專利名稱：含鈮高強(qiáng)度魚尾板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明技術(shù)屬于鐵道用鋼。
當(dāng)前世界各國(guó)鐵道運(yùn)輸業(yè)都向著高速、重載、大運(yùn)貨量的方向發(fā)展。為了適應(yīng)這種發(fā)展的要求，鐵道鋼軌通過(guò)低合金化及適當(dāng)?shù)臒崽幚硎侄问剐阅芎唾|(zhì)量有了明顯的提高，目前已開始研制σb≥1300Mpa級(jí)，規(guī)格已達(dá)到75kg/m的新型鋼軌。
做為鐵路鋼軌的連接配件的魚尾板，在鐵路車輛的運(yùn)行中，承接拉、壓、彎曲等多種復(fù)雜的應(yīng)力負(fù)荷，是鐵路構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)之一。魚尾板的研究本應(yīng)隨著鐵路鋼軌的研究同步進(jìn)行，以求與鐵路鋼軌的發(fā)展相匹配，然而卻一直未受到人們應(yīng)有的重視。即使在國(guó)外，雖然已大量使用低合金鋼鋼軌，但魚尾板仍停留在碳素鋼水平，強(qiáng)度普遍低于鋼軌，因而，使用壽命遠(yuǎn)不及鋼軌。
目前世界主要工業(yè)國(guó)家，如英、美、蘇、法、日等國(guó)生產(chǎn)的魚尾板，其材質(zhì)都是含錳量較高的中碳鋼，熱軋或熱處理狀態(tài)使用。其中蘇聯(lián)的魚尾板是經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的，因此，其強(qiáng)塑性的綜合指標(biāo)水平最高，居世界領(lǐng)先地位，但使用壽命也不及鋼軌。
國(guó)外主要工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)的魚尾板的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別列入表1和表2。
我國(guó)的鐵道魚尾板的主要生產(chǎn)廠家為鞍鋼中型軋鋼廠。已經(jīng)納入標(biāo)準(zhǔn)
的有38kg/m、43kg/m、50kg/m三種規(guī)格。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)YB354-63。1978年和1986年還分別試制出60kg/m、75kg/m兩種新規(guī)格產(chǎn)品。
我國(guó)生產(chǎn)的魚尾板的鋼號(hào)為普通碳素鋼B7經(jīng)淬火，余熱自身回火后使用。YB354-63規(guī)定的主要性能是σb≥785Mpa。δ5≥9%、HB＝227～388，冷彎α＝30°、d＝3a完好。由于普通碳素鋼在二次加熱中容易引起晶粒粗化和淬火回火組織對(duì)工藝的敏感性，使得現(xiàn)行的B7魚尾板性能偏低，且波動(dòng)較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，二級(jí)品率也較高。因此，雖然社會(huì)需求量較大，但生產(chǎn)廠家只能在產(chǎn)量上加以控制，進(jìn)行有限地生產(chǎn)、致使鐵道部每年要花掉500多萬(wàn)元外匯從日本等國(guó)進(jìn)口一萬(wàn)多噸魚尾板，以滿足鐵路的需要。
另一方面，由于現(xiàn)行魚尾板性能偏低，與低合金鋼鋼軌不相匹配。在使用中兩年便開始馬鞍型變形，或發(fā)生斷裂。其使用壽命平均為六年左右，大約是碳素鋼軌的二分之一，低合金鋼鋼軌的三分之一，已成為鐵道線路的一大消耗件。鐵道部為更換魚尾板，每年僅材料費(fèi)就要用掉400多萬(wàn)元。
本發(fā)明的目的就是通過(guò)微合金化的手段，從根本上改善魚尾板用鋼的材質(zhì)，并輔以與之相適應(yīng)的熱處理工藝，來(lái)提高魚尾板強(qiáng)度與塑性的綜合性能，使之與鐵道鋼軌相匹配。本發(fā)明所提供的魚尾板性能可達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)水平。
本發(fā)明所提供的魚尾板制造方法，是用鈮做為合金化元素對(duì)中碳鋼進(jìn)行微合金化。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)含鈮鋼已進(jìn)行了許多的研究工作，但都是在低碳素鋼或高碳素鋼中添加鈮，而且多是鈮與錳、鉬、釩、鈦等元素復(fù)合添加到鋼中。至于中碳鋼中單一加入鈮進(jìn)行合金化，根據(jù)目前進(jìn)行的檢索，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)導(dǎo)。因此，確定中碳鋼中微量鈮的加入量，是本發(fā)明的一個(gè)重要內(nèi)容。
