高铁道岔弹条扣件用钢及其制备方法与流程

本发明涉及高速铁路道岔弹条扣件用钢，具体而言是一种高铁道岔弹条扣件用钢及其制备方法，尤其涉及一种高强、高疲劳寿命的高铁道岔扣件用弹簧钢的成分设计和冶炼方法。

背景技术：

1、铁路用弹条扣件材料需要很高的强韧性，所以国内外经过几十年的使用经验积累，正逐步向轻量化、高应力、高可靠度弹簧材料方向发展。扣件弹簧的设计应力提高20％，其重量就能减少约25％。但是高强度弹簧钢国内制造水平与国际先进水平相比还存在较大差距，高应力弹簧的使用寿命还不到国际先进水平的一半，产品质量差距显著，弹簧钢种开发不能满足高强度的要求，产品仍需大量进口。为此，要开展高强弹簧钢合金成分的优化设计，实现髙品质弹簧钢材质质量的提升和稳定化生产，使产品使用寿命在现有基础上提高50％，大量替代进口。

2、资料显示，当前主要发达国家及发展中国家均建立了完善的弹簧钢国家标准，但是由于各国国民经济发展水平不一致或由于矿石资源限制，导致各国在弹簧钢品种上存在一定差别，如中国缺少铬(cr)矿，因此si-mn系弹簧钢得到开发和利用，而美国主要使用cr-mn系，较少使用si-mn系弹簧钢。德国与日本既有si-mn系，又有cr-mn系弹簧钢。此外，还有si-cr、cr-v、si-cr-v及b系等弹簧钢品种。

3、近年来各国的材料工作者以满足工业发展需求为宗旨，均长期致力于高强度弹簧钢的研宄与开发。日本在这方面研究开展的较早，1983年，日本神户制钢研究了si、cr、v、mo对性能的影响，同时考虑淬透性、脱碳敏感性要求。cr-v系韧性较好，但因强度不高，无法满足弹簧轻量化和小型化的要求，现己基本不用。si-cr系中的55sicra等除了用于制造设计应力980mpa以下的中档乘用车螺旋悬架弹簧和质量要求相对较高的离合器弹簧、刹车制动器弹簧、实心稳定杆和扭杆之外，还广泛用于制造中低档摩托车的气门簧、高档摩托车的减震簧、重要用途的机械簧和铁路扣件；si-cr-v系中的60si2crva用于制造设计应力1110mpa的乘用车螺旋悬架弹簧、高铁特殊位置弹簧件。己经工业化批量生产并用于汽车制造领域的国产弹簧钢线材品种主要有60si2mna、55sicra、55crmna和50crva，此外，还有处于研发、试生产中的55sicrva、60si2cra、60si2crva等。

4、在中国，受高速铁路技术发展的驱动，在2004年开始先后开发了d701、tta、40t、44t等一系列高强度弹簧钢，这些弹簧钢的成分设计均采用了降c增v的合金化思路，其抗拉强度均可达到1200mpa及以上。然而，由于弹簧是道岔弹扣件、连接列车车体和转向架等关键部件，直接影响车辆的运行安全和舒适性，因此，这些新钢种的开发均未得到实施应用，许多未能证明可行性。

5、除此以外，还必须要指出，影响弹簧钢性能的元素还包括材料的纯净度，均匀性、尺寸精度等。从冶炼生产方面考虑，必须要降低钢中的非金属夹杂物数量及尺寸，或进行夹杂物无害化处理；进一步降低p、s、as、sn、pb等有害元素及n、h、o等气体质量分数。在钢坯浇铸方面，考虑冷却工艺对元素偏析的影响，降低c、p、s等元素的偏析程度，提高组织、成分均匀性。在轧钢生产方面，要考虑外形尺寸的精确控制，并保持稳定还要考虑轧制工艺对组织与性能的影响，保证组织均匀、细化，进一步提高高强度弹簧钢的质量水平。通过一系列市场和技术调研，发现现阶段高铁扣件用钢以55simn弹簧钢的开发较为常规。

6、文献专利1(cn201210240788.4)cr-v系韧性较好，但因强度不高，其淬透性、脱碳敏感性不是太理想，无法满足弹簧轻量化和小型化的要求，现己基本不用，且添加稀土虽能对提升疲劳性能有一些作用，但增加了成本。

技术实现思路

1、根据上述技术问题，而提供高铁道岔弹条扣件用钢及其制备方法。本发明以微合金化的工艺手段细化材料晶粒，控制碳，残余元素磷、硫、钛等成分，提升材料冲击韧性，通过控制锰、铬、镍元素含量，提升材料强度，并配合控轧控冷工艺方法，以实现高速列车在道岔换道环境条件下，保证材料强度的同时，提升材料冲击韧性。。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、高铁道岔弹条扣件用钢，以质量百分比计，其化学成分配比为：

4、c：0.55～0.70％、si：0.20～0.50％、mn：0.85～1.0％、cr：0.7～0.9％、ni：0.03～0.10％、nb：0.015～0.035％、ca：0.0001～0.001％、mg：0.00005～0.0010％、p：≤0.010％、s：≤0.005％、o：≤0.0005％、n：0.03～0.010％、b：0.005～0.01％，其余为fe和其他不可避免微量元素。

5、所述弹条用钢将碳含量控制在0.55～0.70％范围内，通过降低si含量和合理c含量既能保证钢具有一定的强度，又能在一定程度上避免高的碳含量对钢的韧性、塑性产生的不利影响。本发明优选碳含量范围0.55～0.70％。

