专利名称：高速铁路扣件用弹条用钢及其冶炼生产方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高速铁路扣件的弹条用钢及该弹条用钢的冶炼生产方法及由该弹条用钢制成的高速铁路用扣件。
背景技术：
随着我国高速铁路的发展，对于铁路扣件系统的需求量越来越大，质量要求也越来越高，特别是对于时速高达350km/h无碴轨道扣件系统的性能要求更是严格。扣件是轨道重要组成部件，其主要作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻。弹条是扣件系统中最重要的配件之一，它主要是利用弹性变形时所储存的能量起到缓和机械上的震动和冲击作用。由于其在使用过程中承受着长期的、周期性的弯曲、扭转等交变应力，故要求弹条具有很高的综合机械性能。目前，弹条用钢大多属高碳高硅系列弹簧钢，如60Si2Mn、60Si2MnA、60Si2CrA等，该系列钢表面脱碳倾向严重且敏感，这将直接影响弹条的疲劳性能。由于60Si2Mn、60Si2MnA·等钢种的自身缺陷，国内外在汽车悬挂簧的生产应用中已基本淘汰，转而采用55SiCr等国内较为成熟的新钢种。1984年日本在修订JIS弹簧钢标准时，增加了相当于SAE9254的SUP12。Si-Cr系钢SUP12 (SAE9254)既吸收了 Si-Mn钢的良好抗弹减性能，Cr-Mn钢的高淬透性，又克服了 Si-Mn钢的易脱碳倾向，是一种极有发展前途的弹簧钢。我国和德国在修订弹簧钢标准时都去掉一个Si-Mn钢，增加了一个Si-Cr钢也客观反映了这种趋势。我国铁路工务I、111和II型弹条分别采用60Si2Mn、60Si2CrA弹簧钢制造。根据对I (B)型、III型弹条最大单元应力分析，均存在材料强度储备偏低的问题。II型弹条采用60Si2CrA弹簧钢制造，易出现晶界裂纹。晶界裂纹可直接产生疲劳源，从而降低弹条的使用寿命及可靠性。英国BS970和德国38Si7钢种材料同样存在强度储备及抗弹减性能偏低的问题。例如英国PANDR0L公司e型弹条经过五年使用后，已有42%的弹条低于设计要求，另外有42%的弹条扣压力已处于临界状态。由于弹条的实际使用应力已达到或超过了材料的屈服强度，其扣压力将继续衰减，直至与材料的屈服应力平衡为止。因此说明BS970-88251A58钢种的基本强度和抗弹减性能尚有待提闻。考虑到上述背景，为满足我国高速铁路发展的需要，开发一种抗脱碳性强、高强度、高韧性、高耐腐蚀性的高速铁路弹条用钢显得尤为迫切。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一是针对目前国内弹条用钢的强度偏低、韧性不足、容易脱碳等方面的问题，研究开发一种新型高速铁路弹条用钢；本发明的目的之二是提供一种具有高疲劳性能弹条用钢的生产方法。本发明的目的之一通过以下技术方案来实现
一种高速铁路扣件系统弹条用钢，以质量百分比计，其化学成分配比为c 0. 40 0. 52%、Si I. 8 2. 1%、Mn 0. 75 0. 85%、Cr 0. 6 0. 8%、V 0. 21 0. 25%、Ti 0. 02 0. 05%、Cu 0. 20 0. 25%、稀土 REM 0. 01 0. 045%、Ca 0. 0001 0. 002%、Mg 0. 00005 0.0015%、Alt (Alt表示钢中全铝含量，跟钢中的氧行量和及杂物有关，是钢成分的重要指标之一)0. 002 0. 03%、P ( 0. 015%、S ( 0. 008%、O ( 0. 0012%、N 0. 002 0. 007%，其余