做為合金元素加入鋼中的鈮，是強(qiáng)碳化物、氮化物形成元素，在鋼中形成極為穩(wěn)定的化合物NbC、NbN、Nb2C、Nb(CN)。這些穩(wěn)定的化合物即使在加熱到1100℃的奧氏體區(qū)域內(nèi)仍有部分未溶而存在于奧氏體基體上，從而起著阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。當(dāng)溫度降低時(shí)，溶于奧氏體中的部分鈮不斷析出形成(NbCN)，成為奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的核心。鈮的上述兩種作用都促進(jìn)了奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體和珠光體組織細(xì)化，而冷卻中析出的NbC或Nb(CN)同時(shí)發(fā)揮了沉淀強(qiáng)化作用。另外，鈮的加入所產(chǎn)生細(xì)化晶粒的效果，對(duì)鋼的塑性也將有明顯地改善。
經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)表明，本發(fā)明鈮含量控制在0.02～0.04%時(shí)，具有最佳的強(qiáng)化能力。如果含鈮量繼續(xù)增加時(shí)，則強(qiáng)化效果反而減弱。對(duì)于屈強(qiáng)比，當(dāng)含鈮量大于0.02%時(shí)，屈強(qiáng)比最大，含鈮量繼續(xù)增加時(shí)。屈強(qiáng)比沒(méi)有明顯變化。根據(jù)這一結(jié)果，在現(xiàn)行的普通碳素鋼魚尾板中添加0.02～0.04%的鈮，其屈服點(diǎn)由σ5≥520Mpa增加到624Mpa，抗張強(qiáng)度σb由624Mpa達(dá)到867Mpa。強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，即蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，σ5≥530Mpa，σb≥845Mpa。綜合考慮生產(chǎn)、性能要求等諸因素，本發(fā)明的含鈮?mèng)~尾板的化學(xué)成分為C0.50～0.62%，最佳含量為0.50～0.57%;Si0.20～0.40%;Mn0.50～0.80%，最佳含量為0.65～0.80%;P≤0.040%;S≤0.045%;Nb0.015～0.050%，最佳含量為0.02～0.04%。
由于鋼中加入鈮，必然引起相變點(diǎn)、冷卻轉(zhuǎn)變曲線的相應(yīng)改變，必然引起熱處理制度的相應(yīng)變化。為了充分發(fā)揮合金元素鈮在鋼中的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用，也必須有相應(yīng)的熱處理制度。因此，確立含鈮?mèng)~尾板合理的熱處理工藝是本發(fā)明的又一重要內(nèi)容。
鋼在奧氏體區(qū)加熱，有減少晶界面積變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。因此，加熱溫度升高，晶粒就會(huì)長(zhǎng)大。含0.05%左右的鈮鋼，其奧氏體粗化溫度比無(wú)鈮的碳鋼可高出200℃左右，即使加熱到1100℃，仍可保持晶粒不發(fā)生粗化。實(shí)際生產(chǎn)中，如采用快速加熱的方法以提高生產(chǎn)效率，含鈮?mèng)~尾板鋼軋材加熱溫度允許達(dá)到1180℃。
由于鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，鈮加入鋼中會(huì)提高鋼的A3點(diǎn)，并使連續(xù)冷卻曲線向右移動(dòng)。控制適宜的淬火溫度和出水時(shí)工件溫度，是使魚尾板得到良好的組織及外觀形狀的關(guān)鍵。經(jīng)多次試驗(yàn)，確定含鈮?mèng)~尾板的合金熱處理工藝為魚尾板軋材加熱溫度1140～1180℃;淬火溫度860～900℃，最佳溫度為870～880℃;自回火溫度560～580℃。熱處理后，魚尾板的金相組織為索氏體加少量鐵素體。
根據(jù)含鈮?mèng)~尾板的化學(xué)成分和熱處理工藝，可制定出它的生產(chǎn)工藝。按此生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，就可得到本發(fā)明的魚尾板。
該魚尾板鋼可在堿性平爐或轉(zhuǎn)爐冶煉。平爐可采用頂吹氧氣工藝，轉(zhuǎn)爐可采用頂?shù)讖?fù)合吹煉。爐內(nèi)操作按普通碳素鋼進(jìn)行，但成品磷硫含量應(yīng)控制在P≤0.040%，S≤0.045%，出鋼溫度為1600～1620℃。出鋼過(guò)成中，當(dāng)鋼水傾入盛鋼桶三分之一時(shí)，開始依次加脫氧劑Fe-Mn，F(xiàn)e-Si，其數(shù)量按鋼的化學(xué)成分添加，最后加Al，加Al量為300克/噸。脫氧劑加完后加入Fe-Nb，Nb的回收率可按80%計(jì)算。含鈮?mèng)~尾板鋼的熔煉成分按前述發(fā)明規(guī)定成分控制。澆注錠型為Jb8.0或Jc7.8，或其它適應(yīng)的規(guī)格。
鋼錠熱送初軋廠，經(jīng)初軋機(jī)開坯軋成136mm或145mm方坯。鋼坯成型軋制的加熱溫度為1050～1150℃，燒好的鋼坯經(jīng)軋制機(jī)軋成魚尾板條鋼。軋制含鈮的魚尾板的工藝與普通碳素魚尾板相同，軋制中不會(huì)出現(xiàn)異常情況。
