專利名稱：一種彈簧鋼及其制造和熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬黑色金屬材料制造加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及冶金行業(yè)一種彈簧鋼及其制造方法，該彈簧鋼可用于制造高速鐵路軌道扣件。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)的高速鐵路提速前，列車(chē)時(shí)速為120-180公里/小時(shí)，鐵路軌道扣件的彈簧鋼以高碳的化學(xué)成分設(shè)計(jì)為主，例如C 0. 56 0. 64%、Si 1. 60 2. 00%、Mn 0. 70 1. 00%, Cr 彡 0. 35%, Ni 彡 0. 25%, P 彡 0. 025%, S 彡 0. 0250%，其制造工藝通常為初煉一LF精煉(高堿度渣、鋁脫氧)—VD精煉一連鑄一加熱一軋制一檢測(cè)一合格入庫(kù)一用戶使用采用熱卷簧成型一采用油淬火、油回火進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，這種彈簧鋼具有一定的強(qiáng)度 (抗拉強(qiáng)度彡1600Mpa)、韌性及塑性(斷面收縮率彡30% )0現(xiàn)代鋼軌扣件系統(tǒng)為能適應(yīng)高速化、環(huán)保化、省力化和可調(diào)化四大基本準(zhǔn)則，正在向著低剛度、長(zhǎng)壽命、低成本及其相互協(xié)調(diào)的技術(shù)方向發(fā)展。鐵路提速后，列車(chē)時(shí)速提高到350公里/小時(shí)，其對(duì)鐵路軌道扣件用的彈簧鋼提出了嚴(yán)格的要求，具體涉及機(jī)械性能 (抗拉強(qiáng)度彡1200Mpa、斷面收縮率彡35%，熱軋態(tài)的斷面收縮率彡52% )，鋼中非金屬夾雜物的組成、分布、形狀、數(shù)量(K3 ( 30)，殘余元素(P < 0.010%、SS 0.010%、氣體含量 (
( 12ppm)，脫碳層1.0% D)，顯微組織及其均勻性(石墨碳含量應(yīng)小于等于1. 5 級(jí))，晶粒度O 7級(jí))，表面質(zhì)量(表面缺陷< 0. IOmm)等。相比之下，傳統(tǒng)的鐵路扣件用彈簧鋼材料及制造方法尚存在以下不足之處(1)碳含量高(0. 56 0. 64% C)，鋼材強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度彡1600Mpa)、韌性及塑性低(斷面收縮率>30%)；(2)傳統(tǒng)的彈簧鋼的冶煉采用鋁脫氧、高堿度渣真空精煉技術(shù)，鋼中的脆性?shī)A雜物 Al2O3不易于上浮去除，并且氣體含量較高；(3)由于碳含量高，鋼材在軋制及熱加工過(guò)程中脫碳敏感性強(qiáng)，脫碳層厚(1.5% D)，扣件使用過(guò)程中疲勞壽命低；(4)由于傳統(tǒng)的彈簧鋼的碳含量高為0. 54-0. 64%，鋼材硬，用戶在使用過(guò)程中需采用加熱后熱成型，同時(shí)由于碳含量高，淬火和回火過(guò)程熱應(yīng)力大，如果采用水介質(zhì)，會(huì)引起鋼材的應(yīng)力裂紋，必須采用油淬火、油回火，增加工序及能耗，生產(chǎn)效率低。由此可見(jiàn)，為適應(yīng)我國(guó)鐵路跨越式發(fā)展，有必要開(kāi)發(fā)可用于制造高速鐵路軌道用扣件的彈簧鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種彈簧鋼，其可以冷成型的加工方法制造高速鐵路軌道扣件。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述彈簧鋼的一種制造方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述彈簧鋼的一種調(diào)質(zhì)熱處理方法，其可以使上述彈簧鋼的屈服強(qiáng)度(Rm)≥lOOOMPa，抗拉強(qiáng)度(RpO. 2)≥1200MPa，延伸率(A)≥6%，斷面收縮率(Z) ≥30%，滿足高速鐵路軌道的扣件要求。本發(fā)明所提供的彈簧鋼，其成分質(zhì)量百分比為C 0.3 0.5%、Si 1.0 2.5%、 Mn 0. 3 1. 5 %、Cr 0. 1 1. 0 %、Ni 0. 01 0. 30 %、Cu ≥ 0. 15 %、P≥ 0. 010 %、 S^O. 010%，余量為！