专利名称：一种弹簧钢及其制造和热处理方法
技术领域：
本发明属黑色金属材料制造加工技术领域，具体地说，涉及冶金行业一种弹簧钢及其制造方法，该弹簧钢可用于制造高速铁路轨道扣件。
背景技术：
国内的高速铁路提速前，列车时速为120-180公里/小时，铁路轨道扣件的弹簧钢以高碳的化学成分设计为主，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%，其制造工艺通常为初炼一LF精炼(高碱度渣、铝脱氧)—VD精炼一连铸一加热一轧制一检测一合格入库一用户使用采用热卷簧成型一采用油淬火、油回火进行调质处理，这种弹簧钢具有一定的强度 (抗拉强度彡1600Mpa)、韧性及塑性(断面收缩率彡30% )0现代钢轨扣件系统为能适应高速化、环保化、省力化和可调化四大基本准则，正在向着低刚度、长寿命、低成本及其相互协调的技术方向发展。铁路提速后，列车时速提高到350公里/小时，其对铁路轨道扣件用的弹簧钢提出了严格的要求，具体涉及机械性能 (抗拉强度彡1200Mpa、断面收缩率彡35%，热轧态的断面收缩率彡52% )，钢中非金属夹杂物的组成、分布、形状、数量(K3 ( 30)，残余元素(P < 0.010%、SS 0.010%、气体含量 (
( 12ppm)，脱碳层1.0% D)，显微组织及其均勻性(石墨碳含量应小于等于1. 5 级)，晶粒度O 7级)，表面质量(表面缺陷< 0. IOmm)等。相比之下，传统的铁路扣件用弹簧钢材料及制造方法尚存在以下不足之处(1)碳含量高(0. 56 0. 64% C)，钢材强度高(抗拉强度彡1600Mpa)、韧性及塑性低(断面收缩率>30%)；(2)传统的弹簧钢的冶炼采用铝脱氧、高碱度渣真空精炼技术，钢中的脆性夹杂物 Al2O3不易于上浮去除，并且气体含量较高；(3)由于碳含量高，钢材在轧制及热加工过程中脱碳敏感性强，脱碳层厚(1.5% D)，扣件使用过程中疲劳寿命低；(4)由于传统的弹簧钢的碳含量高为0. 54-0. 64%，钢材硬，用户在使用过程中需采用加热后热成型，同时由于碳含量高，淬火和回火过程热应力大，如果采用水介质，会引起钢材的应力裂纹，必须采用油淬火、油回火，增加工序及能耗，生产效率低。由此可见，为适应我国铁路跨越式发展，有必要开发可用于制造高速铁路轨道用扣件的弹簧钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹簧钢，其可以冷成型的加工方法制造高速铁路轨道扣件。本发明的另一个目的在于提供上述弹簧钢的一种制造方法。本发明的另一个目的在于提供上述弹簧钢的一种调质热处理方法，其可以使上述弹簧钢的屈服强度(Rm)≥lOOOMPa，抗拉强度(RpO. 2)≥1200MPa，延伸率(A)≥6%，断面收缩率(Z) ≥30%，满足高速铁路轨道的扣件要求。本发明所提供的弹簧钢，其成分质量百分比为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%，余量为！^和不可避免的杂质。优选地，所述弹簧钢的成分满足C 0.；35 0.45%、Si 1. 5 2. 3 %、MnO. 50 1. 0% 以及 Cr 0. 10 0. 50%。优选地，所述弹簧钢的成分满足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%。本发明所提供的上述弹簧钢的制造方法包括(1)初炼、精炼和连铸浇注，所述精炼采用Si脱氧；(2)加热、控制轧制和控制冷却，所述加热的均热温度950 1000°C，保温时间彡2小时，钢坯出炉温度950 1000°C，阴阳面温差彡40°C,所述控制轧制中轧机进口温度为800 860°C，所述控制冷却的冷却速度为40 80°C /h。优选地，步骤(1)的初炼在电弧炉中进行，出钢条件为T彡1620[P] ^ 0. 010% 和[C]彡 0. 05%。优选地，步骤(1)的精炼为钢包精炼，其中加入SWe粉和/或SiC粉脱氧，所有成分满足要求后开始吊包。优选地，步骤(1)中浇注出160X 160mm2 320X425mm2断面尺寸的连铸坯，浇注速度为0. 60 2. 80m/min，连铸坯在冷床上快冷至900°C，然后缓冷，缓冷时间> 36小时。优选地，在步骤O)的控制轧制前有一个高压除鳞步骤。优选地，在步骤O)中轧制成盘条。本发明所提供的上述弹簧钢的调质热处理方法包括850 910°C水淬和 400 620°C 回火。