專利名稱：高強度低溫韌性鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋼，具體為一種高強度低溫韌性鋼。
背景技術：
目前，關于鐵路的重要配件鋼軌接頭夾板在技術性能要求嚴格，國內(nèi)在 1993年后開始執(zhí)行鐵道部制定的鐵標TB/T 2345-1993,TB/T2342. 1 4-1993，采用B7與 YW52鋼制作。其化學成分為(％ )B7 鋼C 0.50-0. 62、Mn 0.50-0.80、Si 0. 15-0. 35, P≤ 0.045、S ≤ 0.050。這種鋼熱處理后的力學性能為抗拉強度≥785MPa、屈服強度≥520MPa、伸長率 ≥9%、斷面收縮率≥20%、布氏硬度HB 227 388、冷彎角30°完好。而美國方要求鐵路配件鋼軌接頭夾板鋼低溫下技術驗收的力學性能如下 國內(nèi)在長期的實踐應用中證明，B7與YW52鋼僅適用于常溫至-20°C的情況下使 用。由于我國幅員遼闊，地區(qū)溫差變化較大，B7與YW52鋼在低溫條件下易產(chǎn)生斷裂，所以 在鐵路干線上經(jīng)常發(fā)生斷裂事故，影響了交通的正常運行。目前，由于鐵路的不斷提速，對 鋼軌接頭夾板的性能提出了更高的要求，B7與YW52鋼生產(chǎn)的鐵路重要配件鋼軌接頭夾板 已不再適用于日益發(fā)展的高速鐵路運行的要求。在本發(fā)明提出之前，涉及中碳低合金鋼制造領域的同類技術產(chǎn)品較少，基本上都 是針對特殊的應用環(huán)境而提出的，其優(yōu)點和弊端各異。經(jīng)查詢有中國實用新型專利，授權 公告號CN2516577Y "XY30鋼軌用接頭夾板”，其中鉬的含量較高，范圍為0. 25-0. 35%, 而且還必須含有釩、鋁、鈮、稀土等元素，低溫沖擊試驗溫度為-50°C，該專利不足之處在 于鋼的生產(chǎn)成本很高。而涉及低碳低合金鋼制造領域的發(fā)明鋼較多，如中國專利公開號 CN101235466A “一種高韌性-110°C低溫鋼及其制造方法”，專利公開號CN101381841A “一 種高強度高韌性-50°C低溫鋼及其制造方法”等，雖然均獲得了優(yōu)異的低溫韌性，但強度指 標均較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鋼的軋制工藝性能優(yōu)良，通過控制鋼的合適的開軋溫度，控軋 累計壓下率、末三道每道次壓下率、終軋溫度、淬火溫度、淬火時間、回火保溫溫度、回火保 溫時間等工藝參數(shù)，實現(xiàn)鋼的高強度低溫韌性鋼的強韌性組合的目標。本發(fā)明具有鋼質(zhì) 純凈、組織穩(wěn)定、強度高、穩(wěn)定且優(yōu)良的-40°c低溫韌性的優(yōu)點，而且工藝簡單、成本較低、 利于推廣應用。本發(fā)明鋼適合作為高寒地區(qū)低溫條件下使用的工程機械、鐵路配件用鋼， 如鐵路鋼軌用接頭夾板等。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的化學成分按重量百分比為C 0. 26-0. 35、Si 0. 12-0. 40、Mn 1. 20-1. 55、P ≤ 0. 030、S ≤ 0. 010、Mo 0. 10-0. 30，此外還含有Cr ≤ 0. 25、Ni ≤0. 20、Cu ≤ 0. 20, V ≤ 0. 20、Ti≤ 0. 05中的兩種或兩種以上，余量 為 Fe?；瘜W成分按重量百分比為:C 0. 26、Si 0. 22、Mn 1. 53、P0. 028、SO. 010、Mo 0. 11， CrO. 24、NiO. 03、CuO. 03、V0. 08、TiO. 01，余量為 Fe。C 0. 30、Si 0. 24、Mn 1. 34、P0. 014、 S 0.009、Mo 0. 12，CrO. 20、NiO. 01、CuO. 05、V0. 07、TiO. 02，余量為 Fe。C 0. 34、Si 0.33、 Mn 1. 43、P0. 017、S0. 008、Mo 0. 14，CrO. 22、NiO. 02、CuO. 03、V0. 09、TiO. 02，余量為 Fe。C 0. 30,Si 0·31、Μη 1. 43,Ρ0. 012,SO. 010,Mo 0. 18，CrO. 19、NiO. 02、Cu0. 03、V0. 09、Ti0. 01， 余量為 Fe。CO. 27、Si 0. 28, Mn 1. 39、P0. 010、SO. 009、Mo 0. 11，CrO. 23、NiO. 01、CuO. 05、 V0. 07、TiO. 02，余量為 Fe。C 0. 32、Si 0.32、Mn 1. 43、P0. 024、SO. 007、Mo 0. 15，CrO. 20、 NiO. 03、CuO. 03、V0. 10、TiO. 02，余量為Fe。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明具有鋼質(zhì)純凈、組織 穩(wěn)定、強度高、穩(wěn)定且優(yōu)良的_40°C低溫韌性的優(yōu)點，而且工藝簡單、成本較低、利于推廣應 用。本發(fā)明鋼最適合作為高寒地區(qū)低溫條件下使用的工程機械、鐵路配件用鋼，如鐵路鋼軌 用接頭夾板等。