为Fe和其他元素。所述弹条用钢将碳含量控制在0. 40 0. 52%范围内，通过降低C含量提高Si含量既能保证钢具有一定的强度，又能在一定程度上避免高的碳含量对钢的韧性、塑性产生的不利影响。本发明优选碳含量范围0. 42 0. 50%。Si含量控制在I. 8 2. 1%范围内。较高的Si含量可以弥补降低C含量带来的强度降低的不足，同时Si能增强弹簧钢的抗弹减性。当Si含量小于I. 0%时，Si溶于铁素体达不到增加钢的强度及增强弹簧钢抗弹减性的效果；iSi含量超过3. 0%时，进一步提高Si含量对增加钢的抗弹减性作用不大，同时Si是促进石墨化元素，会增加钢的脱碳倾向。Mn含量控制在0. 75 0. 85%之间。Mn能提高钢的淬透性，含量过低淬透性不够，含量过高会降低钢的韧性。Mn还能提高钢的强度，研究表明，Mn增加0. 3%提高的强度相当于C增加0. 1%所提高的强度。本发明优选Mn含量范围0. 75 0. 80%。P含量< 0. 015%。P能在钢液凝固时形成微观偏析，在奥氏体化加热时P偏析在奥氏体晶界上以致晶界脆化，从而增大钢的脆性，故P含量上限设定为0.015%。S含量彡0. 008%。S也能像P —样脆化奥氏体晶界，同时S还能形成MnS夹杂，影响钢的疲劳性能，故将钢中S含量控制在0. 008%以下。Cr含量为0. 6 0. 8%。Cr能提高钢的淬透性，同时Cr是强碳化物形成元素，能防止石墨化，减轻钢的脱碳倾向。但是过高的Cr含量将降低钢的抗弹减性。V的含量控制在0. 21 0. 25%范围内。V是强碳化物形成元素，V的碳化物可抑制钢在热轧及热处理过程中奥氏体化时晶粒的粗化，起到细化晶粒的作用。V还能起到沉淀强化的作用，细小的碳化物可提高位错运动阻力，从而提高钢的强度、韧性和抗弹减性。低的V含量作用不明显，过高的V含量会形成大颗粒V的碳化物，这些大颗粒的碳化物会像钢中的非金属夹杂物一样影响钢的疲劳性能。故本发明将V含量控制在0. 21 0. 25%范围之内。添加含量0. 02 0. 05%的Ti用于固氮捕氢。Ti能细化晶粒，改善钢的抗弹减性。Ti在钢中形成的TiC和TiN等碳氮化物是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量不宜过高，否则会形成大颗粒的氮化物夹杂，影响钢的疲劳性能。Ca是钢液净化剂和夹杂物变性剂。弹簧钢中Ca主要用来对夹杂物进行变性处理，从而提高钢的疲劳性能。钢中Ca含量控制在0. 0001 0. 002%范围之内。生产过程中，钢水中不可避免的含有Mg，为了保证钢中夹杂物成分，控制其含量为0.00005 0. 0015%。N能与钢中的合金元素形成氮化物或碳氮化物，细化晶粒，改善钢的韧性，为了保证这些化合物的形成，钢中需要有一定的N含量，但是过高的N含量会降低钢材的力学性能并在钢中形成大颗粒的氮化物夹杂，严重降低钢的疲劳寿命，故将钢中N含量控制在0. 002 0. 007% 之间。0含量彡0.0012%。钢中0大多以夹杂物形式存在，研究表明，钢中0含量与钢的疲劳寿命成反比，所以将其上限设定为0. 0012%。Alt为钢的脱氧剂，且能与氮结合，消除氮的危害，细化晶粒，改善钢的韧性，Alt含量控制范围为0. 002 0. 030%。Cu的含量为0. 20 0. 25%。Cu能增加钢的抗腐蚀性能。稀土 REM含量为0. 01 0. 04%。稀土元素能改善钢的淬透性和抗腐蚀性能。