专利名称：含铌高强度鱼尾板的制作方法
技术领域：
本发明技术属于铁道用钢。
当前世界各国铁道运输业都向着高速、重载、大运货量的方向发展。为了适应这种发展的要求，铁道钢轨通过低合金化及适当的热处理手段使性能和质量有了明显的提高，目前已开始研制σb≥1300Mpa级，规格已达到75kg/m的新型钢轨。
做为铁路钢轨的连接配件的鱼尾板，在铁路车辆的运行中，承接拉、压、弯曲等多种复杂的应力负荷，是铁路构件的薄弱环节之一。鱼尾板的研究本应随着铁路钢轨的研究同步进行，以求与铁路钢轨的发展相匹配，然而却一直未受到人们应有的重视。即使在国外，虽然已大量使用低合金钢钢轨，但鱼尾板仍停留在碳素钢水平，强度普遍低于钢轨，因而，使用寿命远不及钢轨。
目前世界主要工业国家，如英、美、苏、法、日等国生产的鱼尾板，其材质都是含锰量较高的中碳钢，热轧或热处理状态使用。其中苏联的鱼尾板是经过调质处理的，因此，其强塑性的综合指标水平最高，居世界领先地位，但使用寿命也不及钢轨。
国外主要工业国家生产的鱼尾板的化学成分和机械性能分别列入表1和表2。
我国的铁道鱼尾板的主要生产厂家为鞍钢中型轧钢厂。已经纳入标准
的有38kg/m、43kg/m、50kg/m三种规格。标准号YB354-63。1978年和1986年还分别试制出60kg/m、75kg/m两种新规格产品。
我国生产的鱼尾板的钢号为普通碳素钢B7经淬火，余热自身回火后使用。YB354-63规定的主要性能是σb≥785Mpa。δ5≥9%、HB＝227～388，冷弯α＝30°、d＝3a完好。由于普通碳素钢在二次加热中容易引起晶粒粗化和淬火回火组织对工艺的敏感性，使得现行的B7鱼尾板性能偏低，且波动较大。在实际生产中，二级品率也较高。因此，虽然社会需求量较大，但生产厂家只能在产量上加以控制，进行有限地生产、致使铁道部每年要花掉500多万元外汇从日本等国进口一万多吨鱼尾板，以满足铁路的需要。
另一方面，由于现行鱼尾板性能偏低，与低合金钢钢轨不相匹配。在使用中两年便开始马鞍型变形，或发生断裂。其使用寿命平均为六年左右，大约是碳素钢轨的二分之一，低合金钢钢轨的三分之一，已成为铁道线路的一大消耗件。铁道部为更换鱼尾板，每年仅材料费就要用掉400多万元。
本发明的目的就是通过微合金化的手段，从根本上改善鱼尾板用钢的材质，并辅以与之相适应的热处理工艺，来提高鱼尾板强度与塑性的综合性能，使之与铁道钢轨相匹配。本发明所提供的鱼尾板性能可达到国际先进标准水平。
本发明所提供的鱼尾板制造方法，是用铌做为合金化元素对中碳钢进行微合金化。迄今为止，国内外对含铌钢已进行了许多的研究工作，但都是在低碳素钢或高碳素钢中添加铌，而且多是铌与锰、钼、钒、钛等元素复合添加到钢中。至于中碳钢中单一加入铌进行合金化，根据目前进行的检索，国内外尚无报导。因此，确定中碳钢中微量铌的加入量，是本发明的一个重要内容。
做为合金元素加入钢中的铌，是强碳化物、氮化物形成元素，在钢中形成极为稳定的化合物NbC、NbN、Nb2C、Nb(CN)。这些稳定的化合物即使在加热到1100℃的奥氏体区域内仍有部分未溶而存在于奥氏体基体上，从而起着阻碍奥氏体晶粒长大的作用。当温度降低时，溶于奥氏体中的部分铌不断析出形成(NbCN)，成为奥氏体转变为铁素体的核心。铌的上述两种作用都促进了奥氏体转变产物铁素体和珠光体组织细化，而冷却中析出的NbC或Nb(CN)同时发挥了沉淀强化作用。另外，铌的加入所产生细化晶粒的效果，对钢的塑性也将有明显地改善。