圖1為本發(fā)明魚尾板鋼回火索氏體組織；圖2為本發(fā)明魚尾板鋼試驗 室試樣沖擊性能測定結果，沖擊功(-40°C下)。
具體實施例方式例 11、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 26, Si 0. 22, Mn 1. 53、P 0. 028、S 0. 010、Mo 0. IUCr 0. 24, Ni 0. 03, Cu 0. 03, V ^ 0. 08, Ti ( 0. 01，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配60%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1100_1130°C，控制累計壓下率≥55%，末三道每道次 壓下率≥8%，終軋溫度900°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在940°C保溫45分鐘，然后出爐。淬火入水溫度在920士 10°C，水溫控制在60°C 士 10°C，淬火時間62秒。回火升溫至610士 10°C，開始計算保溫時間50分鐘。5、性能檢測疲勞強度5373000次。 例 21、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 30, Si 0. 24, Mn 1. 34、P 0. 014、S 0. 009、Mo 0. 12, Cr 0. 20, Ni 0. OUCu 0. 05, V ^ 0. 07, Ti ( 0. 02，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配62%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1095_1120°C，控制累計壓下率彡55%，末三道每道次壓下率彡8%，終軋溫度850°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在900°C保溫40分鐘，然后出爐。淬火入水溫度在880士 10°C，水溫控制在40°C 士 10°C，淬火時間62秒?；鼗鹕郎刂?50士 10°C，開始計算保溫時間50分鐘。5、性能檢測疲勞強度8974000次。 例 31、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 34, Si 0. 33、Mn 1. 43、P 0. 017、S 0. 008、Mo 0. 14、Cr 0. 22、Ni 0. 02、Cu 0. 03, V ^ 0. 09、Ti 彡 0. 02，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配55%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1095_1120°C，控制累計壓下率彡55%，末三道每道次 壓下率彡8%，終軋溫度820°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在900°C保溫40分鐘，然后出爐。淬火入水溫度在880士 10°C，水溫控制在40°C 士 10°C，淬火時間62秒?；鼗鹕郎刂?80士 10°C，開始計算保溫時間50分鐘。5、性能檢測疲勞強度6748000次。 例 41、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 30, Si 0. 31, Mn 1. 43、P 0. 012、S 0. 010、Mo 0. 18, Cr 0. 19, Ni 0. 02, Cu 0. 03, V ^ 0. 09, Ti ( 0. 01，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配58%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1150-1200°C，控制累計壓下率彡55%，末三道每道次 壓下率彡8%，終軋溫度840°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在900°C保溫40分鐘，然后出爐。
淬火入水溫度在880士 10°C，水溫控制在40°C 士 10°C，淬火時間62秒。回火升溫至610士 10°C，開始計算保溫時間50分鐘。5、性能檢測疲勞強度10052700次。 例 51、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 27, Si 0. 28、Mn 1. 39、P 0. 010、S 0. 009、Mo 0. IUCr 0. 23, Ni 0. OUCu 0. 05, V ^ 0. 07, Ti ( 0. 02，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配65%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1150-1200°C，控制累計壓下率彡55%，末三道每道次 壓下率彡8%，終軋溫度880°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在920°C保溫40分鐘，然后出爐。