另夕卜，稀土在钢中通常通过扩散机制富集于晶界处，这就减少了杂质元素(如P、S)在晶界的偏聚，强化了晶界，改善了与晶界相关的性能，如低温脆性、韧性等。同时，添加一定量的稀土能对钢中的Al2O3和MnS夹杂进行变性，提高钢的疲劳寿命和横向冲击韧性。为保证稀土在钢中的作用，本发明优选稀土 REM含量范围0. 01 0. 03%。当稀土含量过高时会使晶粒粗化，而且过高含量的稀土会在钢中形成大颗粒夹杂物，危害钢的疲劳寿命。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现
一种上述的弹条用钢的冶炼生产方法
对弹条用钢疲劳寿命产生危害的主要原因之一是钢中残留的非金属夹杂物，而钢中非金属夹杂物数量与钢中全氧含量有密切关系，当钢中全氧含量超过10X10_6时，钢中夹杂物与全氧含量之间呈线性关系，夹杂物数量随全氧含量的升高而增加。钢中氧含量的控制是冶金技术的关键。本发明的要点是在初炼炉-钢包精炼炉-真空精炼炉(RH、VD)_连铸/模注生产过程中严格控制钢的成分，采用炉渣吸附、钢液优化搅拌、真空处理、中间包控流综合技术最大限度的去除钢中夹杂物，并对夹杂物进行变性处理，降低其对疲劳性能的危害，最终得到质量优良，适用于生产高疲劳寿命弹条用钢的铸坯。其步骤包括
第一步，初炼炉熔炼初炼炉采用电弧炉或转炉冶炼；
(一)采用电弧炉冶炼时
a)原料采用废钢或者废钢与铁水的混合物，其中废钢比例不低于50%，入炉之前控制原料中的 C>1.0%，P<0. 05% ；
b)吹氧，氧气纯度>99.5%，氧化初期控制原料温度彡15500C，连续脱碳量彡0. 40%,以确保原料处于液态沸腾状态而除去钢中气体和夹杂；
c)氧化过程中形成流动性良好的泡沫渣，炉渣碱度为2 3;
d)氧化后期通过调整造渣材料的加入量来控制钢中的渣量在2 3%;所述造渣材料为CaO、CaF2 ；
e)结束吹氧，根据炉渣碱度R(Ca0/Si02)补加石灰，从而控制钢中磷含量稳定在0. 01%以下，出钢，初炼炉熔炼结束；
(二)采用转炉冶炼时
a)转炉终点碳的控制采用高拉补吹模式，所谓高拉补吹是指终点按钢种所要求的碳含量稍高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与钢种要求的碳含量差值决定补吹时间。调整吹氧氧枪高度，分批加入造渣材料，进而控制炉渣碱度R (Ca0/Si02) ^ 3. 5，所述造渣材料为CaO、CaF2 ；
b)控制转炉熔炼结束后的最终炉渣碱度R(Ca0/Si02) ^ 3. 0，出钢，初炼炉熔炼结束； 所述初炼炉出钢时，钢中的碳含量控制在0. 10 0. 30%，炉渣各成分含量控制为CaO
35 55%、SiO2 10 30%、Al2O3 I 8%、CaF2 I 6%、FeO ( 15%、MgO 4 9%，钢液中P ^O. 01%，通过挡渣的方式控制由转炉炉内进入钢包内的炉渣厚度小于50mm，本申请中采用的方式为挡渣球或挡渣锥或滑板挡渣的方式；控制出钢温度在1630 1650°C之间，出钢时用Si含量彡75%的Si-Fe合金对钢水先进行预脱氧，再加入Mn-Fe、V-Fe、Cr-Fe合金化；第二步，钢包炉精炼钢包入LF工位,送电加热15min以上,采用电石脱氧、并逐步加入石灰，总洛量(指钢包内所形成的洛量与钢包内钢水重量之比)约为15 18kg/t钢,控制精炼渣成分含量为 CaO 50 60%、Si025 12%、MgO 3 7%、Al2O3 12 18%、CaF2I 5%、T. Fe (指渣中的全铁含量，由渣中FeO与Fe2O3采用全铁法计算而得)小于0. 6%，精炼时长35 60min ；
