一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢及其制造方法，钢的成分组成及质量百分含量：C：0.05～0.10%，Si：0.10～0.15%，Mn：0.10～0.50%，P：0.030～0.045%，S≤0.010%，Cr：0.15～1.00%，Ni：0.10～0.45%，Cu：0.15～0.35%，V：0.04～0.10%，Mo：0.10～0.40%，N：0.010～0.015%，Al≥0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质；制造方法包括转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、缓冷、加热和轧制、探伤工序。本发明专利技术生产的钢具有耐腐蚀性，可作铁路螺栓和道钉用钢，适用于隧道和雨水频繁等湿度较高的铁路区域。

Steel and manufacturing method of a corrosion resistant railway bolt and spike

【技术实现步骤摘要】
一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢及其制造方法
本专利技术属于冶金
，具体涉及一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢及其制造方法。
技术介绍
螺栓和道钉在铁路上主要用作铁轨与弹条或铁轨与木枕等部件的连接，其使用环境较为恶劣。受雨水冲刷、烈日曝晒、高温、粉尘穿透、外力振动等影响，尤其是隧道内阴湿环境下，安装后1～2年便开始锈蚀、磨损、产生缺陷，一般使用5年后需全部更换。一般采用Q235、20MnTiB等材质的圆钢经锻造等加工而成，本专利技术通过添加耐腐蚀元素，开发了一种耐腐蚀圆钢，可延长铁路螺栓和道钉的使用时间。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢；本专利技术还提供了一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢的制造方法。本专利技术克服了现有钢种的易腐蚀情况，经过中性盐雾试验后相对普通材料腐蚀率≤50%。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢，所述铁路螺栓和道钉用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.05～0.10%，Si：0.10～0.15%，Mn：0.10～0.50%，P：0.030～0.045%，S≤0.010%，Cr：0.15～1.00%，Ni：0.10～0.45%，Cu：0.15～0.35%，V：0.04～0.10%，Mo：0.10～0.40%，N：0.010～0.015%，Al≥0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质。本专利技术所述铁路螺栓和道钉用钢抗拉强度≥450MPa，屈服强度≥305MPa，断后延伸率≥30%，常温KV2≥200J，0℃KV2≥130J，-40℃KV2≥34J，盐雾试验后材料相对腐蚀率≤50%。本专利技术还提供了一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢的制造方法，所述方法包括转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、缓冷、加热和轧制、探伤工序；所述连铸工序，使用结晶器电磁搅拌。本专利技术所述转炉冶炼工序，铁水预处理后进行转炉冶炼，控制转炉终点C≤0.05%。本专利技术所述LF精炼工序，控制LF终渣FeO含量≤0.4%，FeO+MnO≤0.5%，C≤1%，控制钢中N：100～200ppm。本专利技术所述VD真空处理工序，控制VD真空度≤200Pa，真空时间10～20min。本专利技术所述连铸工序，在连铸过程中使用结晶器电磁搅拌，电磁搅拌电流150～300A，电磁搅拌频率3～10Hz。本专利技术所述缓冷工序，铸坯切割后迅速放入缓冷坑进行缓冷，入坑温度≥600℃，出坑温度≤200℃。本专利技术所述加热和轧制工序，加热温度1100～1250℃；控制开轧温度920～1000℃，终轧温度950～1050℃。本专利技术所述探伤工序，采用ET+UT探伤，ET探伤精度0.5×20mm，UT探伤精度为Φ0.5×12.7mm本专利技术各主要元素的作用及机理：考虑该材料一方面是要保证铁路使用的机械性能需求，另一方面还要提高其耐大气腐蚀的性能。因此，一方面要采用较低的C含量及一定的Ni、Mo、Al含量以提高其低温韧性，另一方面要加入一定的Mn、V、N以提高其强度，此外还要加入一定的Cr、Ni、Cu、P以提高其耐腐蚀性能。同时，还要在此成分体系的前提下，严格控制钢水的洁净度，降低夹杂物对材料的疲劳寿命的影响，并尽可能提高钢材成分的均匀性，控制成分偏析，以提高其性能的稳定性。合金元素对铁路螺栓和道钉用钢性能的影响：C：C是钢种的主要元素，它直接影响钢材的强度、韧性和塑性。随着C含量的提高，材料强度、硬度提高，韧性、塑性和耐大气腐蚀性下降。如果C含量过低，其强度、硬度、耐磨性下降，达不到铁路螺栓和道钉的设计要求。基于上述问题综合考虑，将C含量设计在0.05～0.10%。Si：Si是炼钢过程重要的脱氧剂和还原剂，其能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的强度和硬度，含Si钢在氧化气氛中受热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高材料在高温时的抗氧化性。但Si含量过高虽能提高钢的强度，但会降低钢的塑韧性，故将Si含量设计在0.10～0.15%范围内。