经过多次试验表明，本发明铌含量控制在0.02～0.04%时，具有最佳的强化能力。如果含铌量继续增加时，则强化效果反而减弱。对于屈强比，当含铌量大于0.02%时，屈强比最大，含铌量继续增加时。屈强比没有明显变化。根据这一结果，在现行的普通碳素钢鱼尾板中添加0.02～0.04%的铌，其屈服点由σ5≥520Mpa增加到624Mpa，抗张强度σb由624Mpa达到867Mpa。强度达到了设计目标，即苏联标准规定值，σ5≥530Mpa，σb≥845Mpa。综合考虑生产、性能要求等诸因素，本发明的含铌鱼尾板的化学成分为C0.50～0.62%，最佳含量为0.50～0.57%;Si0.20～0.40%;Mn0.50～0.80%，最佳含量为0.65～0.80%;P≤0.040%;S≤0.045%;Nb0.015～0.050%，最佳含量为0.02～0.04%。
由于钢中加入铌，必然引起相变点、冷却转变曲线的相应改变，必然引起热处理制度的相应变化。为了充分发挥合金元素铌在钢中的细化晶粒和析出强化作用，也必须有相应的热处理制度。因此，确立含铌鱼尾板合理的热处理工艺是本发明的又一重要内容。
钢在奥氏体区加热，有减少晶界面积变为稳定状态的趋势。因此，加热温度升高，晶粒就会长大。含0.05%左右的铌钢，其奥氏体粗化温度比无铌的碳钢可高出200℃左右，即使加热到1100℃，仍可保持晶粒不发生粗化。实际生产中，如采用快速加热的方法以提高生产效率，含铌鱼尾板钢轧材加热温度允许达到1180℃。
由于铌是强碳化物形成元素，铌加入钢中会提高钢的A3点，并使连续冷却曲线向右移动。控制适宜的淬火温度和出水时工件温度，是使鱼尾板得到良好的组织及外观形状的关键。经多次试验，确定含铌鱼尾板的合金热处理工艺为鱼尾板轧材加热温度1140～1180℃;淬火温度860～900℃，最佳温度为870～880℃;自回火温度560～580℃。热处理后，鱼尾板的金相组织为索氏体加少量铁素体。
根据含铌鱼尾板的化学成分和热处理工艺，可制定出它的生产工艺。按此生产工艺生产，就可得到本发明的鱼尾板。
该鱼尾板钢可在碱性平炉或转炉冶炼。平炉可采用顶吹氧气工艺，转炉可采用顶底复合吹炼。炉内操作按普通碳素钢进行，但成品磷硫含量应控制在P≤0.040%，S≤0.045%，出钢温度为1600～1620℃。出钢过成中，当钢水倾入盛钢桶三分之一时，开始依次加脱氧剂Fe-Mn，Fe-Si，其数量按钢的化学成分添加，最后加Al，加Al量为300克/吨。脱氧剂加完后加入Fe-Nb，Nb的回收率可按80%计算。含铌鱼尾板钢的熔炼成分按前述发明规定成分控制。浇注锭型为Jb8.0或Jc7.8，或其它适应的规格。
钢锭热送初轧厂，经初轧机开坯轧成136mm或145mm方坯。钢坯成型轧制的加热温度为1050～1150℃，烧好的钢坯经轧制机轧成鱼尾板条钢。轧制含铌的鱼尾板的工艺与普通碳素鱼尾板相同，轧制中不会出现异常情况。
含铌鱼尾板条钢按要求的定尺冷剪后装炉加热，加热温度为1140～1180℃。总加热时间为20分钟。钢坯出炉后及时冲孔。冲孔后进行淬火。入水前的温度应控制在860～900℃，在水中停留时间为60秒，钢件出水温度应控制在560～580℃。热处理后的鱼尾板，按普通碳素钢鱼尾板的工艺进行冷矫打毛刺等即为成品。
本发明的主要优点是，采用铌做为单一的合金元素进行合金化的理论和实验基础可靠。合金系列简单，便于控制。合金元素用量少，钢中只添加0.015～0.050%的铌，并配合以相应的热处理制度就可使鱼尾板的性能获得明显的提高，而生产成本只有很小的增加，钢厂的效益为200元/吨，按年产4万吨算，年效益可达800万元。实施本发明无需特殊工艺，不需添置特殊设备，因而本发明便于在生产中得到应用和推广。