含鈮?mèng)~尾板條鋼按要求的定尺冷剪后裝爐加熱，加熱溫度為1140～1180℃?？偧訜釙r(shí)間為20分鐘。鋼坯出爐后及時(shí)沖孔。沖孔后進(jìn)行淬火。入水前的溫度應(yīng)控制在860～900℃，在水中停留時(shí)間為60秒，鋼件出水溫度應(yīng)控制在560～580℃。熱處理后的魚尾板，按普通碳素鋼魚尾板的工藝進(jìn)行冷矯打毛刺等即為成品。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，采用鈮做為單一的合金元素進(jìn)行合金化的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)可靠。合金系列簡(jiǎn)單，便于控制。合金元素用量少，鋼中只添加0.015～0.050%的鈮，并配合以相應(yīng)的熱處理制度就可使魚尾板的性能獲得明顯的提高，而生產(chǎn)成本只有很小的增加，鋼廠的效益為200元/噸，按年產(chǎn)4萬(wàn)噸算，年效益可達(dá)800萬(wàn)元。實(shí)施本發(fā)明無(wú)需特殊工藝，不需添置特殊設(shè)備，因而本發(fā)明便于在生產(chǎn)中得到應(yīng)用和推廣。
按本發(fā)明的方法生產(chǎn)出的含鈮?mèng)~尾板的綜合機(jī)械性能可達(dá)到世界先進(jìn)水平，即蘇聯(lián)魚尾板ΓOCT4133標(biāo)準(zhǔn)的水平σs≥530Mpa，σb≥845Mpa，δs≥10%，ψ≥30%，HB為235～388，冷彎α＝20°，d＝3a合格。本發(fā)明的魚尾板的性能比目前我國(guó)現(xiàn)行普通碳素鋼魚尾板的性能有明顯的提高。因此，如以YB354-63做為驗(yàn)收條件，合格率可達(dá)100%。由于該鋼的σb比普通碳素鋼魚尾板至少提高60Mpa，并且由于S.P分別降低0.005%，鋼質(zhì)得到進(jìn)一步凈化，使用壽命將有明顯提高，這將為用戶創(chuàng)造很大的社會(huì)效益。產(chǎn)量擴(kuò)大后，鐵道部將向國(guó)外出口。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是生產(chǎn)出50kg/m鋼軌用含鈮?mèng)~尾板150噸共二批產(chǎn)品，已分別在河南濟(jì)源鐵路處和沈陽(yáng)鐵路局進(jìn)行試驗(yàn)。產(chǎn)品的熔煉成分列于表3，機(jī)械性能列于表4。并與YB354-63和ΓOCT4133進(jìn)行了對(duì)比。從表4可以看出，本發(fā)明所提供的含鈮?mèng)~尾板，其性能比現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)YB354-63有明顯提高。比美、日、英等國(guó)標(biāo)準(zhǔn)也有很大提高，達(dá)到了目前世界魚尾板的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)ΓOCT-4133所規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種含鈮的鐵道用魚尾板鋼，其特征在于它的化學(xué)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.權(quán)利要求1所述的含鈮?mèng)~尾板鋼，其特征是碳的最佳含量是(%)0.50～0.57。
3.權(quán)利要求1所述的含鈮?mèng)~尾板鋼，其特征是錳的最佳含量是(%)0.65～0.80。
4.權(quán)利要求1所述的含鈮?mèng)~尾板鋼，其特征是鈮的最佳含量是(%)0.020～0.040。
5.權(quán)利要求1所述的含鈮?mèng)~尾板鋼，其特征是鋼水出鋼溫度應(yīng)控制在1600～1620℃之間。
6.權(quán)利要求1所述的含鈮?mèng)~尾板鋼，其特征在于鋼水傾入盛鋼桶三分之一時(shí)，按次加入Fe-Mn、Fe-Si和Al，鋁按300克/噸添加。鋁加完后，按鋼中鈮的化學(xué)成分要求，加入Fe-Nb，鈮的回收率按80%計(jì)算。
7.一種含鈮的鐵道用魚尾板鋼的熱處理制度，其特征在于魚尾板軋材加熱溫度為1140～1180℃;淬火溫度為860～900℃;自回火溫度為560～580℃。
8.權(quán)利要求7所述鐵道用魚尾板熱處理制度的淬火溫度，其特征在于淬火溫度最佳范圍為870～880℃。
9.權(quán)利要求7所述鐵道用魚尾板熱處理制度，其特征在于魚尾板在淬火介質(zhì)水中停留時(shí)間為60秒。
全文摘要
本發(fā)明技術(shù)屬于鐵道用含鈮高強(qiáng)度魚尾板鋼，其化學(xué)成分(％)為，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。其熱處理制度為魚尾板軋材加熱溫度為1140～1180℃；淬火溫度為860～890℃，最佳溫度為870～880℃；自身回火溫度為560～580℃。該發(fā)明合金含量低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品機(jī)械性能已達(dá)到目前世界先進(jìn)水平。
文檔編號(hào)E01B11/02GK1035682SQ8810125
公開日1989年9月20日 申請(qǐng)日期1988年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月8日
發(fā)明者周富智, 高洪適, 吳偉, 王澤林 申請(qǐng)人:鞍山鋼鐵公司, 鞍山鋼鐵公司鋼鐵研究所