第三步，真空处理用RH或者VD对钢液进行真空处理，控制精炼时长25 40min、真空度小于lOOPa、温度1550°C。搅拌气体量RH为10 25NL/min/t钢，VD为I 5NL/min/t钢，真空处理末期对钢液成分进行微调和稀土合金化，真空处理结束后对钢液进行钙处理，保证软吹时间> 15min，氩气流量30 50L/min，精炼结束时钢中全部成分达到权利要求I
所规定的范围。第四步，连铸/模铸成型中间包钢水过热度控制在10 30°C，连铸采用全封闭浇注，拉速为0. 5 2. 2m/min，结晶器和铸坯凝固末端采用电磁搅拌，模铸采用吹氩保护浇注。由上述生产方式制备的弹条用刚可以制成高速铁路扣件。本发明的有益效果主要体现在
(I)通过合理搭配碳、硅、钒、锰等元素的比例，保证上述弹条用钢不但具有一定的强度，还具备良好的抗脱碳性、韧性和耐腐蚀性。(2)通过添加适量的稀土 REM，提高钢的淬透性和抗腐蚀性能。另外，稀土能对钢中Al2O3和MnS夹杂进行变性处理，从而提高钢的疲劳寿命和横向冲击韧性。(3)本发明钢无需加入Ni、Mo等价格昂贵的合金元素，成本低廉。(4)采用以上生产方法的弹条用钢冶金质量与一般生产方法的弹条用钢相比具有以下优点钢中全氧含量低，稳定在12X10_6以下；钢中基本无脆性或不变形夹杂物；钢中夹杂物尺寸< 5 u m，能很好的满足制备高速铁路扣件的工艺要求。
具体实施例方式根据上述所设计的化学成分范围，在IOkg真空感应炉中冶炼了 6炉本发明钢；根据55SiCr弹簧钢的成分，冶炼了 2炉55SiCr钢作为对比。在真空下浇注成钢锭，然后锻造成直径为16_的棒材。锻造工艺参数为随炉加热到1200°C，保温30min，然后锻造，始锻温度彡1150°C，终锻温度彡850°C。表I为本发明钢的6炉具体实施例和2炉对比例的主要化学成分。
表I本发明钢和对比钢的主要化学成分(质量百分比)
权利要求
1.一种高速铁路扣件用弹条用钢，其特征在于以质量百分比计，其化学成分配比为C 0. 40 0. 52%、Si I. 8 2. 1%、Mn 0. 75 0. 85%、Cr 0. 6 0. 8%、V 0. 21 0. 25%、Ti 0. 02 0. 05%、Cu 0. 20 0. 25%、稀土 REM 0. 01 0. 04%、CaO. 0001 0. 002%、Mg0. 00005 0. 0015%、Alt 0. 002 0. 03%、P 彡 0. 015%、S 彡 0. 008%、0^0. 0012%、N0. 002 0. 007%，其余为Fe和其他元素。
2.按照权利I要求所述的高速铁路扣件用弹条用钢，其特征在于所述C优选含量是0. 42 0. 50%o
3.按照权利I要求所述的高速铁路扣件用弹条用钢，其特征在于所述Mn优选含量是0. 75 0. 80%o
4.按照权利I要求所述的高速铁路扣件用弹条用钢，其特征在于所述稀土REM优选含量是0. 01 0. 03%。
5.一种如权利要求I 4所述的任一种高速铁路扣件用弹条用钢的冶炼生产方法，其特征在于，包括如下步骤 第一步，初炼炉熔炼初炼炉采用电弧炉或转炉冶炼； 采用电弧炉冶炼时， a)原料采用废钢或者废钢与铁水的混合物，其中废钢比例不低于50%，入炉之前控制原料中的 Ol. 0%, P〈0. 05% ； b)吹氧，氧气纯度>99.5%，氧化初期控制原料温度彡15500C，连续脱碳量彡0. 