一种稀土低碳、贝氏体钢轨及其制备方法与流程

本发明涉及钢轨制造，具体是一种稀土低碳、贝氏体钢轨及其制备方法。

背景技术：

1、对于铁路线路采用的钢轨，目前普遍为珠光体钢轨，相较其，贝氏体钢轨具有更优异的力学性能和焊接性能：

2、一方面，珠光体为铁素体和渗碳体组成的层状复相物，相较由板条贝氏体和碳化物组成的贝氏体，强度、韧性均劣于贝氏体；另一方面，传统珠光体钢轨碳含量高，在焊接过程中易产生裂纹，但是贝氏体钢轨碳含量低，焊接性能优异，但是，碳含量影响钢轨的力学性能，如何在低碳贝氏体钢轨中进一步实现力学性能的提升，是贝氏体钢轨需要解决的难题之一。

3、综上，本发明提供了一种稀土低碳、贝氏体钢轨及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供了一种稀土低碳、贝氏体钢轨及其制备方法，通过对钢坯组成和制备工艺进行优化，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种稀土低碳、贝氏体钢轨，钢轨包括以下元素组分，按照质量百分比计作：0.13wt%-0.22wt%碳，0.80wt%-1.50wt%硅，1.60wt%-2.30wt%锰，0.50wt%-0.70wt%铬，0.30wt%-1.50wt%铜，0.05wt%-0.80wt%钒，20ppm-600ppm稀土元素，其余为铁和不可避免的杂质；

4、所述钢轨的金相组织为板条贝氏体及马氏体复相组织。

5、进一步地，钢轨的金相组织中，板条贝氏体的含量≧70%。进一步地，钢轨包括以下元素组分，按照质量百分比计作：0.13wt%-0.16wt%碳，0.80wt%-1.20wt%硅，1.60wt%-2.20wt%锰，0.50wt%-0.70wt%铬，0.30wt%-1.50wt%铜，0.05wt%-0.50wt%钒，20ppm-600ppm稀土元素，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢轨的金相组织中，板条贝氏体的含量≧70%。

6、进一步地，钢轨包括以下元素组分，按照质量百分比计作：0.16wt%-0.20wt%碳，0.80wt%-1.30wt%硅，1.70wt%-2.20wt%锰，0.50wt%-0.70wt%铬，0.30wt%-1.50wt%铜，0.06wt%-0.80wt%钒，20ppm-600ppm稀土元素，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢轨的金相组织中，板条贝氏体的含量≧80%。

7、进一步地，钢轨包括以下元素组分，按照质量百分比计作：0.18wt%-0.22wt%碳，0.80wt%-1.50wt%硅，1.80wt%-2.30wt%锰，0.50wt%-0.70wt%铬，0.30wt%-1.50wt%铜，0.06wt%-0.80wt%钒，20ppm-600ppm稀土元素，其余为铁和不可避免的杂质；所述钢轨的金相组织中，板条贝氏体的含量≧80%。

8、进一步地，稀土元素为镧、铈中的任意一种或多种。

9、进一步地，钢轨的制备方法包括以下步骤：

10、步骤一：通过在温度1400-1600℃的条件下，冶炼，进行精炼，真空脱氧，加入稀土合金，连铸，得到钢坯；

11、步骤二：取钢坯，控制开轧温度为1100-1140℃，终轧温度为850-950℃，轧制成型；

12、步骤二：取钢坯，控制开轧温度为1140-1200℃，终轧温度为850-950℃，轧制成型；

13、步骤三：在温度890-910℃的条件下，按照控冷冷却速度1-10℃/s冷却至180-350℃，然后自然冷却至20-30℃；加热，在温度150-480℃的条件下，保温8-40h进行时效处理，得到钢轨。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、对于钢轨中的镧或铈，碳，铬，钒，铜，硅，锰，对其取值范围根据其在钢轨中的作用及其与其他元素的相互作用做出以下调整：

16、针对镧或铈，镧或铈作为稀土元素，通过净化钢水、减少夹杂改善钢轨韧性和抗疲劳性能，同时，通过细化晶粒提高钢轨低温韧性，所以含量过低将导致韧性和抗疲劳性能下降；镧或铈含量过高将导致稀土氧化物夹杂，钢轨韧性和抗疲劳性能下降，因此，将稀土元素含量控制在20ppm-600ppm稀土元素；

