一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法，其中，纳米贝氏体材料的化学成分以重量百分比计为：碳C：0.18％‑0.30％，锰Mn：1.4％‑1.8％，硅Si：0.8％‑1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25％‑0.32％，镧La：0.0050％‑0.015％，其余为铁Fe及杂质，合金元素锰、硅、铬和钼的总量满足关系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。通过采用成分多元微合金化原则，添加稀土La，利用稀土La与价格低廉的Mn、Cr、Si合金元素共同增强淬透性的作用，提高强化效果，并且不添加昂贵合金Ni，使本发明专利技术所述的纳米贝氏体材料以及钢轨获得优良的强韧性能。

A La containing rare earth elements of Namibe's material, steel and preparation method thereof

The invention relates to a rare earth containing La elements of Namibe's rail material, and a preparation method thereof, wherein, the chemical composition of Namibe's bulk materials by weight percentage: C:0.18% 0.30% Mn:1.4% carbon, manganese 1.8%, silicon Si:0.8% chromium 1%, Cr 1%, Mo:0.25% 0.32% Mo, La La:0.0050% 0.015%, the rest is Fe and total iron impurities, satisfy the relation of alloying elements Mn, Si, Cr and Mo: 3% = Mn+Si+Cr+Mo = 3.82%. By using the composition of multi alloying principle, adding La, Mn, Cr, Si alloy with rare earth elements La and low price together enhance hardenability effect, improve the strengthening effect, and does not add the expensive alloy Ni, the Namibe's body material and obtain excellent properties of strength and toughness of steel rail.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法，尤其涉及含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法。
技术介绍
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1500MPa)，其成分特色是钢中加入Mn、Cr、Mo、Ni等合金，提高贝氏体空冷淬透性，抑制碳化物析出，使C固溶，这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。但是随着强度的不断增加，贝氏体钢轨的韧性略显不足，以及环境中的氢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，强度与韧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以及环境的保护。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韧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。公开号为CN1916195的专利申请提供一种超高强度超低碳贝氏体钢的制备方法、公开号为CN255949的专利申请提供一种具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨、公开号为CN510156的专利申请提供一种抗磨损、高强韧性准贝氏体钢轨及其制造方法，上述申请都描述了一般的低碳贝氏体钢轨用钢，虽然合金元素Si、Mn、Cr、Mo含量低，但贝氏体的形成需要在较高温度下发生长时间转变，增加了生产环节及生产成本，而且钢的强度不是很高；公开号为CN103451556A的专利中用提高碳含量固溶强化来提高强度，也不能达到最佳的强化效果。公开号为CN103243275B的专利申请提供了一种钢轨用贝氏体/马氏体/奥氏体复相高强钢的制备方法，其金相组织中含有马氏体，如果钢轨矫后残余应力大，易使钢轨在使用中造成开裂；钢中贝氏体体积分数仅为20-50％，并未细述其优势；而且为稳定这种复相钢组织，消除残余应力，还要将钢坯在200-350℃下保温6-60小时进行回火稳定化处理，并且少量不稳定的残余奥氏体还是有可能发生马氏体化。公开号为CN102899471A、CN103160736A的专利申请提供了贝氏体钢轨的热处理方法，不仅使生产工序繁杂，控制不当还会造成杂质元素在晶界偏聚，残余奥氏体发生分解，析出碳化物，反而会使韧性不利，且钢轨的特殊断面形状并不适合采用回火热处理来提高韧性。公开号为CN101586216B、CN101921971B等的专利申请所提供的钢轨都未对组织形态进行描述，因为贝氏体组织形态千差万别，会使贝氏体钢轨具有不同的强韧性水平，尤其是贝氏体钢轨组织中应避免大块M-A岛、不稳定残余奥氏体，否则易诱发马氏体相变，增加钢轨对氢元素及非金属夹杂的敏感性，降低钢轨性能，特别是韧性，导致钢轨在使用出现安全隐患。