一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法及轨道用钢

摘要

本发明实施例提供的一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法及轨道用钢，包括对待处理轨道用钢进行第一热处理，使待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒；对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行第二热处理，使形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中生成贝氏体组织；对生成贝氏体组织的待处理轨道用钢进行第三热处理，使待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒，得到目标轨道用钢。通过上述方法，本发明实施例提高了轨道用钢整体的机械性能。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道用钢制造领域，特别涉及一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法及轨道用钢。

背景技术

贝氏体钢具有比珠光体钢更优异的耐磨性和韧性，比高锰钢更高的强度，以及适当的韧性和硬度，而表现出优异的抗滚动接触疲劳性能和耐磨损性能，使其成为制造铁路轨道，包括钢轨和辙叉的优异备选材料之一。

相关技术中，用于轨道钢的贝氏体轨道用钢的制造工艺通常采用空冷冷却，或者在通过吹风连续冷却等，获得粒状贝氏体+板条贝氏体复合组织，或者贝氏体加马氏体的复合组织，组织中通常含有较高含量的大尺寸块状残余奥氏体，导致整体组织的韧性降低，相应的机械性能稳定性也随之降低。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

发明的目的在于提供一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法及轨道用钢，以提高轨道用钢的组织和性能的稳定性。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法，包括：

对待处理轨道用钢进行第一热处理，使所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒；

对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中生成贝氏体组织；

对生成贝氏体组织的待处理轨道用钢进行第三热处理，使所述待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒，得到目标轨道用钢。

可优选的是，所述对待处理轨道用钢进行第一热处理，使所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒的步骤中包括：

对所述待处理轨道用钢进行奥氏体化处理，得到经奥氏体化处理后的待处理轨道用钢；

并以第一冷却速度对所述奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至至第一预设温度，而后进行第一保温或第一慢冷直至所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒；其中，所述第一冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述第一预设温度为500℃至650℃。

可优选的是，所述进行第一慢冷直至所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒的步骤中包括：

以第一慢冷速度冷却所述待处理轨道用钢至第二预设温度；其中，所述第一慢冷速度为0.05℃/s～0.2℃/s，所述第二预设温度为400℃～550℃。

可优选的是，所述对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道钢中生成贝氏体组织的步骤中包括；

以第二冷却速度对形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行冷却至贝氏体转变预备温度；其中，第二冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述贝氏体转变预备温度为Ms+5℃～Ms+10℃，Ms为马氏体转变的起始温度。

可优选的是，所述对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒后的待处理轨道钢中生成贝氏体组织的步骤中还包括：

在所述贝氏体转变预备温度下，进行第二慢冷直至形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中完成贝氏体组织转变。

可优选的是，所述进行第二慢冷直至形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中完成贝氏体组织转变的步骤中包括：

以第二慢冷速度冷却形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢至第三预设温度；其中，所述第二慢冷速度为0.001℃/s～0.1℃/s，所述第三预设温度为Ms-20℃～Ms-100℃。

可优选的是，所述对生成贝氏体组织的待处理轨道用钢进行第三热处理的步骤中包括：

快速加热所述贝氏体组织的待处理轨道用钢至预设析出温度，而后进行第三保温或第三慢冷直至所述待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒；其中，所述快速加热的加热速度为1℃/s～100℃/s，所述预设析出温度为450℃～550℃，所述第三保温的保温时间为5s～600s，所述第三慢冷速度小于0.2℃/s。

可优选的是，所述得到目标轨道用钢的步骤之后还包括：

对所述目标轨道用钢进行回火处理；其中，所述回火处理时的回火温度为200℃～360℃，所述回火处理时的保温时间为1h～30h。

可优选的是，所述待处理轨道用钢的成分以质量百分比计如下：C：0.22-0.30，Mn：1.0-1.8，Al：0.4-1.0，Si：1.5-Al，Cr：0.8-1.3，Mo+Ni：<0.6，V+Nb+B：0.06-0.20，P<0.02，S<0.02，余量为Fe。

