一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法与流程

本发明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。

背景技术：
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。

技术实现要素：
基于上述技术背景，本发明提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料、钢轨及其制备方法，本发明的含稀土La元素的纳米贝氏体材料具有高强韧性，同时，含有本发明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，即本发明的钢轨具有优良强韧性配比。本发明提供一种含稀土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％。在本发明中，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。本发明的发明人经过深入微观结构观察，发现在本发明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，使本发明的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。本发明中添加稀土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铁素体板条；稀土会促进贝氏体板条内位错的生成；稀土会影响残余奥氏体数量及其形貌；稀土在贝氏体钢中可起到变质夹杂物及净化晶界等作用，上述列举的稀土作用使本发明中纳米贝氏体材料以及由该纳米贝氏体材料制成的钢轨即使不添加昂贵合金Ni元素，也能保证抗拉强度不低于1500MPa，室温下的冲击功不低于80J，硬度可达480HB，同时兼具优异的耐磨性、抗疲劳性能及硬度。进一步地，本发明所述的含稀土La元素的纳米贝氏体材料的镧La的含量为0.0090％-0.015％。此时，所获得的纳米贝氏体材料力学性能最佳。进一步地，本发明所述的含稀土La元素的纳米贝氏体材料中，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％，这样由该纳米贝氏体材料制成的钢为纯净钢，能够保证更多的稀土固溶于纯净的纳米贝氏体钢中，其微合金化作用更加明显和稳定。本发明提供一种含稀土La元素的纳米贝氏体材料的制备方法，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％-0.30％，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：3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％；以及精炼步骤，对于元素添加后得到的所述材料组织进行真空脱气处理。进一步地，在所述含稀土La元素的纳米贝氏体材料的制备方法中，在所述元素添加步骤中，所述镧La的含量为0.0090％-0.015％。进一步地，在所述含稀土La元素的纳米贝氏体材料的制备方法中，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％。本发明另一方面提供了一种含稀土La元素的纳米贝氏体的钢轨，利用上述的含稀土La元素的高强韧性纳米贝氏体材料而制成。本发明另一方面提供了一种含稀土La元素的高强韧性纳米贝氏体材料的钢轨的制备方法，利用上述含稀土La元素的高强韧性纳米贝氏体材料的制备方法制成。本发明纳米贝氏体材料以及钢轨的制备方法中，合金设计特点是利用稀土与合金元素的这种优势互补作用及稀土自身在贝氏体钢中的独特作用，降低合金成本，且稀土的抑制再结晶作用可提高终轧温度至960℃-980℃的较宽范围，使钢轨在工业化生产中更容易实现本发明采用的分阶段控制冷却工艺，省去繁杂的热处理工艺，提高了本发明钢种的生产工艺适应性。本发明制造成本低廉、工艺简单，便于大规模生产，同时利于节能减排，可实现资源的经济型和可循环利用性。附图说明本发明将结合以下附图进行详细描述，其中：图1是本发明提供的钢轨成分实施例5的连续冷却转变曲线。图2是本发明提供的钢轨成分实施例5的冷却工艺曲线。图3是本发明提供的钢轨成分实施例5的贝氏体板条透射电镜照片。图4是本发明提供的钢轨成分实施例5的微观亚结构透射电镜照片。图5是本发明提供的钢轨成分对比例3的渗碳体透射电镜照片。具体实施方式为获得本发明的所述产品，本发明在无碳化物贝氏体成分设计基础上，在纳米贝氏体材料中加入稀土La元素，主要化学元素含量及生产工艺应满足以下要求：C：0.18％-0.30％，Mn：1.4％-1.8％，Si：0.8％-1.0％，Cr≤1.0％，Mo：0.25％-0.32％，La：0.0050％-0.015％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Cu：≤0.10％，Al：≤0.02％，其余为Fe及不可避免的杂质，并满足3.0％≤Mn+Si+Cr+Mo≤3.82％，以下详细说明本发明所述纳米贝氏体材料主要化学元素限制在上述范围的原因：C：C含量过高，不利于形成贝氏体组织；为使少量C全部固溶，防止碳化物析出，同时又能够获得良好的塑韧性及焊接性能，本发明纳米贝氏体材料中C含量限定在0.18％-0.30％。Mn：纳米贝氏体材料中Mn元素压低Bs点，提高贝氏体空冷淬透性，易得到细小的板条贝氏体，纳米贝氏体材料的强韧性好；但Mn含量过高易产...