6、si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂；硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。si还是促进石墨化元素，会增加钢的脱碳倾向含量，不宜含量过高，控制在0.5％以内。

7、mn含量控制在0.85～1.0％之间。mn能提高钢的悴透性，含量过低悴透性不够，含量过高会降低钢的韧性。mn还能提高钢的强度，研究表明，mn增加0.3％提高的强度相当于c增加0.1％所提高的强度。本发明优选mn含量范围0.85～1.00％。

8、利用了nb和al的微合金化，其中nb的含量为0.015～0.035wt％，al的含量为0.025～0.045wt％；更具体的，nb的含量为0.018wt％、0.020wt％、0.023wt％、0.025wt％、0.028wt％、0.030wt％或0.032wt％，al的含量为0.027wt％、0.029wt％、0.032wt％、0.035wt％、0.038wt％、0.040wt％或0.042wt％。nb在钢中以碳化物和氧化物微粒形式存在时，主要目的是细化晶粒，提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度；al在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。细化晶粒可以同时提升材料强度和塑性，改善冲击韧性。nb、al不在控制范围，容易导致低温冲击不合格，强度低于标准要求。

9、cr含量为0.7～0.9％。cr能提高钢的悴透性，同时cr是强碳化物形成元素，能防止石墨化，减轻钢的脱碳倾向。但是过高的cr含量将降低钢的抗弹减性。

10、添加b为了改善晶界强度，提高延迟断裂强度；

11、添加ni为了防止腐蚀，提高腐蚀疲劳强度。

12、磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低；特别是在低温时，它使钢材显著变脆，因此控制p含量越低越好。硫是钢中的一种有害元素，一般以硫化铁(fes)的形态存在于钢中，降低钢的延展性和韧性。p能在钢液凝固时形成微观偏析，在奥氏体化加热时p偏析在奥氏体晶界上以致晶界脆化，从而增大钢的脆性，故p含量控制:≤0.010％。s也能像p一样脆化奥氏体晶界，同时s还能形成mns夹杂，影响钢的疲劳性能，故将钢中s含量控制在0.005％以下。

13、从冶炼生产方面考虑，必须要降低钢中的非金属夹杂物数量及尺寸，或进行夹杂物无害化处理；进一步降低p、s、as、sn、pb等有害元素及h、o等气体质量分数。在钢坯浇铸方面，考虑冷却工艺对元素偏析的影响，降低p、s等元素的偏析程度，提高组织、成分均匀性，进一步提高高强度扣件弹簧钢的质量水平。ca是钢液净化剂和夹杂物变性剂。弹簧钢中ca主要用来对夹杂物进行变性处理，从而提高钢的疲劳性能。钢中ca含量控制在0.0001～0.001％范围之内。

14、本发明还公开了一种高铁道岔弹条扣件用钢的制备方法，包括如下步骤：

15、a)将原料进行电炉冶炼，冶炼至1665～1690℃时向炉中加入碳粉，出钢，得到钢水；出钢过程中加入渣料，所述渣料包括石灰和钢包精炼渣；石灰的加入量为7.0～7.8kg/t钢；钢包精炼渣的加入量为2.5～2.8kg/t钢；钢包精炼渣为al2o3基精炼渣，其中，al2o3的含量为78.0wt％～84.0wt％。碳粉的加入量为2.5～3kg/t钢。

16、b)将所述钢水进行vd真空处理，得到脱氧钢液；所述脱氧钢液的温度为1480～1500℃；vd真空处理末期对钢水成分进行微调及进一步合金化，补充损耗的元素含量；真空处理结束后对钢液向钢液中喂入硅钙线进行钙处理，达到深脱氧的目的；所述vd真空处理包括：

17、所述钢水入vd工位的温度为1580～1610℃，通入惰性气体并控制惰性气体流量为20nl/min，在3～5min内抽真空至真空度达到67pa；增大惰性气体流量至60～70nl/min，在1～3min内使真空度达到6.7pa；继续增加惰性气体流量至170～180nl/min，保持15～25min后，调整惰性气体流量至20nl/min并破空，所述vd真空处理的总时间为20～30min；所述惰性气体为氩气。

18、c)将所述脱氧钢液进行lf炉精炼和合金化后，得到合金钢液；

19、先向所述脱氧钢液中加入al线后，再转入lf炉中进行lf炉精炼，所述al线的直径为8mm，加入量为1.5～2m/t钢；

20、所述lf炉精炼过程中加入石灰、钢包精炼渣和碳粉；加入的石灰量为4.5～4.8kg/t钢，钢包精炼渣量为2.5～2.8kg/t钢，碳粉量为2.5kg/t钢。取样时所得炉渣变白形成白渣时，所述白渣保持时间≥15min，脱氧钢液温度为1480～1500℃时，调整加入ni、cr、b等合金元素，补充步骤a)～步骤c)中损失的ni、cr和b。进行所述合金化的温度为1520～1540℃；

21、d)将所述合金液进行吊包浇注，轧制，得到高铁道岔弹条扣件用弹簧钢。所述吊包的温度为1445～1455℃。

22、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、取消电炉预还原、增加vd过程脱氧、脱硫功能后，冶炼效率可大幅提升10％-20％左右；取消电炉预还原造渣过程、大幅减少高价脱氧剂铝的用量后可使顿钢冶炼成本降低60-100元/t钢左右；b类夹杂小于等于1.0级的比例比传统工艺可提高15％左右。

24、基于上述理由本发明可在高速铁路道岔弹条扣件等领域广泛推广。