优选地，淬火以250 350°C /min的速度冷却至20 30°C。优选地，回火以150 200°C /min的速度冷却至20 30°C。本发明采用低C高Si的解决方案，既避免了碳含量高对钢的韧、塑性产生不利影响，又使得该弹簧钢经过适当的热处理后，在获得高强度的同时获得较高的韧性和塑性，将碳含量控制在较低范围内，提高弹簧钢的韧性，而提高强度的任务则依靠Si，Cr等其它元素来实现。较高的Si含量能够提高钢的强度和抗弹减性，以弥补C含量低造成的对钢强度的不利影响。Mn含量为0. 3 1. 5%，Mn可显著提高钢的淬透性，但对韧性不利不宜过高。Cr可提高钢的淬透性，同时由于Cr是强碳化物形成元素，对于减轻脱碳倾向，防止石墨化有利，Cr含量为0. 1 1.0%，使得弹簧钢的淬透层能够控制在合理的范围内。Ni也可提高钢的淬透性，另外，Ni的加热可以使得钢的抗脱C性大大改善，由于Ni
4资源比较匮乏，对于小截面弹簧钢可不添加，Ni含量控制在以下。P、S和Cu是钢中的杂质，控制P彡0. 010%, S ^ 0. 010%, Cu ( 0. 15%，钢材材
质纯净。本发明具有以下优点(1)化学成分设计在C、Si、Mn、Cr、Ni的设计上，合理配比，钢材具有良好的强
度-柔韧性配合；(2)化学成分设计在P、S的要求高，钢材纯净度高；(3)在成分设计上，碳含量低，脱碳敏感性弱；(4)冶炼采用硅脱氧、低碱度渣真空精炼技术，生产一种完全不存在富含Al、Ti夹杂物的超纯净度钢，使夹杂物组成呈低熔点、低硬度状态，减少或避免钢中脆性夹杂物的形成，使钢中夹杂物形态呈塑性状态，由于钢中夹杂物同基体钢有较好的接触，不易于形成微裂纹，使钢材的韧塑性、疲劳寿命得到提高；(5)疲劳寿命高，大于600万次；(6)用户使用过程中冷成型能力强，不需热成型，减少工序及能耗，生产效率高；(7)采用水淬代替油淬，符合环保要求。
具体实施例方式本发明将在下面通过实施例进行说明，应当注意的是，这些实施例仅仅是示范性的，不对本发明构成任何限制。弹簧钢的制备实施例和对比例化学成分见表1，其制备过程如下第一步，电弧炉冶炼-钢包精炼-连铸浇注在60吨的电弧炉中进行钢液初炼；60吨的钢包精炼；连铸浇注；生产出 90 X 90mm2 360 X 360mm2断面尺寸的合格连铸坯(1)初炼炉料选用低P、S废钢、切头及优质生铁；合金需准备低碳铬、低碳锰等；还原剂电石、碳粉、结晶硅等；氧化期勤流渣去P，脱碳量> 0. 30% ；出钢条件 T彡1620°C, [P] ^ 0. 008%, [C]彡0.05%。出钢后期加入适量的石灰或合成渣。(2)精炼电炉出钢1/3时，钢包加入渣料，渣料配比按渣碱度2. 5 3控制。根据实际脱硫情况，可均情调整渣碱度。加热工位采用Si-Fe粉及SiC粉脱氧，分批加入，根据渣况及钢中硅含量情况调整加入量及加入批次，一般每间隔15分钟加入一批，用量0. 5 lkg/t，使精炼过程要始终保持脱氧良好。在钢包进入真空脱气前定氧，根据氧活度情况加入硅铁，加入量按成品硅含量要求中限配加，并结合定氧值，判断脱氧效果，决定是否再进行硅量调整。保证
^ 0. 0025%, [H] < 0.00015%;所有成分进入优化要求的范围内开始吊包。(3)连铸浇注钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度 (35°C。中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，以合理的速度，浇注出160X160mm2 320X425mm2断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的锭型尺寸浇注速度为0. 60 2. SOm/min。合格连铸坯在冷床上快冷至900°C，进缓冷坑缓冷，缓冷时间为> 36小时。