本发明还提供了一种轨道用钢，采用上述所述的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法进行处理待处理轨道用钢得到。

可优选的是，所述轨道用钢所获得的贝氏体铁素体板条平均厚度小于200nm，残余奥氏体总体积分数为5％～15％，其中块状残余奥氏体含量占总残余奥氏体含量的比例小于30％。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例提供的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法，通过在第一热处理中，使待处理轨道用钢中析出纳米级碳氮化钒，并在形成贝氏体组织后，在第三热处理，使待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒。从而，基于第一热处理中形成纳米级碳氮化钒，使得第二热处理中增加了贝氏体的形核点，细化贝氏体尺寸、增加贝氏体束间错配度，同时减小块状残余奥氏体的尺寸，提高超细贝氏体轨道用钢的韧性；同时，基于第三热处理的贝氏体组织中析出碳氮化钒，在碳氮化钒起到析出强化效果的同时，降低贝氏体铁素体内的过饱和碳含量，使其实现自韧化，从而提高了轨道用钢整体的机械性能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法的步骤流程图；

图2为本发明具体示例超细贝氏体轨道钢的组织结构。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

如背景技术所述，现有的贝氏体轨道用钢的制造工艺通常采用空冷冷却，或者在通过吹风连续冷却等，获得粒状贝氏体+板条贝氏体复合组织，或者贝氏体加马氏体的复合组织，组织中通常含有较高含量的块状残余奥氏体，导致整体组织的韧性降低，相应的机械性能稳定性也随之降低。

有鉴于此，本发明实施例首先提供了一种超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法，该方法包括：

步骤S101：对待处理轨道用钢进行第一热处理，使所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒。

步骤S102：对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中生成贝氏体组织。

步骤S103：对生成贝氏体组织的待处理轨道钢进行第三热处理，使所述待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒，得到目标轨道用钢。

本发明实施例提供的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法，通过在第一热处理中，使待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒，并在形成贝氏体组织后，在第三热处理，使待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出纳米级碳氮化钒。从而，基于第一热处理中形成纳米级碳氮化钒，使得第二热处理中提高贝氏体的形核点，细化贝氏体尺寸、增加贝氏体束间错配度，同时减小块状残余奥氏体的尺寸，提高超细贝氏体轨道用钢韧性；同时，基于第三热处理的贝氏体组织中析出碳氮化钒，在碳氮化钒起到析出强化效果的同时，降低贝氏体铁素体内的碳含量，使其实现自韧化，从而提高了轨道用钢整体的机械性能。

下面将结合本发明实施例中的附图1和附图2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在步骤S101中，对待处理轨道用钢进行第一热处理，使所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒。具体的，为使得待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒，采用第一热处理工艺对待处理轨道用钢进行第一热处理，以便待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒，便于后续工艺中使用。其中，待处理轨道用钢可以为本发明实施例中待处理的轨道用钢，待处理轨道用钢，例如可以为铁路钢轨用钢、辙叉用钢等，优选可以为轨道轨道用钢制成的轨道钢零件，本发明在此不做具体的限定。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述超细贝氏体轨道用钢的组织和性能稳定方法可以针对所述待处理轨道用钢的表层进行处理，所述表层为所述待处理轨道用钢的表面至所述待处理轨道用钢的内部1～30mm厚度的部分。

在步骤S102中，对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中生成贝氏体组织。具体的，基于待处理轨道用钢中形成的纳米级碳氮化钒，对其进行第二热处理，使得形成纳米级碳氮化钒后的待处理轨道用钢中生成贝氏体组织。在第二热处理中，基于纳米级碳氮化钒，使得第二热处理中提高贝氏体的形核点，使得第二热处理中提高贝氏体的形核点，增加贝氏体束间错配度，同时减小块状残余奥氏体的尺寸，提高超细贝氏体钢韧性。