^和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述彈簧鋼的成分滿足C 0.；35 0.45%、Si 1. 5 2. 3 %、MnO. 50 1. 0% 以及 Cr 0. 10 0. 50%。優(yōu)選地，所述彈簧鋼的成分滿足C 0. 37 0. 39%、Si 1. 67 1. 71 %、MnO. 69 0. 73%, Cr 0. 19 0.21% 以及 Ni 0. 07 0. 10%。本發(fā)明所提供的上述彈簧鋼的制造方法包括(1)初煉、精煉和連鑄澆注，所述精煉采用Si脫氧；(2)加熱、控制軋制和控制冷卻，所述加熱的均熱溫度950 1000°C，保溫時(shí)間彡2小時(shí)，鋼坯出爐溫度950 1000°C，陰陽(yáng)面溫差彡40°C,所述控制軋制中軋機(jī)進(jìn)口溫度為800 860°C，所述控制冷卻的冷卻速度為40 80°C /h。優(yōu)選地，步驟(1)的初煉在電弧爐中進(jìn)行，出鋼條件為T(mén)彡1620[P] ^ 0. 010% 和[C]彡 0. 05%。優(yōu)選地，步驟(1)的精煉為鋼包精煉，其中加入SWe粉和/或SiC粉脫氧，所有成分滿足要求后開(kāi)始吊包。優(yōu)選地，步驟(1)中澆注出160X 160mm2 320X425mm2斷面尺寸的連鑄坯，澆注速度為0. 60 2. 80m/min，連鑄坯在冷床上快冷至900°C，然后緩冷，緩冷時(shí)間> 36小時(shí)。優(yōu)選地，在步驟O)的控制軋制前有一個(gè)高壓除鱗步驟。優(yōu)選地，在步驟O)中軋制成盤(pán)條。本發(fā)明所提供的上述彈簧鋼的調(diào)質(zhì)熱處理方法包括850 910°C水淬和 400 620°C 回火。優(yōu)選地，淬火以250 350°C /min的速度冷卻至20 30°C。優(yōu)選地，回火以150 200°C /min的速度冷卻至20 30°C。本發(fā)明采用低C高Si的解決方案，既避免了碳含量高對(duì)鋼的韌、塑性產(chǎn)生不利影響，又使得該彈簧鋼經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅讷@得高強(qiáng)度的同時(shí)獲得較高的韌性和塑性，將碳含量控制在較低范圍內(nèi)，提高彈簧鋼的韌性，而提高強(qiáng)度的任務(wù)則依靠Si，Cr等其它元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。較高的Si含量能夠提高鋼的強(qiáng)度和抗彈減性，以彌補(bǔ)C含量低造成的對(duì)鋼強(qiáng)度的不利影響。Mn含量為0. 3 1. 5%，Mn可顯著提高鋼的淬透性，但對(duì)韌性不利不宜過(guò)高。Cr可提高鋼的淬透性，同時(shí)由于Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，對(duì)于減輕脫碳傾向，防止石墨化有利，Cr含量為0. 1 1.0%，使得彈簧鋼的淬透層能夠控制在合理的范圍內(nèi)。Ni也可提高鋼的淬透性，另外，Ni的加熱可以使得鋼的抗脫C性大大改善，由于Ni
4資源比較匱乏，對(duì)于小截面彈簧鋼可不添加，Ni含量控制在以下。P、S和Cu是鋼中的雜質(zhì)，控制P彡0. 010%, S ^ 0. 010%, Cu ( 0. 15%，鋼材材
質(zhì)純凈。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)化學(xué)成分設(shè)計(jì)在C、Si、Mn、Cr、Ni的設(shè)計(jì)上，合理配比，鋼材具有良好的強(qiáng)
度-柔韌性配合；(2)化學(xué)成分設(shè)計(jì)在P、S的要求高，鋼材純凈度高；(3)在成分設(shè)計(jì)上，碳含量低，脫碳敏感性弱；(4)冶煉采用硅脫氧、低堿度渣真空精煉技術(shù)，生產(chǎn)一種完全不存在富含Al、Ti夾雜物的超純凈度鋼，使夾雜物組成呈低熔點(diǎn)、低硬度狀態(tài)，減少或避免鋼中脆性?shī)A雜物的形成，使鋼中夾雜物形態(tài)呈塑性狀態(tài)，由于鋼中夾雜物同基體鋼有較好的接觸，不易于形成微裂紋，使鋼材的韌塑性、疲勞壽命得到提高；(5)疲勞壽命高，大于600萬(wàn)次；(6)用戶使用過(guò)程中冷成型能力強(qiáng)，不需熱成型，減少工序及能耗，生產(chǎn)效率高；(7)采用水淬代替油淬，符合環(huán)保要求。