[发明专利]一种超低磷贝氏体钢及其贝氏体钢轨

说明书

技术领域

本发明涉及铁路用钢技术领域。更具体地，涉及一种超低磷贝氏体钢及其贝氏体钢轨。

背景技术

重载高速铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路部门的广泛重视；随着我国社会经济的迅速发展以及中长期铁路网规划的逐步实施，我国的重载高速铁路逐渐进入快速发展的新时期。为了进一步提高运载效率、降低运载成本，重载列车的轴重、行车速度和频率不断增加，在这种情况下轮轨之间的磨损和接触疲劳等损伤将会愈加严重，因而对钢轨材料的要求越来越苛刻。传统的珠光体钢轨由于强度不足、韧性较差、抗接触疲劳损伤不佳等，很难满足重载高速铁路建设的新需求。

在此背景下，很多科技工作者开始关注贝氏体钢轨的研制与生产。例如，北京特冶工贸有限责任公司申请了“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”(CN101921971A)，但由于对P的含量控制不明，生成的钢轨的性能不稳定，特别是钢轨的脆性会增加；且其采用风冷以冷速为10-20℃/分钟冷却，获得钢轨的强度低，仅为1200-1300MPa，不能满足日益发展的重载铁路建设。新日本制铁株式会社的申请“具有优异的耐滚动疲劳损伤性的贝氏体系高强钢轨的制造方法”(CN1095421A)采用“从γ区域温度以上以1-10℃/秒冷却钢轨上端，在500-300℃间停止加速冷却”，但由于钢轨形状复杂，在高温阶段采用快速冷却会造成钢轨不同部位产生温度梯度，引起钢轨剧烈的弯曲变形，而且后续难以矫直。鞍钢股份有限公司的申请“具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法”(CN1978690A)采用“热轧后在空气中自然冷却”必然会引起天气气候对冷却速度的影响，进而造成性能不稳定，且其组分配比不理想。

一般认为，残余奥氏体是决定贝氏体钢轨最终性能的重要因素。残余奥氏体可以产生相变诱发塑性效应(TRIP)、阻碍裂纹扩展效应(BPC)和吸收位错效应(DARA)以及其作为主要的“氢陷阱”可显著地阻碍裂纹的萌生和扩展，进而提高贝氏体钢轨的耐磨性和抗接触疲劳的性能。然而不稳定的残余奥氏体在服役过程中，即使在很小的应变下也会诱发转变成马氏体并释放出氢，这会加快钢轨微裂纹的扩展和表层剥落，因此对钢轨的服役性能极为不利，因此调控贝氏体钢轨中的残余奥氏体，提高其稳定性具有关键意义。

本申请的发明人以朔黄铁路用贝氏体钢轨为例进行调研，发现由于该钢轨的合金组分设计和热处理工艺不能完全匹配，造成晶界弱化和残余奥氏体的稳定性不足等问题，进而诱发了钢轨的接触疲劳损伤(如核伤、剥离伤损等)，造成钢轨性能不稳定。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种超低磷贝氏体钢。采用本发明的磷元素含量低且合金组分设计合理的原料组分加工钢轨，能有效避免钢轨出现晶界弱化。

本发明的第二个目的是提供一种用上述超低磷贝氏体钢制成的超低磷贝氏体钢轨。

一种超低磷贝氏体钢，其合金元素含量，按质量百分比，包括：

C：0.15-0.22wt％，Mn：2.15-2.35wt％，Si：0.6-1.5wt％，Cr：0.3-0.6wt％，Ni：0-0.6wt％，Mo：0.04-0.48wt％，P：0.001-0.012wt％，S：0.001-0.020wt％，

剩余部分为Fe和不可避免的杂质，且Mo与P的比值不小于40。

采用本发明的磷元素含量低且合金组分设计合理的原料组分加工钢轨，能有效避免钢轨出现晶界弱化。

一种超低磷贝氏体钢轨，由上述超低磷贝氏体钢制成。

进一步地，所述超低磷贝氏体钢轨的制备包括以下步骤：

1)将上述超低磷贝氏体钢加工成钢轨；

2)将钢轨冷却至钢轨踏面温度为贝氏体转变开始温度(Bs)以上的温度；

3)将钢轨踏面以0.5-8℃/秒的冷却速度冷却至马氏体转变开始温度(Ms)和马氏体结束温度(Mf)之间的温度，之后将钢轨踏面升温至贝氏体转变开始温度(Bs)和贝氏体结束温度(Bf)之间的温度并保持10-60分钟，之后将钢轨踏面冷却至室温；

4)将钢轨回火，得到超低磷贝氏体钢轨。