淬火入水溫度在900士 10°C，水溫控制在30°C 士 10°C，淬火時間55秒?；鼗鹕郎刂?00士 10°C，開始計算保溫時間60分鐘。5、性能檢測疲勞強度10894100次。 例 61、鋼種的一種化學成分 ％ :C 0. 32, Si 0. 32、Mn 1. 43、P 0. 024、S 0. 007、Mo 0. 15, Cr 0. 20, Ni 0. 03, Cu 0. 03, V ^ 0. 10, Ti ( 0. 02，余量為 Fe。2、制造方法采用超高功率直流電弧爐兌配50%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處 理，按照純凈鋼工藝進行連鑄。3、軋制工藝鋼的開軋溫度1120_1160°C，控制累計壓下率彡55%，末三道每道次 壓下率彡8%，終軋溫度840°C .4、熱處理制度采用調(diào)質(zhì)處理方式。熱處理加熱在920°C保溫40分鐘，然后出爐。淬火入水溫度在890士 10°C，水溫控制在30°C 士 10°C，淬火時間60秒。回火升溫至610士 10°C，開始計算保溫時間50分鐘。5、性能檢測疲勞強度11660000次。
一、現(xiàn)有技術1、B7鋼的基本問題根據(jù)TB/T 2345-1993《43_75kg/m鋼軌用接頭夾板供貨技術要求》，對B7鋼所規(guī) 定的化學成分、力學性能要求見表1與表2。
表1 B7鋼主要化學成分 表2 B7鋼主要力學性能 注表內(nèi)數(shù)據(jù)為常溫條件下的試驗參數(shù)。該標準允許B7鋼經(jīng)加熱淬火(允許用高溫水或油液)后，可采用自身余熱回火方 式處理得到最終產(chǎn)品，根據(jù)金屬材料與熱處理的基本關系，采用淬火與回火一體化操作，較 難準確控制材料的淬火及回火質(zhì)量，并有可能引出如下問題(1)工件自身回火溫度是否嚴格避開了高溫或低溫脆性回火區(qū)，如果有不確定因 素，可出現(xiàn)高脆性組織。(2)在淬火與回火連續(xù)進行時，對奧化體的等溫轉變溫度及時間是較難進行控制 的，處理失當會引發(fā)其它相變的發(fā)生。(奧氏體等溫轉變曲線參見相關專業(yè)資料)a.可能出現(xiàn)珠光體組織b.可能出現(xiàn)片狀馬氏體組織c.可能出現(xiàn)貝氏體組織(3)關于出現(xiàn)片狀馬氏體組織幾率問題一般認為，當鋼中的碳含量處于中低含量時，淬火后所得到的是板條狀馬氏體組 織；當鋼中的碳含量處于中高含量時，淬火后所得到的是針狀與片狀混合型馬氏體組織； 當碳含量接近高碳鋼(即C彡0. 6% )時，所得到的多為片狀馬氏體組織。片狀(或針狀)馬氏體的基本特征為脆硬性組織且不穩(wěn)定，通過對B7鋼所作夏比 試樣V型缺口沖擊試驗已得到證實，其中韌性斷口面積只占總斷口面積的有2%。同樣將上述 淬火試樣進行1小時480度回火處理后，所得到是索氏體+鐵素體，降低了材料的疲勞強度。以上試驗驗證了以下幾點結論a.目前采用B7鋼制造的魚尾板，在常溫環(huán)境下已具有脆性材料的特征；
b.根據(jù)沖擊斷口性質(zhì)推斷，B7鋼的脆性較變溫度不低于+30°C ；c.當采用自身溫度回火時，其組織形式為片狀馬氏體；d.當強制回火時，所得到是索化體+鐵素體，其金相組織粗大降低了材料的疲勞性能。因此，采用B7鋼種制造的魚尾板難于滿足低溫氣候條件下線路的實際使用要求， 尤其給提速、重載線路的運輸安全帶來極大隱患。表3 B7鋼材質(zhì)沖擊性能檢驗結果夏比試樣V型缺口 二、低溫高強度鋼(以下稱本發(fā)明鋼)的主要設計原則1、根據(jù)寒冷地區(qū)的實際工況條件，研究確定本發(fā)明鋼的綜合機械性能要求。2、根據(jù)本發(fā)明鋼的綜合機械性能要求，研究優(yōu)化鋼的化學(合金)成分配比元素。3、根據(jù)機械性能及化學成分，研究優(yōu)化本發(fā)明鋼的熱處理工藝方案。4、根據(jù)使用要求，材料成分及熱處理工藝，確定最終產(chǎn)品金相組織。5、在設計本發(fā)明鋼化學成分及熱處理工藝的同時，綜合考慮工廠的工裝條件及材 料的冷熱工藝情能。6、針對B7鋼存在的主要性能問題，在設計本發(fā)明鋼時應重點解決。7、采用本發(fā)明鋼生產(chǎn)的鋼軌用接頭夾板(以下稱魚尾板)產(chǎn)品應具有優(yōu)良性價 比。三、魚尾板鋼綜合機械性能設計要求1、重點解決B7鋼的五大性能問題。(1)解決脆性轉變溫度高的問題通過對B7鋼的性能試驗和實際使用過程出現(xiàn)的問題，驗證了魚尾板發(fā)生斷裂的 主要問題是材料的脆性轉變溫度過高，在設計本發(fā)明鋼低溫性能時，應適合于我國北方及 美洲寒冷地區(qū)環(huán)境的使用要求，因此其脆性轉變溫度應不高于-40°C .(2)確定最終產(chǎn)品的金相組織問題為獲得最終產(chǎn)品優(yōu)良，穩(wěn)定的綜合機械性能，經(jīng)確定最終產(chǎn)品的金相產(chǎn)組織為回 火索化體(允許少量鐵素體)說明書附圖所示是魚尾板鋼回火索氏體組織？。3)解決金相組織粗大問題為獲得本發(fā)明魚尾板鋼優(yōu)良的低溫機械性能，必須采取細化組織的措施，將晶粒 度控制在8級以上。4)對本發(fā)明魚尾板鋼增加低溫沖擊性能指標要求為保證材料在低溫環(huán)境并處于沖擊載荷的工況條件下，具有良好的韌性特征，以 延長材料的使用壽命，因此在本發(fā)明鋼檢驗規(guī)范中增加低溫-40°C時的沖擊(》27. 12J)韌 性斷口面積(FA彡45% )性能指標的量化要求。5)對本發(fā)明魚尾板鋼應增加疲勞強度指標要求