Mn：Mn能提高钢的强度，且能与Fe无限固溶，在提高强度的同时对塑性的影响较小，故设计Mn含量在0.10～0.50%范围内。P：P的固溶强化及冷硬化作用很好，与Cu联合使用，可显著提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但过高的P含量将降低其低温韧性。基于上述原因综合考虑，将P含量设计在0.030～0.045%范围内。S：S在钢中主要是FeS、MnS的形式存在，可以明显提高钢切削加工性，但由于FeS和Fe可以形成低熔点的化合物，在加热至1000℃以上时FeS化合物过早熔化而导致钢的裂纹敏感性，故在铁路用螺栓和道钉用钢材料的专利技术中，设计S含量应不大于0.010%。Cr：Cr能提高钢的强度和耐磨性，而不使材料变脆，加入一定的Cr元素可使材料具有良好的抗大气腐蚀作用，故设计Cr含量在0.15～1.00%范围内。Ni：Ni能提高钢的强度、韧性和淬透性，同时还能大幅提高钢的低温冲击和耐腐蚀性能，同时还能消除Cu元素带来的裂纹敏感性；但Ni元素对白点特别敏感，尤其在潮湿腐蚀过程中将不可避免的使H元素渗入到钢中，故设计Ni含量为0.10～0.45%。Cu：Cu元素可大幅提高钢在大气中的耐腐蚀性能，特别是配合P使用。Cu含量控制在0.15～0.35%范围内，其耐腐蚀寿命为普通钢种的2～5倍。Mo：Mo在钢中可明显提高淬透性，提高钢的回火稳定性，提高钢的耐低温冲击性能，同时还能提高钢的耐H离子腐蚀性，特别适用于耐潮湿大气腐蚀的钢铁材料，但Mo为贵重合金，过高的Mo含量将使生产成本上升，故设计钢种的Mo含量为0.10～0.40%。V、N：V和N具有极强的亲和力，两者形成稳定的氮化钒化合物在晶界析出能够细化晶粒，增加回火稳定性和耐磨性，提高钢的强度、屈强比及低温性能，还能降低材料热处理时脱碳敏感性。但V、N含量在达到一定程度之后再提高，对强度的贡献将不再特别明显，故设计钢种的V含量在0.04～0.10%范围内，N含量在0.010～0.015%范围内。Al：Al元素是常用的脱氧元素，当作为合金化元素加入钢中时，可以明显细化晶粒，固定钢中的N，从而显著提高钢的冲击韧性，同时还能降低冷脆倾向和时效倾向性，与Mo、Cu、Si、Cr等元素配合使用，还能提高钢的耐腐蚀性能。但过高的Al含量将影响钢的热加工性能和切削加工性能，因而设计材料中的Al含量为不小于0.020%。钢中的夹杂物对铁路道钉和螺栓用钢的影响：铁路道钉和螺栓在服役过程中，会承受较为频繁的外力振动，在服役周期内偶尔会发生断裂现象，裂纹源往往出现在较大颗粒的夹杂物处。因而，对于铁路用道钉和螺栓，应严格控制炼钢工艺，降低钢中夹杂物的总量和尺寸。本专利技术生产工艺设定的理由：（1）炼钢工艺因材料需要控制较低且稳定的S含量，应当避免铁水中S含量的较大波动，故需要对铁水进行脱S预处理；材料中C含量较低，故要求转炉出钢C≤0.05%；材料中的夹杂物对其使用寿命有较大影响，应当提高钢水深脱氧效果，从而降低钢中的夹杂物数量，故要求LF终点渣中的FeO≤0.4%；同时因为性能要求，需要对材料进行V、N强化，故应在LF终点将N含量控制在100～200PPm；材料含Ni含Cr，对白点敏感，需要对钢水进行真空脱气，但还要保证一定的氮含量，因而需要对VD真空处理时的真空度和处理时间加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢，其特征在于，所述铁路螺栓和道钉用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.05～0.10%，Si：0.10～0.15%，Mn：0.10～0.50%，P：0.030～0.045%，S≤0.010%，Cr：0.15～1.00%，Ni：0.10～0.45%，Cu：0.15～0.35%，V：0.04～0.10%，Mo：0.10～0.40%，N：0.010～0.015%，Al≥0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢，其特征在于，所述铁路螺栓和道钉用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.05～0.10%，Si：0.10～0.15%，Mn：0.10～0.50%，P：0.030～0.045%，S≤0.010%，Cr：0.15～1.00%，Ni：0.10～0.45%，Cu：0.15～0.35%，V：0.04～0.10%，Mo：0.10～0.40%，N：0.010～0.015%，Al≥0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢，其特征在于，所述铁路螺栓和道钉用钢抗拉强度≥450MPa，屈服强度≥305MPa，断后延伸率≥30%，常温KV2≥200J，0℃KV2≥130J，-40℃KV2≥34J，盐雾试验后材料相对腐蚀率≤50%。3.基于权利要求1或2所述的一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢的制造方法，其特征在于，所述方法包括转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、缓冷、加热和轧制、探伤工序；所述连铸工序，使用结晶器电磁搅拌。4.根据权利要求3所述的一种耐腐蚀铁路螺栓和道钉用钢的制造方法，其特征在于，所述转炉冶炼工序，铁水预处理后进行转炉冶炼，控制转炉终点C≤0.05%。5.根据权利要求3所述的一种耐腐蚀铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军会，郭子强，丁辉，华祺年，杨进航，戴观文，席军良，阎岩，樊一丁，赵亮，王恭亮，刘建培，常鹏飞，赵华森，
申请(专利权)人：石家庄钢铁有限责任公司，
类型：发明
国别省市：河北,13