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將在下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)注意的是，這些實(shí)施例僅僅是示范性的，不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。彈簧鋼的制備實(shí)施例和對(duì)比例化學(xué)成分見(jiàn)表1，其制備過(guò)程如下第一步，電弧爐冶煉-鋼包精煉-連鑄澆注在60噸的電弧爐中進(jìn)行鋼液初煉；60噸的鋼包精煉；連鑄澆注；生產(chǎn)出 90 X 90mm2 360 X 360mm2斷面尺寸的合格連鑄坯(1)初煉爐料選用低P、S廢鋼、切頭及優(yōu)質(zhì)生鐵；合金需準(zhǔn)備低碳鉻、低碳錳等；還原劑電石、碳粉、結(jié)晶硅等；氧化期勤流渣去P，脫碳量> 0. 30% ；出鋼條件 T彡1620°C, [P] ^ 0. 008%, [C]彡0.05%。出鋼后期加入適量的石灰或合成渣。(2)精煉電爐出鋼1/3時(shí)，鋼包加入渣料，渣料配比按渣堿度2. 5 3控制。根據(jù)實(shí)際脫硫情況，可均情調(diào)整渣堿度。加熱工位采用Si-Fe粉及SiC粉脫氧，分批加入，根據(jù)渣況及鋼中硅含量情況調(diào)整加入量及加入批次，一般每間隔15分鐘加入一批，用量0. 5 lkg/t，使精煉過(guò)程要始終保持脫氧良好。在鋼包進(jìn)入真空脫氣前定氧，根據(jù)氧活度情況加入硅鐵，加入量按成品硅含量要求中限配加，并結(jié)合定氧值，判斷脫氧效果，決定是否再進(jìn)行硅量調(diào)整。保證
^ 0. 0025%, [H] < 0.00015%;所有成分進(jìn)入優(yōu)化要求的范圍內(nèi)開(kāi)始吊包。(3)連鑄澆注鋼包內(nèi)高溫鋼液通過(guò)保護(hù)套管，澆進(jìn)中間包，中間包過(guò)熱度 (35°C。中間包使用前完全清理、內(nèi)表面為耐火涂層且不得有裂縫；中間包內(nèi)的鋼液經(jīng)連鑄結(jié)晶器，以合理的速度，澆注出160X160mm2 320X425mm2斷面尺寸的合格連鑄坯，依據(jù)不同的錠型尺寸澆注速度為0. 60 2. SOm/min。合格連鑄坯在冷床上快冷至900°C，進(jìn)緩冷坑緩冷，緩冷時(shí)間為> 36小時(shí)。
第二步盤(pán)條軋制采用軋鋼機(jī)熱加工軋制方法，先將合格的連鑄坯表面進(jìn)行清理，再將其熱加工軋制至成品盤(pán)條，工藝要點(diǎn)(1)加熱爐加熱工藝均熱溫度950 1000°C，加熱保溫時(shí)間彡2小時(shí)，鋼坯出爐溫度950 1000°C，陰陽(yáng)面溫差彡400C ；(2)控制軋制工藝加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開(kāi)啟高壓除鱗機(jī)，KOCKS進(jìn)口溫度800 8600C ；(3)控冷工藝軋成盤(pán)條后在線緩冷，保溫罩全部關(guān)閉，冷卻速度40 80°C /h。實(shí)施例和對(duì)比例的力學(xué)性能見(jiàn)表2，其中力學(xué)性能根據(jù)GB/T 228(金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法)檢測(cè)。彈簧鋼的熱處理將鋼材定尺落料后，冷成型，在850 910°C水淬和400 620°C回火，實(shí)施例和對(duì)比例的熱處理工藝和力學(xué)性能詳見(jiàn)表3，其中力學(xué)性能根據(jù)GB/T228(金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法)檢測(cè)。疲勞壽命的檢測(cè)根據(jù)《高速鐵路扣件零部件制造驗(yàn)收暫行技術(shù)條件》的要求，在疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上，采用振幅2. 5mm,進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)施例和對(duì)比例的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。