材料的疲勞特性指標可間接反映出某種材料在特定條件下的抗疲勞破壞的特性。 因此，在設計本發(fā)明鋼時，應規(guī)定對稱彎曲載荷482MPa(載荷交變頻率1000HZ)時，其循環(huán) 載荷應> 1000萬次的要求(B7鋼約為24萬次，見表4所示)表4 B7與本發(fā)明魚尾板鋼對稱彎曲應力疲勞試驗結果 2、初步確定本發(fā)明魚尾板鋼綜合機械性能要求根據(jù)對B7鋼與本發(fā)明魚尾板鋼所進行的綜合機械性能對比測試結果，以及考慮 到魚尾板在線路上的實際工況，初步對本發(fā)明鋼綜合機械性能提出如下要求，見表5所示表5本發(fā)明魚尾板鋼綜合機械性能要求 表6本發(fā)明魚尾板鋼沖擊性能要求夏比試樣V型缺口 從表1至表6所列數(shù)據(jù)可清楚地反映出本發(fā)明鋼比B7鋼在綜合機械性能方面具 有很大的差別a.在材料延伸率方面提高了 67%b.在材料斷面收縮率方面提高了 125%c.在材料低溫(_40°C )沖擊功值方面提高了 575% (注因B7鋼在_40°C以下的 沖擊值小于4J，因此終止了此項試驗)d.在材料抗疲勞性能及韌性斷口方面大大提高了。e.優(yōu)良的彎曲性能，彎曲180°完好。由此可見，本發(fā)明魚尾板鋼在綜合機械性能方面是B7鋼所之可比擬的。四、本發(fā)明魚尾板鋼化學成份設計1、以錳為基體本發(fā)明魚尾板鋼的基本性能是由錳的特性來實現(xiàn)的。之所以選擇錳作為本發(fā)明鋼 的基體成份，主要考慮了以下有關因素1)錳與鐵形成固溶體，可提高鋼種鐵素體和奧氏體的強度及硬度；2)錳在鋼中由于降低臨界轉變溫度，超到細化珠光體的作用，也間接超到提高珠光體鋼強度的作用；3)錳擴大了鐵碳平衡相圖中的r相區(qū)，使鋼形成和穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于 鎳；4)錳對增加鋼的淬透性有明顯的作用；5)錳對降低脆性轉變溫度具有明顯的作用。在設計錳的用量時，考慮到本發(fā)明魚尾板鋼的強度設計指標已接近高強度范圍， 因此將錳含量的均值提高到1.4%，含量范圍設定在士0. 范圍內(nèi)，試驗驗證此含量較適且。2、嚴格控制硅含量根據(jù)金屬材料特性的一般規(guī)律認為，硅有提高材料脆性轉變溫度的作用，同時硅 有加劇錳的回火脆性傾向，并使材料晶粒粗大，降低材料的疲勞壽命，因此應嚴格控制硅的用里。另外，硅有熱傳導滯后的特點，在熱處理時隨著硅含量的增加，在材料內(nèi)部會產(chǎn)生 較大的內(nèi)應力，當這種內(nèi)應力達到一定限度時，晶界會發(fā)破裂形象，業(yè)內(nèi)將此現(xiàn)象稱之為 “微細晶界裂紋”。上述現(xiàn)象在連鑄坯、型材軋制，甚至在產(chǎn)品熱加工過程中均可發(fā)生，最終 導致產(chǎn)品的疲勞強度不穩(wěn)定的特征。例如采用60Si2CrA鋼生產(chǎn)的彈條，在環(huán)境溫度與熱 加工溫度差異較大時，往往會出現(xiàn)上述問題，嚴重時可使彈條難于難過三次靜壓而斷裂。因此，將硅含量控制在0.25% 士0. 10%范圍內(nèi)，經(jīng)試驗驗證此含量較適宜。3、降低碳含量強化低溫性能碳含量對降低金屬材料的脆性轉變溫度起著重要的作用。一般認變，鋼隨著碳含 量的增加，其強度和硬度也相應提高，但塑性和沖擊值隨之下降；鋼的脆性轉變溫度隨碳含 量的增加有所升高，范圍也有所擴展。碳含量在0.2%左右的碳素鋼的脆性轉變溫度一般在 室溫附近，其范圍也較狹窄。設計本發(fā)明魚尾板鋼的碳含量時，在充分考慮降低材料脆性轉變溫度的同時，也 要兼顧材料強度的可調(diào)范圍，其目的使本發(fā)明鋼在今后實際應用中具有一定的擴展性。在通常情況下，當高錳低合鑫中的碳<0.25%時，其淬透性明顯下降，尤其對截面 積較大的產(chǎn)品，如不增加淬透性的元素，難于得到馬氏體組織；當碳含量> 0.4%時，雖然 增加了高錳低合金的淬透性和強度，但出現(xiàn)針狀及片狀馬氏體的幾率隨之增加，同時材料 的脆性轉變也會有所提高。根據(jù)目前已有的中碳鋼試驗數(shù)據(jù)和魚尾板的性能要求，碳含量 的均值確定在0. 30%，其變化范圍在士0. 03%為宜。4、采取綜合措施降低脆性轉變溫度通過降低碳含量，提高錳含量，細化組織，避免回火脆性等綜合措施，來降低本發(fā) 明鋼的脆性轉變溫度，以達到提高綜合機械性能目的，是本項目研制工和中的一項重要思路。在嚴格控制成本及保證產(chǎn)品具有高強韌性的條件下，大幅度降低材料的脆性轉變 溫度，是一項較為復雜的綜合優(yōu)化過程，目前尚未有針對性較強的合金化數(shù)據(jù)及資料可借 鑒。