一种利用含稀土La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法以及钢轨的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及钢轨的制造方法及其钢轨，尤其设及利用含稀±La元素的纳米贝氏体 材料制造钢轨的方法及其钢轨。
【背景技术】
[0002] 随着高速铁路在世界范围内的蓬勃发展，对高速铁路钢轨的综合性能提出日趋苛 刻的要求。贝氏体钢轨是我国根据铁路发展需要和自身资源特色开发的新一代超高强度钢 轨，因独特的成分设计而具备超高强度(可达1500M化），其成分特色是钢中加入Mn、Cr、Mo、 Ni等合金，提高贝氏体空冷泽透性，抑制碳化物析出，使C固溶，运样可对强度产生最大贡 献;其空冷自硬化特性可实现钢轨的超短工艺流程生产，从而具有增加效益、节约能源、减 少污染等一系列优点，使其成为高速铁路钢轨更新换代的新钢种。
[0003] 但是随着强度的不断增加，贝氏体钢轨的初性略显不足，W及环境中的氨元素进 入钢轨中导致的延迟断裂等问题，大大削弱了贝氏体钢轨在强度性能方面的优势，强度与 初性的突出矛盾成为急需解决的研究难题;而且钢中加入较多的昂贵合金元素 Mo、Ni，导致 生产过程中的能耗增加，加大钢材使用后的回收难度，不利于提高经济效益W及环境的保 护。此外，由于微合金贝氏体钢轨成分复杂，加之钢轨自身的断面特点，其冷却过程转变组 织复杂多样，微观组织演变规律尚不明确，结果较难得到理想的强初配比优良的贝氏体组 织，致使钢轨在使用初期便出现了轨裂，同时伴有剥离掉块现象。
[0004][0005][0006][0007][000引公开号为CN101613830B的专利申请介绍了一种热社贝氏体钢轨及生产工艺，其成 分设计中采用复合式方法加入师、V、Ti，因 Nb、V、Ti属于强碳化物形成元素，其未溶的强碳 化物硬质相较粗大，容易成为疲劳裂纹源，降低冲击初性。
[0009][0010][0011] 上述专利所设及贝氏体钢轨中存在W下各种技术问题：贝氏体钢轨中添加较多昂 贵合金Mo、Ni合金；贝氏体钢轨的强度与初性、延伸性很难同时匹配，换轨频繁；钢轨的制 造、加工工艺及后序热处理工序繁杂，过程不易控制，不利于节能减排等等;运些因素大大 限制了贝氏体钢轨的推广应用。
[0012] 不断提高的冶炼技术水平使钢的洁净度越来越高，稀±在洁净钢中的微合金化作 用被发现和采纳。但是目前针对稀±在含Mn、Cr等合金的空冷贝氏体钢轨中的应用还未见 相关专利及报道。
【发明内容】
[0013] 基于上述技术背景，本发明提供了一种含稀±La元素的纳米贝氏体材料制造钢轨 的方法W及依据该方法制造出的钢轨，其组织为带有微李晶板条及高密度位错的纳米级贝 氏体精细板条，钢轨具有优良强初性配比。
[0014] 本发明提供了一种含稀±13元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，包含如下步骤：
[0015] 冶炼工艺:其中包括:1)脱氧脱硫步骤，对所述纳米贝氏体钢轨的材料基体进行脱 氧脱硫，W便纯净的材料组织;2)元素添加步骤，在所述纯净的材料组织中，添加的元素和 含量重量百分比计分别为:碳C:0.18%-0.30%，儘Mn:1.4%-1.8%，娃51:0.8%-1.0%，铭 Cr。. 0%，钢Mo: 0.25-0.32 %，铜La: 0.0050%-0.0 l5 %，其余为铁化及杂质，合金元素车孟、 娃、铭和钢的总量满足关系：3.0 <Mn+Si+化+Mo < 3.82% ;3)精炼步骤，对于元素添加后得 到的所述材料组织进行真空脱气处理，然后连铸成巧，随后社制成钢轨；
[0016] 社制步骤:将铸巧加热至1200°C-125(rC，粗社孔型社制的开巧溫度为1180°C，万 能精社的终社溫度范围为960°C-98(rC ; W及
[0017] 冷却步骤：W分阶段控制冷却方式，对社制后的所述钢轨进行冷却:首先利用所述 社制后的余热，将所述钢轨快冷至860°C;在860°C-45(rC溫度区间，冷却速度小于5TVS; 450°C -250°C溫度区间，冷却速度小于2 °C /S; 250°C后空冷至室溫。
[001引在本发明中，钢中加入稀±La元素，La能够增强MnXr、Mo等合金元素的泽透性，大 大提高强化效果，结合热社过程中的形变强化、稀±抑制再结晶细化晶粒作用、贝氏体相变 过程中的控制冷却及稀±细化贝氏体板条作用，可将贝氏体铁素体板条细化至72nm~ 95nm，亚片条细化至50nm W下。