表1實(shí)施例和對(duì)比例的化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種彈簧鋼，其成分質(zhì)量百分比為C 0.3 0.5%、Si 1.0 2.5%、Mn 0.3 1.5%、Cr 0.1 1.0%、Ni 0. 01 0. 30%, Cu彡0. 15%, P ^ 0. 010%, S ^ 0. 010%，余量為!^e和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的彈簧鋼，其特征在于，所述彈簧鋼的成分滿足CO.35 0. 45%、 Si 1. 5 2. 3%,Mn 0. 50 1. 0% 以及 Cr 0. 10 0. 50%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的彈簧鋼，其特征在于，所述彈簧鋼的成分滿足C0.37 0. 39%,Si 1. 67 1. 71%,Mn 0. 69 0. 73%,Cr 0. 19 0. 21% 以及 NiO. 07 0. 10%。
4.如權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的彈簧鋼的制備方法，包括(1)初煉、精煉和連鑄澆注，所述精煉采用Si脫氧；(2)加熱、控制軋制和控制冷卻，所述加熱的均熱溫度950 1000°C，保溫時(shí)間彡2小時(shí)，鋼坯出爐溫度950 1000°C， 陰陽(yáng)面溫差彡40°C，所述控制軋制中軋機(jī)進(jìn)口溫度為800 860°C，所述控制冷卻的冷卻速度為40 80°C /h。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(1)的初煉在電弧爐中進(jìn)行，出鋼條件為 T 彡 1620 0C > [P]彡 0. 008% 和[C]彡 0. 05%。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，步驟(1)的精煉為鋼包精煉，其中加入 SiFe粉和/或SiC粉脫氧，所有成分滿足要求后開(kāi)始吊包。
7.如權(quán)利要求4-6任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(1)中澆注出 160 X 160mm2 320 X 4250mm2斷面尺寸的連鑄坯，澆注速度為0. 60 2. 80m/min,連鑄坯在冷床上快冷至900°C，然后緩冷，緩冷時(shí)間> 36小時(shí)。
8.如權(quán)利要求4-7任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟(2)的控制軋制前有一個(gè)高壓除鱗步驟。
9.如權(quán)利要求4-8任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟O)中軋制成盤(pán)條。
10.如權(quán)利要求1-3任何一項(xiàng)所述的彈簧鋼的熱處理方法，包括850 910°C水淬和 400 620°C回火。
11.如權(quán)利要求10所述的彈簧鋼的熱處理方法，其特征在于，淬火以250 350°C/min 的速度冷卻至20 30°C。
12.如權(quán)利要求10或11所述的彈簧鋼的熱處理方法，其特征在于，回火以150 2000C /min的速度冷卻至20 30°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種彈簧鋼，其成分質(zhì)量百分比為C 0.3～0.5％、Si 1.0～2.5％、Mn 0.3～1.5％、Cr 0.1～1.0％、Ni 0.01～0.30％、Cu≤0.15％、P≤0.010％、S≤0.010％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述彈簧鋼可以冷成型的加工方法制造高速鐵路軌道扣件。本發(fā)明還公開(kāi)了所述彈簧鋼的一種制造和熱處理方法，其可以使上述彈簧鋼的屈服強(qiáng)度(Rm)≥1000MPa，抗拉強(qiáng)度(Rp0.2)≥1200MPa，延伸率(A)≥6％，斷面收縮率(Z)≥30％，滿足高速鐵路軌道的扣件要求。
文檔編號(hào)C22C38/42GK102162068SQ201010110889
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月21日
發(fā)明者張建平, 張成名, 王凱, 顧文俊, 馬寶國(guó) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司