因此，在研究降低高錳低合金的脆性轉變溫度方案時，采取了多種方式進行綜合優(yōu)化， 僅依靠個別元素的低溫特性是難以滿足性能要求的。鑒于目前對本發(fā)明鋼的研制，只是按 照金屬材料與熱處理的一般規(guī)律，通過實際試驗所得出的基本結論，至于更確切的作用有待進一步研究。5、降低錳的回火脆性錳是低合金化材料中的一種重要成分，在加大用量時，不但有降低材料脆性轉變溫度、增強材料的淬透性，同時還有提高強度的作用。錳也會給低合金材料帶來晶粒粗大和增加回火脆性的傾向。為避免高錳鋼的回火 脆性問題，主要通過兩種方法來解決。首先制定回火工藝時，在保證材料性能的前提下，須 避開高溫和低溫脆性回火區(qū)。根據(jù)鋼的熱處理回火脆性區(qū)的分布規(guī)律，淬成馬氏體組織的 鋼，在250°C至350°C范圍內(nèi)都將發(fā)生回火脆性，這種低溫回火脆性是不可逆轉的；高溫回 火脆性是指鋼在450°C至550°C范圍內(nèi)進行回火時，鋼將出現(xiàn)回火脆性。其二，鉬元素有抵 制高錳鋼回火脆性的作用，在設計本發(fā)明鋼時加入了微量的鉬元素，以達到再次降低錳元 素的回火脆性目的。另外，考慮鉬元素占據(jù)了原料成本的很大一部分，但其作為提高淬透性 的元素又是必不可少的，而鉻元素同樣是用于調(diào)質(zhì)的元素并且對碳含量的貢獻與鉬相同， 故可通過“以鉻代鉬”的方式來降低原料成本。由于鉻帶給鋼的淬透性比鉬要弱，同時淬透 性與熱處理工藝的冷卻速度又有密切關系，故在鉻和鉬成分調(diào)整優(yōu)化問題上應結合熱處理 工藝條件逐步進行。6、細化組織提高綜合性能在本發(fā)明魚尾板鋼的試驗過程中，盡管采取了強迫降低材料的脆性轉變溫度的措 施，但由于金相組織粗大，嚴重影響材料的疲勞性能。釩對細化鋼的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，可實現(xiàn)提高鋼的強度和韌性的目 的。另外微量鈦能夠細化晶粒，提高鋼材的低溫韌性和強度，添加時0. 005%是下限，過多則 形成碳化物，降低低溫韌性，因此上限宜為0. 03%。7、對殘余成份的控制原則在本發(fā)明魚尾板鋼中除主要配比合金元素外，還存在一些殘留元素，并對本發(fā)明 鋼的性能產(chǎn)生一定的影響。(1)應對磷、硫元素嚴格控制硫在鋼中以硫化物夾雜的形式存在，使鋼的延展性和韌性降低，尤其對材料的沖 擊值及沖擊韌性影響很大。另外在軋制加工時，硫化物夾雜也隨鋼延伸方向延長，因此使鋼 產(chǎn)生了不同程度的方向性，降低了鋼的使用性能，對硫含量應控制在0.010%以內(nèi)，目的就 是為了進一步提高低溫沖擊功等指標。磷可提高鋼的脆性轉變溫度，在低溫環(huán)境下易出現(xiàn)冷脆特性，通過沖擊試驗可以 得到驗證。因此，對磷的含量也應嚴格控制在0. 030%以內(nèi)。(2)對鎳、銅的含量控制在通常情況下，完全去除殘留在鋼中的鎳、銅比較困難的，也沒有必要。鋼中存在 微量的鎳(< 0. 10% )、銅(< 0. 20% )，一方面可增加材料的延伸性能，另一方面提高材 料耐大氣腐蝕的能力。五、完成試驗室及工業(yè)化冶煉、軋制試驗1、試驗室驗證結論按照本發(fā)明魚尾板鋼的理論成分配比方案，進行了試驗室的冶煉驗證試驗。按照既定實驗室方案制成的拉伸、硬度、金相、沖擊試樣，其機械性能試驗結果一表7、表8所示。表7本發(fā)明魚尾板鋼試驗室試樣機械性測定結果 從試驗室得出的本發(fā)明鋼機械性能測試結果分析，各項指標均達到設計要求。2、工業(yè)化冶煉、軋制試驗本發(fā)明魚尾板鋼的工業(yè)化冶煉試驗工作，由西鋼集團阿城鋼鐵有限公司(以下簡 稱我公司)完成。2009年9月6日，我公司煉鋼廠使用65噸超高功率直流電弧爐，進行了本發(fā)明魚 尾板鋼的基礎冶煉，再經(jīng)70噸鋼包精煉爐精煉后連鑄出坯。只進行4爐工業(yè)化冶煉試驗， 實際出坯192. 88噸。冶金質(zhì)量指標見表9所示。表9本發(fā)明魚尾板鋼連鑄坯低倍組織檢測結果 (1)魚尾板型材軋制試驗本發(fā)明魚尾板鋼連鑄坯軋制魚尾板型材試驗，使用我公司軋鋼廠Φ650πιπι初軋 機，Φ 550mm精軋機進行軋制試驗，變形比> 6. 9。主要工藝流程，將160*160方坯加熱至始軋溫度——成型軋軋型——檢測終軋溫 度——端面 尺寸速檢——切斷冷卻——矯直——型材質(zhì)檢——入庫。(2)工業(yè)試驗結論根據(jù)我公司煉鋼廠提供的型材坯料，按照我公司軋鋼廠魚尾板車間的熱處理工藝 規(guī)范所獲得的試驗數(shù)據(jù)，見表10、表11所示，至此，通過工業(yè)化試產(chǎn)的本發(fā)明鋼，其主要化 學成分、機械性能指標均達到了設計要求。表10本發(fā)明魚尾板鋼工業(yè)化試樣機械性能測定結果 表11本發(fā)明魚尾板鋼工業(yè)化試樣沖擊性能測定結果 六、本發(fā)明魚尾板鋼的熱處理鑒于本發(fā)明魚尾板鋼的熱處理過程涉及到企業(yè)的核心技術，在此僅說明熱處理的 設計原理與實際驗證結論的一致性，不敘述具體參數(shù)事宜，請予以理解。1、熱處理的預期目的對本發(fā)明鋼進行熱處理主要目的是，為實現(xiàn)預期所規(guī)定的綜合機械性能要求，并 獲得均勻細化的索氏體組織。