公开号为CN101613830B的专利申请介绍了一种热轧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Nb、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，降低冲击韧性。公开号为CN102899471A、CN103160736A、CN104087852A、CN102936700A的专利申请中，所述贝氏体钢轨组织均属于粗晶或微晶尺度，未达到纳米晶尺度，所谓的超细贝氏体钢轨的板条厚度也都在100nm以上，而且也未涉及板条内的超细亚结构对强韧性能的贡献，那么相应的钢轨性能潜力就未得到充分的挖掘。公开号为CN101624683B的专利申请介绍了一种超高强度贝氏体钢轨用钢及其制造方法，虽然为纳米超细组织，但并未详细说明其贝氏体板条尺寸及细化原因。总而言之，上述专利所涉及贝氏体钢轨中存在以下各种技术问题：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韧性、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；这些因素大大限制了贝氏体钢轨的推广应用。不断提高的冶炼技术水平使钢的洁净度越来越高，稀土在洁净钢中的微合金化作用被发现和采纳。但是目前针对稀土在含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。
技术实现思路
基于上述技术背景，本专利技术提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法，本专利技术的含稀土La元素的纳米贝氏体材料具有高强韧性，同时，含有本专利技术的纳米贝氏体材料的钢轨的组织为带有微孪晶板条及高密度位错的纳米级贝氏体精细板条，即本专利技术的钢轨具有优良强韧性配比。本专利技术提供一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料，其化学成分以重量百分比计为：碳C：0.18％-0.30％，锰Mn：1.4-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25％-0.32％，镧La：0.0050％-0.015％，其余为铁Fe及杂质，满足关系：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。在本专利技术中，在纳米贝氏体材料中加入稀土La元素，La能够增强Mn、Cr、Mo等合金元素的淬透性，大大提高强化效果。本专利技术的专利技术人经过深入微观结构观察，发现在本专利技术贝氏体铁素体板条内部存在两种亚结构：2-5nm的超细孪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，这对贝氏体材料的高强韧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，这与稀土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钝化，大大改善韧性；因稀土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，使本专利技术的RA机械稳定性强，外力作用下不易诱发马氏体转变，保证了在铁轨中使用纳米贝氏体材料时的可靠性及安全性。本专利技术中添加稀土La后，稀土La不仅能够有效提高钢的淬透性，提高强化效果，还能得到如下效果：在轧制过程中稀土会抑制再结晶、细化晶粒；贝氏体形核及其长大过程中稀土会细化贝氏体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料，其特征在于：所述纳米贝氏体材料的化学成分以重量百分比计为：碳C：0.18％‑0.30％，锰Mn：1.4％‑1.8％，硅Si：0.8％‑1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25％‑0.32％，镧La：0.0050％‑0.015％，其余为铁Fe及杂质，合金元素锰、硅、铬和钼的总量满足关系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。

【技术特征摘要】
1.一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料，其特征在于：所述纳米贝氏体
材料的化学成分以重量百分比计为：碳C：0.18％-0.30％，锰Mn：
1.4％-1.8％，硅Si：0.8％-1.0％，铬Cr≤1.0％，钼Mo：0.25％-0.32％，
镧La：0.0050％-0.015％，其余为铁Fe及杂质，合金元素锰、硅、铬和
钼的总量满足关系式：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％。
2.根据权利要求1所述的含稀土La元素的纳米贝氏体材料，其特征在于：
所述镧La的含量为0.0090％-0.015％。
3.根据权利要求1或者2所述的含稀土La元素的纳米贝氏体材料，其特
征在于：所述纳米贝氏体材料中含有的磷P、硫S、铜Cu以及铝Al的
含量以重量百分比计为：磷P≤0.015％，硫S≤0.008％，铜Cu≤0.10％，
铝Al≤0.02％。
4.一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料的制备方法，其特征在于，包括：
脱氧脱硫步骤，对所述纳米贝氏体材料的基体进行脱氧脱硫，以便得到
纯净的材料组织；
元素添加步骤，在得到的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％-0.3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，包喜荣，田仲良，陈林，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15