40%,以确保原料处于液态沸腾状态而除去钢中气体和夹杂； c)氧化过程中形成流动性良好的泡沫渣，炉渣碱度为2 3; d)氧化后期通过调整造渣材料的加入量来控制钢中的渣量在2 3%;所述造渣材料为CaO、CaF2 ； e)结束吹氧，根据炉渣碱度R(Ca0/Si02)补加石灰，从而控制钢中磷含量稳定在0. 01%以下，出钢，初炼炉熔炼结束； 采用转炉冶炼时a)转炉终点碳的控制采用高拉补吹模式，调整吹氧氧枪高度，分批加入造渣材料，进而控制炉渣碱度R (Ca0/Si02) ^ 3. 5，所述造渣材料为CaO、CaF2 ； b)控制转炉熔炼结束后的最终炉渣碱度R (Ca0/Si02) ^ 3. 0，出钢，初炼炉熔炼结束； 所述初炼炉出钢时，钢中的碳含量控制在0. 10 0. 30%，炉渣各成分含量控制为CaO.35 55%、SiO2 10 30%、Al2O3 I 8%、CaF2 I 6%、FeO ( 15%、MgO 4 9%，钢液中P <0.01%，采用挡渣球或挡渣锥或滑板挡渣的方式控制由转炉炉内进入钢包内的炉渣厚度小于50mm，控制出钢温度在1630 1650°C之间，出钢时用Si含量彡75%的Si-Fe合金对钢水先进行预脱氧，再加入Mn-Fe、V-Fe> Cr-Fe合金化； 第二步，钢包炉精炼钢包入LF工位,送电加热15min以上,采用电石脱氧、并逐步加入石灰，总渣量约为15 18kg/t钢，控制精炼渣成分含量为CaO 50 60%、Si025 12%、Mg0.3 7%、Al2O3 12 18%、CaF2I 5%、T. Fe 小于 0. 6%,精炼时长 35 60min ； 第三步，真空处理用RH或者VD对钢液进行真空处理，控制精炼时长25 40min、真空度小于lOOPa、温度1550°C ;搅拌气体量RH为10 25NL/min/t钢，VD为I 5NL/min/t钢，真空处理末期对钢液成分进行微调和稀土合金化，真空处理结束后对钢液进行钙处理，保证软吹时间> 15min，氩气流量30 50L/min，精炼结束时钢中全部成分达到权利要求I所规定的范围；第四步，连铸/模铸成型中间包钢水过热度控制在10 30°C，连铸采用全封闭浇注，拉速为0. 5 2. 2m/min，结晶器和铸坯凝固末端采用电磁搅拌，模铸采用吹氩保护浇注。
6.一种高速铁路扣件，其特征在于由如权利要求I 4所述的弹条用钢制成。
全文摘要
本发明公开了一种高速铁路扣件用弹条用钢，其化学成分(以质量百分比计)配比为C0.40～0.52%、Si1.8～2.1%、Mn0.75～0.85%、Cr0.6～0.8%、V0.21～0.25%、Ti0.02～0.05%、Cu0.20～0.25%、稀土REM0.01～0.04%、Ca0.0001～0.002%、Mg0.00005～0.0015%、Alt0.002～0.03%、P≤0.015%、S≤0.008%、O≤0.0012%、N0.002～0.007%，其余为Fe和其他元素。其冶炼生产方法为初炼-钢包精炼-真空处理-连铸/模铸成型，该工艺能显著降低钢中夹杂物数量，控制夹杂物尺寸和形貌，提高钢的疲劳性能，进而可以应用于有高疲劳性能要求的相关弹簧钢品种生产中。
文档编号C22C38/34GK102719759SQ201210240788
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者严运涛, 付传锋, 刘宇, 吴鹏, 周国治, 孟永帅, 成国光, 杨明华, 游和清, 田俊, 盛伟, 陈 胜, 顾升兴 申请人:北京科技大学, 南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司