2、淬火處理的基本原則本發(fā)明魚尾板鋼是由多種微合金成分所組成，如何準確掌握達到均勻細化的奧氏 體升溫速度和保溫時間，是淬火工藝中的一個關鍵環(huán)節(jié)。試驗認證，加熱速度越大，滯后現(xiàn) 象愈顯著，奧氏體轉變溫度也愈高，從珠光體到奧氏體的轉變也愈快，殘余碳化物的溶解和 奧氏體成分均勻化的溫度也隨之提高。需要指出，升溫速度、保溫時間與加熱設備、材料放 置多少有關，是直接影響淬火金相組織質(zhì)量的重要因素。因此，企業(yè)應根據(jù)自身設備狀況、 生產(chǎn)拍節(jié)、四季溫差等綜合因素，通過反復試驗后取得準確適宜的工藝參數(shù)以指導熱處理 操作。(1)嚴格控制奧氏體晶粒度關于對本發(fā)明魚尾板鋼晶粒度的控制是一個較為復雜的問題，由于涉及因素較 多，除前面已提到的因素外，還與鋼的本質(zhì)晶粒度、鋼的超始晶粒度有關。因此，對于不同合 金配比及冶煉方法所得到材料，其晶粒度控制的差異也較大。企業(yè)只有通過大量的實際試 驗，才能得到確保晶粒度細致均勻的工藝參數(shù)。(2)淬火處理本發(fā)明魚尾板鋼的淬火工藝基礎是在嚴格達到均勻細化奧氏體的條件下，以水為 介質(zhì)進行淬火處理。在淬火過程中有三個關鍵工藝條件決定著淬火質(zhì)量的優(yōu)劣。第一，應 準確掌握達到均勻細化奧氏體組織的加熱時間；第二，確定適合于本發(fā)明鋼奧氏體冷卻速度；第三，須準確掌握奧氏體等溫轉變的適宜溫度和時間。因此，不同的企業(yè)應根據(jù)自身的 生產(chǎn)條件對工藝參數(shù)進行了試驗與確定。a等溫轉變條件要獲得板條狀馬氏體淬火組織，需要準確掌握奧氏體等溫轉變的溫度和時間，由 于本發(fā)明魚尾板鋼是由多種微合金構成，其等溫轉變條件也是通過反復試驗后確定，因此 只有在準確掌握上述工藝過程及參數(shù)，才可獲得理想的淬火組織。b預防其他相變發(fā)生在奧氏體等溫轉變過程中，如熱處理工藝參數(shù)失當，可出現(xiàn)珠光體或貝氏體相變 情況。因此，企業(yè)應對淬火介質(zhì)溫度及工件停留時間參數(shù)控制應準確。c淬火介質(zhì)的恒溫處理
淬火介質(zhì)的恒溫問題是熱處理質(zhì)量是否穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，為保證水溫控制在工藝 規(guī)定的范圍內(nèi)，我公司對淬火池增加了水溫自動控制系統(tǒng)，當水溫接近工藝規(guī)定的上限值 時，自動溫控系統(tǒng)立即啟動熱交換器進行散熱處理，直至水溫達到工藝均值時，熱交換器自 動關閉。另外，自動溫控傳感器設置的數(shù)量和位置，以及熱交換器出水端的位置和對流循 環(huán)的方向和范圍應設計合理，否則在一定程度上也會影響熱處理的實際效果。(3)回火處理在制定本發(fā)明鋼的回火工藝方案時，重點考慮了以下問題a嚴格避開高溫和低溫脆性回火區(qū)，防止出現(xiàn)脆性組織；b根據(jù)回火設備、工件裝爐數(shù)量和放置位置等條件，準確制定回火溫度和保溫時 間，以保證產(chǎn)品回火質(zhì)量的穩(wěn)定性?；鼗鸾M織檢驗對本發(fā)明魚尾板鋼的回火組織檢驗，是保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的最后一道工序，通過 對工業(yè)化試產(chǎn)回火熱處理樣件的組織檢測，其結果完全滿足設計要求。七、本發(fā)明魚尾板鋼生產(chǎn)工藝與成品檢驗結論1、本發(fā)明魚尾板鋼生產(chǎn)工藝流程型材單倍尺下料——加熱——熱矯直——沖孔——尺寸檢驗——淬火處理—— 冷卻——淬火組織抽檢——電爐回火——回火組織抽檢——矯直處理——外觀質(zhì)量與外 形尺寸檢驗——包裝入庫。2、本發(fā)明魚尾板鋼的成品檢驗結論(見美國檢測機構的化驗報告)。八、本發(fā)明鋼工藝性的綜合評價關于對本發(fā)明鋼的工藝性能的評價，主要從三個方面分析第二，從冶煉過程對化 學成分控制的難易程度方面評價；第二，從材料軋制質(zhì)量控制難易程度方面評價；第三，從 材料的熱處理質(zhì)量控制難易程度方面評價。1、對成分控制評價我公司煉鋼廠工藝裝備水平較好，超高功率直流電弧爐配爐外精煉，成分控制比 較精確，在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)條件下，均能夠將本發(fā)明鋼中的每一種化學元素控制在其設 計的化學成分精度范圍內(nèi)，經(jīng)過對本發(fā)明鋼實際工業(yè)化冶煉過程分析，一次冶煉成分合格 度為100%。
