同時(shí)匹配，換軌頻繁；鋼軌的制造、加工工藝及后序熱處理工序繁雜，過(guò)程不易控制，不利于節(jié)能減排等等；這些因素大大限制了貝氏體鋼軌的推廣應(yīng)用。不斷提高的冶煉技術(shù)水平使鋼的潔凈度越來(lái)越高，稀土在潔凈鋼中的微合金化作用被發(fā)現(xiàn)和采納。但是目前針對(duì)稀土在含Mn、Cr等合金的空冷貝氏體鋼軌中的應(yīng)用還未見(jiàn)相關(guān)專(zhuān)利及報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
基于上述技術(shù)背景，本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種含稀土La元素的納米貝氏體材料、鋼軌及其制備方法，本專(zhuān)利技術(shù)的含稀土La元素的納米貝氏體材料具有高強(qiáng)韌性，同時(shí)，含有本專(zhuān)利技術(shù)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(cuò)的納米級(jí)貝氏體精細(xì)板條，即本專(zhuān)利技術(shù)的鋼軌具有優(yōu)良強(qiáng)韌性配比。本專(zhuān)利技術(shù)提供一種含稀土La元素的納米貝氏體材料，其化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：碳C：0.18％-0.30％，錳Mn：1.4-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25％-0.32％，鑭La：0.0050％-0.015％，其余為鐵Fe及雜質(zhì)，滿(mǎn)足關(guān)系：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。在本專(zhuān)利技術(shù)中，在納米貝氏體材料中加入稀土La元素，La能夠增強(qiáng)Mn、Cr、Mo等合金元素的淬透性，大大提高強(qiáng)化效果。本專(zhuān)利技術(shù)的專(zhuān)利技術(shù)人經(jīng)過(guò)深入微觀結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)在本專(zhuān)利技術(shù)貝氏體鐵素體板條內(nèi)部存在兩種亞結(jié)構(gòu)：2-5nm的超細(xì)孿晶板條及高密度位錯(cuò)，二者分別起到了顯著的形變細(xì)晶強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化效果，這對(duì)貝氏體材料的高強(qiáng)韌性能做出了突出貢獻(xiàn)，同時(shí)促成了硬度的迅速增加，耐磨性也隨之提高，這與稀土促進(jìn)位錯(cuò)生成及提高位錯(cuò)密度的研究報(bào)道相符。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中貝氏體鐵素體板條間存在殘余奧氏體(RA)，能夠吸收部分沖擊功并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％，并呈現(xiàn)細(xì)條狀，而非粗大塊狀，使本專(zhuān)利技術(shù)的RA機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)，外力作用下不易誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，保證了在鐵軌中使用納米貝氏體材料時(shí)的可靠性及安全性。本專(zhuān)利技術(shù)中添加稀土La后，稀土La不僅能夠有效提高鋼的淬透性，提高強(qiáng)化效果，還能得到如下效果：在軋制過(guò)程中稀土?xí)种圃俳Y(jié)晶、細(xì)化晶粒；貝氏體形核及其長(zhǎng)大過(guò)程中稀土?xí)?xì)化貝氏體本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種含稀土La元素的納米貝氏體材料，其特征在于：所述納米貝氏體材料的化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：碳C：0.18％?0.30％，錳Mn：1.4％?1.8％，硅Si：0.8％?1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25％?0.32％，鑭La：0.0050％?0.015％，其余為鐵Fe及雜質(zhì)，合金元素錳、硅、鉻和鉬的總量滿(mǎn)足關(guān)系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種含稀土La元素的納米貝氏體材料，其特征在于：所述納米貝氏體
材料的化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：碳C：0.18％-0.30％，錳Mn：
1.4％-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，鉻Cr≤1.0％，鉬Mo：0.25％-0.32％，
鑭La：0.0050％-0.015％，其余為鐵Fe及雜質(zhì)，合金元素錳、硅、鉻和
鉬的總量滿(mǎn)足關(guān)系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含稀土La元素的納米貝氏體材料，其特征在于：
所述鑭La的含量為0.0090％-0.015％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的含稀土La元素的納米貝氏體材料，其特
征在于：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(jì)為：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，銅Cu≤0.10％，
鋁Al≤0.02％。
4.一種含稀土La元素的納米貝氏體材料的制備方法，其特征在于，包括：
脫氧脫硫步驟，對(duì)所述納米貝氏體材料的基體進(jìn)行脫氧脫硫，以便得到
純凈的材料組織；
元素添加步驟，在得到的所述純凈的材料組織中，添加的元素和含量重
量百分比計(jì)分別為：碳C：0.18％-0.3...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王曉東，包喜榮，田仲良，陳林，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：內(nèi)蒙古;15