按本发明的方法生产出的含铌鱼尾板的综合机械性能可达到世界先进水平，即苏联鱼尾板ΓOCT4133标准的水平σs≥530Mpa，σb≥845Mpa，δs≥10%，ψ≥30%，HB为235～388，冷弯α＝20°，d＝3a合格。本发明的鱼尾板的性能比目前我国现行普通碳素钢鱼尾板的性能有明显的提高。因此，如以YB354-63做为验收条件，合格率可达100%。由于该钢的σb比普通碳素钢鱼尾板至少提高60Mpa，并且由于S.P分别降低0.005%，钢质得到进一步净化，使用寿命将有明显提高，这将为用户创造很大的社会效益。产量扩大后，铁道部将向国外出口。
本发明的一个实施例是生产出50kg/m钢轨用含铌鱼尾板150吨共二批产品，已分别在河南济源铁路处和沈阳铁路局进行试验。产品的熔炼成分列于表3，机械性能列于表4。并与YB354-63和ΓOCT4133进行了对比。从表4可以看出，本发明所提供的含铌鱼尾板，其性能比现行的国内标准YB354-63有明显提高。比美、日、英等国标准也有很大提高，达到了目前世界鱼尾板的先进标准ΓOCT-4133所规定的各项指标。
权利要求
1.一种含铌的铁道用鱼尾板钢，其特征在于它的化学成分是(%)C0.50～0.62；Si0.20～0.40；Mn0.50～0.80；P≤0.040；S≤0.045；Nb0.015～0.050。
2.权利要求1所述的含铌鱼尾板钢，其特征是碳的最佳含量是(%)0.50～0.57。
3.权利要求1所述的含铌鱼尾板钢，其特征是锰的最佳含量是(%)0.65～0.80。
4.权利要求1所述的含铌鱼尾板钢，其特征是铌的最佳含量是(%)0.020～0.040。
5.权利要求1所述的含铌鱼尾板钢，其特征是钢水出钢温度应控制在1600～1620℃之间。
6.权利要求1所述的含铌鱼尾板钢，其特征在于钢水倾入盛钢桶三分之一时，按次加入Fe-Mn、Fe-Si和Al，铝按300克/吨添加。铝加完后，按钢中铌的化学成分要求，加入Fe-Nb，铌的回收率按80%计算。
7.一种含铌的铁道用鱼尾板钢的热处理制度，其特征在于鱼尾板轧材加热温度为1140～1180℃;淬火温度为860～900℃;自回火温度为560～580℃。
8.权利要求7所述铁道用鱼尾板热处理制度的淬火温度，其特征在于淬火温度最佳范围为870～880℃。
9.权利要求7所述铁道用鱼尾板热处理制度，其特征在于鱼尾板在淬火介质水中停留时间为60秒。
全文摘要
本发明技术属于铁道用含铌高强度鱼尾板钢，其化学成分(％)为，C0.50～0.62，最佳含量0.50～0.57；Si0.20～0.40；Mn0.50～0.80，最佳含量0.65～0.80；P≤0.040；S≤0.045；Nb0.015～0.050，最佳含量0.020～0.040。其热处理制度为鱼尾板轧材加热温度为1140～1180℃；淬火温度为860～890℃，最佳温度为870～880℃；自身回火温度为560～580℃。该发明合金含量低，生产工艺简单、产品机械性能已达到目前世界先进水平。
文档编号E01B11/02GK1035682SQ8810125
公开日1989年9月20日 申请日期1988年3月8日 优先权日1988年3月8日
发明者周富智, 高洪适, 吴伟, 王泽林 申请人:鞍山钢铁公司, 鞍山钢铁公司钢铁研究所