2、對軋制工藝性評價一般而言，對材料軋制難易程度的評價主要取決于化學成分中碳和硅的含量，對 于高碳高硅材料，在軋制成型、沖孔和矯直過程中抗力極大，不但難于成型，而且易出現(xiàn)軋 制裂紋等質(zhì)量問題。而本發(fā)明鋼基本屬于低碳低硅材料，其軋制工藝性應為優(yōu)良。3、對熱處理控制評價關于對本發(fā)明魚尾板鋼熱處理工藝性的評價主要反映在控制加熱使奧氏體達到 均勻細化，以及對奧氏體等溫轉變的控制兩個方面。如果在工藝參數(shù)確定的前提下，熱處理 的質(zhì)量完全是依靠自動化設備來保證，因此對熱處理質(zhì)量的控制評價也是顯而易見的。九、本發(fā)明魚尾板鋼的成本情況本發(fā)明魚尾板鋼的主要成本由兩部分構成。第一，本發(fā)明魚尾板鋼的基本成本；第 二，魚尾板的加工成本。為了簡化計算，以B7鋼魚尾板成本為基數(shù)，核算出本發(fā)明鋼魚尾板 的成本費用。1、本發(fā)明魚尾板鋼坯成本目前，B7鋼的坯料價格為3500元/噸，本發(fā)明鋼比B7鋼增加了 0. 12%Mo,0. 10% V,0. 20% Cr和0. 75% Mn,因此每噸本發(fā)明鋼的材料成本比B7高出約1000元左右。2、鑒于本發(fā)明魚尾板鋼與B7鋼魚尾板在熱處理工藝方面存在的主要區(qū)別為B7 鋼魚尾板淬火后采用工件余熱回火處理，而本發(fā)明鋼魚尾板必須進行電爐回火處理，因此 每噸另增加300元的電爐回火成本。3、本發(fā)明魚尾板鋼售價目前本發(fā)明魚尾板鋼售價約為7000元/噸，由于本發(fā)明魚尾板鋼板的生產(chǎn)工藝 基本實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)的特點，采用了連鑄坯熱送熱裝，降低了軋制環(huán)節(jié)的部分成本，再加上其 材料成本及電爐回火成本的增加，因此每噸本發(fā)明鋼魚尾板成品售價比B7鋼魚尾板高出 2800元左右。十、關于對本發(fā)明魚尾板鋼技術經(jīng)濟性評價根據(jù)目前已掌握的國內(nèi)金屬材料性能資料及相關信息，在低溫-40°C環(huán)境下同時 具有本發(fā)明鋼的高強度、高韌性，以及高疲勞性能的金屬材料尚未發(fā)現(xiàn)有關報道。目前，國外鋼種的總體發(fā)展趨勢，向著中低碳、微合金化高強韌性的方向發(fā)展。本 發(fā)明鋼及低溫魚尾板產(chǎn)品的研制成功，不僅為目前我國提速、重載線路的運輸安全問題解 決了燃眉之急，也為今后高速鐵路的發(fā)展提供了一種特性優(yōu)良、用途廣泛的低溫材料。因 此，本發(fā)明鋼的技術經(jīng)濟性優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面優(yōu)良的材料特性。本發(fā)明魚尾板鋼具有一高兩低的特點，即高錳、低碳、低合金 化，因此該鋼種的強度可調(diào)范圍很大，同時又具有韌性突出的特點；由于低碳、低合金的優(yōu) 化作用，使組織更均勻細化，大幅度提高了材料的抗疲勞性能；本發(fā)明魚尾板鋼具備中低碳 高錳的特點，材料擁有良好的淬透性，淬火后所得到的是理想的板條狀馬氏體組織；由于組 織的均勻細化與較低的碳含量，大大降低了本發(fā)明鋼的脆性轉變溫度，因而體現(xiàn)出極好的 低溫性能。因此，該鋼種同時具備了中碳低合金的多種優(yōu)勢，從而擴大了材料適用范圍。優(yōu)良的工藝特性。由于本發(fā)明魚尾板鋼屬于中碳低硅材料，具備了良好工藝性的 基礎。通過對本發(fā)明連鑄坯的軋制、型材熱沖、成品冷切等工藝試驗，表現(xiàn)出該鋼種的軋制 抗力小、成型精度高、成材率高、表面質(zhì)量好等特點，完全滿足現(xiàn)行產(chǎn)品的工藝性要求。
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優(yōu)良的抗疲勞特性。根據(jù)國家鋼鐵材料測試中心對本發(fā)明魚尾板鋼與B7鋼，所作 對稱彎曲應力疲勞對比試驗表明本發(fā)明魚尾板鋼的疲勞壽命至少是B7鋼的41. 8倍。優(yōu)良的性價比。對新材料的科學評價方法，應從材料的性價比與總體經(jīng)濟效益兩 個方面去綜合分析評價。雖然每噸本發(fā)明鋼魚尾板成品售價僅比B7提高了 66%左右，在使 用壽命方面，前者卻是后者的40倍以上，因此本發(fā)明鋼魚尾板優(yōu)良的性價比，是B7鋼魚尾 板無法比擬的。巨大的經(jīng)濟效益。我國每年用于鐵路新線建設和既有線維修的B7鋼魚尾板約為 3萬余噸(其中維修用量約占總量的60%以上)，每年耗資近1. 26億元人民幣。
從本發(fā)明魚尾板鋼與B7鋼魚尾板的使用壽命，以及綜合經(jīng)濟效益方面進行比較， 每年B7鋼魚尾板的維修更換量近2萬噸，年均耗資近0. 84億元人民幣。按照全路9萬公里(50米)長軌線路和0.45的復線系數(shù)計算，全路在線使用的B7 鋼魚尾板約為18. 656萬噸，由此得出在全路每年B7鋼魚尾板的檢修更換率為10. 72%。按照本發(fā)明魚尾板鋼板是B7鋼魚尾板20倍的使用壽命關系計算，同時扣除本發(fā) 明魚尾板鋼板(每噸)66%的漲價因素，每年全路可減少維修材料及人工費7200萬元左右。當本發(fā)明魚尾板鋼板連續(xù)投入使用達到10年后(至20年之間)，根據(jù)該鋼種的疲 勞試驗結論預測，在未來的10年內(nèi)全路魚尾板維修費用將出現(xiàn)0支出的情況。在這期間可 為全路節(jié)省至少10億萬人民幣的維修費用。當本發(fā)明魚尾板鋼板連續(xù)運用近20年時，全路每年魚尾板的維修更換率不到 0. 6%。因此，將來全路對魚尾板維修費用，可由目前的年均0. 84億元減少到年均700萬元 左右，屆時魚尾板的維修費用下降幅度達91%以上。安全運輸?shù)谋Ｕ?。