17、针对碳，碳含量对贝氏体钢轨力学性能影响较大，碳含量过高在增加钢轨硬度的同时也增加了钢轨脆断风险，碳含量过低导致钢轨强度下降，微调碳含量上限，将碳含量控制在0.13wt%-0.22wt%；

18、针对铬，铬一方面通过细化板条贝氏体平衡钢轨的强度和韧性，另一方面，铬含量过高与铜协同导致热脆，降低钢轨韧性，综合考虑，将铬含量控制在0.50wt%-0.70wt%；

19、针对钒，作为析出强度元素，加入钢轨中提升其强度和低温韧性，所以钒含量过低将导致钢轨强度和韧性下降，钒含量过高导致析出物过量成为裂纹源，钢轨强度和低温韧性下降，将钒含量控制在0.06wt%-0.80wt%；

20、针对铜，一方面，通过减低韧脆转变温度提高钢轨低温韧性，另一方面，通过在钢轨表面形成致密氧化层提高钢轨耐腐蚀性能，所以铜含量过低将导致钢轨低温韧性和耐腐蚀性能下降；但是，当铜含量过高时，一方面，铜在晶界富集导致热脆从而影响钢轨强度，另一方面，促进不利于提升钢轨韧性的组织形成导致钢轨韧性下降，将铜含量控制在0.30wt%-1.50wt%；

21、针对硅，作为固溶强化元素，加入钢轨中提升其强度，同时，延迟珠光体转变促进贝氏体形成，提升钢轨韧性和硬度，所以硅含量过低将导致钢轨力学性能下降；但是，硅含量过高将促进组织粗化导致钢轨塑性下降，将硅含量控制在0.80wt%-1.50wt%；

22、针对锰，加入钢轨中，一方面，显著提高淬透性促进贝氏体形成，一方面，通过固溶强化提高钢轨强度，且改善钢轨焊接性能，综上，锰含量过低将导致钢轨力学性能和焊接性能下降，但是，当锰含量过高时，锰偏析风险增加，将导致组织不均匀，钢轨韧性下降，在一般贝氏体钢轨中锰含量控制在1.0wt%-1.4wt%，本发明将其控制在1.70wt%-2.30wt%。

23、2、通过优化钢坯化学元素组成及其质量百分比，控制贝氏体组织的形成，优化后的钢轨包括以下元素组分，按照质量百分比计作：0.13wt%-0.22wt%碳，0.80wt%-1.50wt%硅，1.70wt%-2.30wt%锰，0.50wt%-0.70wt%铬，0.30wt%-1.50wt%铜，0.06wt%-0.80wt%钒，20ppm-600ppm稀土元素，其余为铁和不可避免的杂质；

24、对加入后有利于提高钢轨力学性能的化学元素，例如镧或铈、碳、钒、铜，需要严格控制其含量，一方面，含量过低导致钢轨力学性能不足，另一方面，含量过高导致元素偏析，在钢坯中分布不均或热脆，并且需要综合考虑各元素之间的相互作用，例如镧或铈、钒和铜通过不同作用机制协同作用提高钢轨的低温韧性和强度；

25、对加入后有利于贝氏体形成的化学元素，例如铬、硅、锰，需要严格控制其含量，一方面，含量过低导致钢轨的淬透性不足，影响贝氏体形成，导致钢轨力学性能不足，另一方面，含量过高导致元素偏析，在钢坯中分布不均，导致组织粗化，并且需要综合考虑各元素之间的相互作用，例如铬、锰通过协同提高钢轨淬透性，以及与硅一同通过不同作用机制平衡钢轨的韧性和强度。

26、3、控制贝氏体的形成，除了优化钢坯化学元素组成及其质量百分比，还根据钢坯组成结合钢轨的异型截面，对工艺参数控冷冷却速度，终冷温度，时效处理温度，保温时间进行控制，使得制备得到的钢坯通过冷却、时效处理后，其力学性能得到最大程度的提升。