第二步盘条轧制采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的连铸坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品盘条，工艺要点(1)加热炉加热工艺均热温度950 1000°C，加热保温时间彡2小时，钢坯出炉温度950 1000°C，阴阳面温差彡400C ；(2)控制轧制工艺加热均勻的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机，KOCKS进口温度800 8600C ；(3)控冷工艺轧成盘条后在线缓冷，保温罩全部关闭，冷却速度40 80°C /h。实施例和对比例的力学性能见表2，其中力学性能根据GB/T 228(金属材料室温拉伸试验方法)检测。弹簧钢的热处理将钢材定尺落料后，冷成型，在850 910°C水淬和400 620°C回火，实施例和对比例的热处理工艺和力学性能详见表3，其中力学性能根据GB/T228(金属材料室温拉伸试验方法)检测。疲劳寿命的检测根据《高速铁路扣件零部件制造验收暂行技术条件》的要求，在疲劳实验机上，采用振幅2. 5mm,进行疲劳实验，实施例和对比例的检测结果见表4。表1实施例和对比例的化学成分
权利要求
1.一种弹簧钢，其成分质量百分比为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%，余量为!^e和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢的成分满足CO.35 0. 45%、 Si 1. 5 2. 3%,Mn 0. 50 1. 0% 以及 Cr 0. 10 0. 50%。
3.如权利要求1或2所述的弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢的成分满足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.如权利要求1-3任何一项所述的弹簧钢的制备方法，包括(1)初炼、精炼和连铸浇注，所述精炼采用Si脱氧；(2)加热、控制轧制和控制冷却，所述加热的均热温度950 1000°C，保温时间彡2小时，钢坯出炉温度950 1000°C， 阴阳面温差彡40°C，所述控制轧制中轧机进口温度为800 860°C，所述控制冷却的冷却速度为40 80°C /h。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)的初炼在电弧炉中进行，出钢条件为 T 彡 1620 0C > [P]彡 0. 008% 和[C]彡 0. 05%。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤(1)的精炼为钢包精炼，其中加入 SiFe粉和/或SiC粉脱氧，所有成分满足要求后开始吊包。
7.如权利要求4-6任何一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中浇注出 160 X 160mm2 320 X 4250mm2断面尺寸的连铸坯，浇注速度为0. 60 2. 80m/min,连铸坯在冷床上快冷至900°C，然后缓冷，缓冷时间> 36小时。
8.如权利要求4-7任何一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)的控制轧制前有一个高压除鳞步骤。
9.如权利要求4-8任何一项所述的方法，其特征在于，步骤O)中轧制成盘条。
10.如权利要求1-3任何一项所述的弹簧钢的热处理方法，包括850 910°C水淬和 400 620°C回火。
11.如权利要求10所述的弹簧钢的热处理方法，其特征在于，淬火以250 350°C/min 的速度冷却至20 30°C。
12.如权利要求10或11所述的弹簧钢的热处理方法，其特征在于，回火以150 2000C /min的速度冷却至20 30°C。
全文摘要
本发明公开了一种弹簧钢，其成分质量百分比为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％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述弹簧钢可以冷成型的加工方法制造高速铁路轨道扣件。本发明还公开了所述弹簧钢的一种制造和热处理方法，其可以使上述弹簧钢的屈服强度(Rm)≥1000MPa，抗拉强度(Rp0.2)≥1200MPa，延伸率(A)≥6％，断面收缩率(Z)≥30％，满足高速铁路轨道的扣件要求。
文档编号C22C38/42GK102162068SQ201010110889
公开日2011年8月24日 申请日期2010年2月21日 优先权日2010年2月21日
发明者张建平, 张成名, 王凯, 顾文俊, 马宝国 申请人:宝山钢铁股份有限公司