本發(fā)明魚尾板鋼板投入運用后，不僅為鐵路系統(tǒng)節(jié)省了巨額資 金，更重要的是確保了鐵路運輸?shù)陌踩c暢通。性能優(yōu)良用途廣泛。鑒于本發(fā)明魚尾板鋼的強度指標可調(diào)范圍大Ob: SOOMpa至 1200Mpa,同時具有優(yōu)良韌性和高疲勞性能，因此可廣泛地應用于建筑鋼結構、鐵路(公路) 橋梁、魚尾板等產(chǎn)品及中高強度螺栓、螺母的制造。i^一、結論及建議本發(fā)明魚尾板鋼系經(jīng)試驗室、工業(yè)化嚴格驗證后獲得的一項新材料技術成果，該 鋼種的各項實際性能在很大程度上超越了 TB/T2345-1993的標準要求，并對上述標準進行 了必要的完善和補充。該成果各項設計指標的確定，主要針對目前鐵路提速、重載線路的實 際需要，以及徹底解決B7鋼魚尾板在實際運用中所出現(xiàn)的性能問題。本發(fā)明鋼的技術先進 性、質(zhì)量的可靠性已被大量的科學試驗所證實，完全符合鐵路提速、重載線路的實際使用要 求。
權利要求
一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于化學成分按重量百分比為C0.26-0.35、Si 0.12-0.40、Mn 1.20-1.55、P≤0.030、S≤0.010、Mo 0.10-0.30，此外還含有Cr≤0.25、Ni≤0.20、Cu≤0.20、V≤0.20、Ti≤0.05中的兩種或兩種以上，余量為Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于化學成分按重量百分 比為:C 0. 26, Si 0. 22,Mn 1. 53、P 0. 028, S 0. 010,Mo 0. 11，Cr 0. 24, Ni 0. 03, Cu 0. 03、 V 0. 08, Ti 0. 01，余量為 Fe。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于C0.34、Si 0. 33, Mn1.43、P 0. 017、S 0. 008、Mo 0. 14，Cr 0. 22、Ni 0. 02、Cu 0. 03、V 0. 09、Ti 0. 02，余量為 Fe。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于C0.30、Si 0.31、Mn 1. 43、P 0. 012、S 0. 010、Mo 0. 18，Cr 0. 19、Ni 0. 02、Cu 0. 03、V 0. 09、Ti 0. 01，余量為Fe。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于C0.27、Si 0. 28, Mn 1. 39、P 0. 010、S 0. 009、Mo 0. 11，Cr 0. 23、Ni 0. 01、Cu 0. 05、V 0. 07、Ti 0. 02，余量為Fe。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于C0.32、Si 0. 32, Mn 1. 43、P 0. 024、S 0. 007、Mo 0. 15，Cr 0. 20、Ni 0. 03、Cu 0. 03、V 0. 10、Ti 0. 02，余量為Fe。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度低溫韌性鋼，其特征在于采用超高功率直 流電弧爐兌配60%鐵水，LF鋼包吹氬精煉及喂線處理，按照純凈鋼工藝進行連鑄，鋼的 開軋溫度1100-1200°C，控制累計壓下率> 55%，末三道每道次壓下率> 8%，終軋溫度 820-900°C，采用調(diào)質(zhì)處理方式，熱處理加熱在900-940°C保溫45分鐘，然后出爐，入水溫 度在880-920°C，水溫控制在20-60°C，淬火時間55-62秒，升溫至550-610°C，開始計算保溫 時間35-55分鐘+板厚X 1分鐘/mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼，具體為一種高強度低溫韌性鋼。其特點是化學成分按重量百分比為C 0.26-0.35、Si 0.12-0.40、Mn 1.20-1.55、P≤0.030、S≤0.010、Mo 0.10-0.30，此外還含有Cr≤0.25、Ni≤0.20、Cu≤0.20、V≤0.20、Ti≤0.05中的兩種或兩種以上，余量為Fe。發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明具有鋼質(zhì)純凈、組織穩(wěn)定、強度高、穩(wěn)定且優(yōu)良的-40℃低溫韌性的優(yōu)點，而且工藝簡單、成本較低、利于推廣應用。本發(fā)明鋼最適合作為高寒地區(qū)低溫條件下使用的工程機械、鐵路配件用鋼，如鐵路鋼軌用接頭夾板等。
文檔編號B21B1/46GK101838776SQ20101015759
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月28日
發(fā)明者于曉麗, 付寶棟, 付永兵, 依波, 卜祥偉, 楊紹華, 柳泰山, 柴井龍, 石軍, 韓乃文, 黃景發(fā) 申請人:西林鋼鐵集團阿城鋼鐵有限公司