[0019] 本发明的发明人经过深入微观结构观察，发现在本发明的钢的贝氏体铁素体板条 内部存在两种亚结构:2nm-5nm的超细李晶板条及高密度位错，二者分别起到了显著的形变 细晶强化及位错强化效果，运对贝氏体钢轨的高强初性能做出了突出贡献，同时促成了硬 度的迅速增加，耐磨性也随之提高，运与稀±促进位错生成及提高位错密度的研究报道相 符。同时发现，本发明钢中贝氏体铁素体板条间存在残余奥氏体(RA),能够吸收部分冲击功 并使疲劳裂纹尖端纯化，大大改善初性;因稀±La的加入，使其比例可控制在1%-5%，并呈 现细条状，而非粗大块状，使本发明钢中的RA机械稳定性强，外力作用下不易诱发马氏体转 变，保证了铁轨使用中的可靠性及安全性。
[0020] 本发明钢中添加稀±La后，能有效提高钢的泽透性，提高强化效果;社制过程中稀 ±抑制再结晶、细化晶粒；贝氏体形核及其长大过程中稀±细化贝氏体铁素体板条;稀±促 进贝氏体板条内位错的生成;稀±影响残余奥氏体数量及其形貌;稀±在贝氏体钢中可起 到变质夹杂物及净化晶界等作用，上述稀±作用使本发明钢中即使不添加昂贵合金Ni元 素，也能保证本发明钢抗拉强度不低于1500MPa，室溫下的冲击功不低于80J，硬度可达 480皿，同时使钢轨兼具优异的耐磨性、抗疲劳性能及硬度。
[0021] 本发明钢的合金设计特点是利用稀±与合金元素的运种优势互补作用及稀±自 身在贝氏体钢中的独特作用，降低合金成本，且稀±的抑制再结晶作用可提高万能精社的 终社溫度至96(TC-98(rC的较宽范围，使钢轨在工业化生产中更容易实现本发明采用的分 阶段控制冷却工艺，省去繁杂的热处理工艺，提高了本发明钢种的生产工艺适应性。本发明 制造成本低廉、工艺简单，便于大规模生产，同时利于节能减排，可实现资源的经济型和可 循环利用性。
[0022] 此外，在社制工艺中，粗社孔型社制的开巧溫度为118(TC，因稀±La抑制社制过程 中的再结晶，实现在未再结晶区社制，增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错李晶等晶体 缺陷，提高形核率，细化晶粒，运样便可将万能精社的终社溫度提高至960°C-98(rC范围内， 降低设备消耗，同时保证有效利用社后余热实现控制冷却，提高钢轨强度，利于节能环保。 在冷却工艺中，首先利用社后余热，快冷至86(TC，进一步细化高溫细小的奥氏体晶粒;为避 免钢轨因横断面冷却不均匀而产生较大弯曲变形、增加矫直应力，860°C-45(rC溫度区间的 冷却速度应小于5 °C/S，运样可提高钢轨平直度，确保本发明钢轨使用安全性;450°C-250°C 溫度区间发生贝氏体转变，为促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最佳强初性能，冷却速 度应控制在0.8°C/S-1.5°C/S范围内，同时为避免生成马氏体，冷却速度须小于2°C/S;250 °(：后空冷至室溫。
[0023] 进一步地，本发明所述的含稀±La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，中，在所述冷 却步骤中，在所述450-250°C溫度区间，所述冷却速度控制在0.8°C/S-1.5°C/S范围内。通过 将冷却速度控制在0.8°C/S-1.5°C/S范围内，能够促进生成高比例纳米贝氏体板条，获得最 佳强初性能。
[0024] 进一步地，本发明所述的含稀±La元素的纳米贝氏体钢轨制备方法，中，在所述冶 炼步骤中，所述纳米贝氏体材料中含有的憐P、硫S、铜CuW及侣Al的含量W重量百分比计 为:憐P < 0.015%，硫S含0.008 %，铜Cu < 0.10 %，侣Al < 0.02%，能够使纳米贝氏体钢轨所 用钢为洁净钢，保证稀±1曰更多地固溶于基体中。
[0025] 本发明另一方面提供了一种利用权利要求1至3中任一项所述的利用含稀±La元 素的纳米贝氏体材料制造钢轨的方法所制造的钢轨，所述钢轨的组织为纳米级贝氏体结 构，所述贝氏体结构的组织体积分数为95% W上，所述贝氏体结构的铁素体板条宽度为 7化m~95nm，亚片条细化至50nmW下，存在于板条间的薄膜状奥氏体的比例为1%-5%，所 述贝氏体结构的贝氏体铁素体板条内存在微细李晶及高密度位错，所述微细李晶的板条的 尺寸为2nm-5nm，所述高密