在步骤S103中，对生成贝氏体组织的待处理轨道钢进行第三热处理，使所述待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒，得到目标轨道用钢。具体的，基于待处理轨道用钢中生成的贝氏体组织，对其进行第三热处理，使得待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒。基于第三热处理的贝氏体组织中析出碳氮化钒，在碳氮化钒起到析出强化效果的同时，降低贝氏体铁素体内的碳含量，使其实现自韧化，从而提高了轨道用钢整体的机械性能。

在一个可选的示例中，所述对待处理轨道用钢进行第一热处理，使所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒的步骤中包括：

对所述待处理轨道用钢进行奥氏体化处理，得到经奥氏体化处理后的待处理轨道用钢；

并以第一冷却速度对所述奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却至第一预设温度，而后进行第一保温或第一慢冷直至所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒；其中，所述第一冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述第一预设温度为500℃至650℃。具体的，首先对待处理轨道用钢进行奥氏体化处理，得到奥氏体化处理后的待处理轨道用钢，便于对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却及冷却后处理。进一步的，通过以0.3℃/s～20℃/s的第一冷却速度对奥氏体化处理后的待处理轨道用钢进行冷却，使第一预设温度达到500℃至650℃，接着通过第一保温或第一慢冷的方式进行进一步的处理；其中，奥氏体化处理时的加热温度为890℃-950℃，奥氏体化处理时的保温时间为0.5h～2h。纳米级碳氮化钒析出温度可以基于待处理轨道用钢的成分算出，本发明在此不做赘述。

需要说明的是，第一冷却速度可以理解为一个快冷的过程，通过快冷过程，可以使得待处理轨道用钢能够在不发生组织变化的前提下尽快到达使纳米级碳氮化钒析出的温度。

在一个可选的示例中，所述进行第一慢冷直至所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒的步骤中包括：

以第一慢冷速度冷却所述待处理轨道用钢至第二预设温度；其中，所述第一慢冷速度为0.05℃/s～0.2℃/s，所述第二预设温度为400℃～550℃。具体的，当进行第一慢冷直至所述待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒时，是以0.05℃/s～0.2℃/s的第一慢冷速度对待处理轨道用钢进行冷却第二预设温度，使得第二预设温度达到400℃～550℃。

需要说明的是，与第一冷却速度相比，第一慢冷速度可以理解为一个慢冷的过程，通过慢冷过程，可以使得待处理轨道用钢能够在该温度条件下充分发生组织变化，从而提高组织性能。

还需要说明的是，在使得经奥氏体化处理后的待处理轨道用钢中形成纳米级碳氮化钒时，还可以直接进行保温处理，具体通过第一保温方式，其中，第一保温的保温温度为奥氏体化处理时的加热温度，进一步的，第一保温的保温温度可以为890℃-950℃，第一保温的保温时间可根据实际情况选择，本发明在此不做限制。

在一个可选的示例中，所述对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道钢中生成贝氏体组织的步骤中包括：

以第二冷却速度对形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢进行冷却至贝氏体转变预备温度；其中，所述第二冷却速度为0.3℃/s～20℃/s，所述贝氏体转变预备温度为Ms+5℃～Ms+10℃，Ms为马氏体转变的起始温度。具体的，通过使待处理轨道用钢冷却降温至贝氏体转变预备温度，以实现待处理轨道用钢的贝氏体转变。相应的，为避免待处理轨道用钢的中的组织发生过多不可预知的变化，0.3℃/s～20℃/s的第二冷却速度可以理解为一个快冷的冷却速度。贝氏体转变预备温度为Ms+5℃～Ms+10℃，可以理解的是，该温度下为待处理轨道用钢即将进行组织转变的临界温度。

在一个可选的示例中，所述对形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道钢进行第二热处理，使形成所述纳米级碳氮化钒后的待处理轨道钢中生成贝氏体组织的步骤中还包括：

在所述贝氏体转变预备温度下，进行第二慢冷直至形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中完成贝氏体组织转变。具体的，在贝氏体转变预备温度下，通过慢冷工艺，使得形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢在该温度条件下充分完成贝氏体组织转变。其中，慢冷指的是，冷却速度小于0.2℃/s。

进一步的，当进行第二慢冷直至形成所述纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢中完成贝氏体组织转变时，以第二慢冷速度冷却所述形成纳米级碳氮化钒的待处理轨道用钢至第三预设温度；其中，所述第二慢冷速度为0.001℃/s～0.1℃/s，所述第三预设温度为Ms-20℃～Ms-100℃。

在一个可选的示例中，所述对生成贝氏体组织的待处理轨道钢进行第三热处理的步骤中包括：

快速加热所述贝氏体组织的待处理轨道用钢至预设析出温度，而后进行第三保温或第三慢冷直至所述待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒；其中，所述快速加热的加热速度为1℃/s～100℃/s，所述预设析出温度为450℃～550℃，所述第三保温的保温时间为5s～600s，所述第三慢冷速度小于0.2℃/s。具体的，通过对生成贝氏体组织的待处理轨道用钢进行快速加热，使得温度达到预设析出温度，接着采用第三保温或第三慢冷的方式，使得待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒。需要说明的是，预设析出温度小于第一热处理中奥氏体化处理时的加热温度，进一步的，快速加热的加热速度为1℃/s～100℃/s，预设析出温度可以为450℃～550℃，第三保温的保温时间为5s～600s或者预设析出温度为450℃～550℃，第三慢冷速度小于0.2℃/s情况下，使得待处理轨道用钢中的贝氏体组织中可以更好地析出碳氮化钒。其中，第三保温的保温温度可以理解为预设析出温度。

需要理解的是，通过使待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出碳氮化钒，在碳氮化钒起到析出强化效果(即提高了轨道用钢的强度)的同时，降低贝氏体铁素体内的碳含量，使其实现自韧化(即提高了钢材料的的韧性)。需要说明的是，第三热处理中析出的碳氮化钒也可以为纳米级碳氮化钒。

在一个可选的示例中，所述得到目标轨道用钢的步骤之后还包括：

对所述目标轨道用钢进行回火处理；其中，所述回火处理时的回火温度为为200℃～360℃，所述回火处理时的保温时间为1h～30h。具体的，在得到目标轨道用钢之后，对其进行回火处理，进一步的，回火处理时的回火温度为为200℃～360℃，回火处理时的保温时间为1h～30h，在回火处理的回火温度和回火时间下，可以使得目标轨道用钢的机械性能更加稳定。

在一个可选的示例中，所述待处理轨道用钢的成分以质量百分比计如下：C：0.22-0.30，Mn：1.0-1.8，Al：0.4-1.0，Si：1.5-Al，Cr：0.8-1.3，Mo+Ni：<0.6，V+Nb+B：0.06-0.20，P<0.02，S<0.02，余量为Fe。具体的，该待处理轨道用钢除Fe以外的成分以质量百分比计包括C：0.22-0.30，Mn：1.0-1.8，Al：0.4-1.0，Si：1.5-Al，Cr：0.8-1.3，Mo+Ni：<0.6，V+Nb+B：0.06-0.20，P<0.02，S<0.02。处于上述成分及含量下的待处理轨道用钢，在依次经第一热处理、第二热处理及第三热处理后，使待处理轨道用钢中的贝氏体组织中析出级碳氮化钒，得到目标轨道用钢，使得目标轨道用钢的机械性能更加稳定。此外，基于待处理轨道用钢的成分可以计算出碳氮化钒析出温度，具体可参考现有技术进行理解，本发明对此不做赘述。

需要说明的是，本发明实施例所述超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法中，涉及的冷却及慢冷均可以采用吹风冷却和/或多次水浴冷却的方式进行冷却处理，具体可根据实际情况进行选择，本发明对此不做任何限制。此外，本发明实施例中涉及的加热，均可以采用火焰加热和/或感应加热或电阻加热的方式进行加热处理，具体可根据实际情况进行选择，本发明对此不做任何限制。

可以看出，本发明实施例采用多阶段控制冷却，使得待处理轨道用钢的组织结构得到有效控制，通过第一热处理中，使得待处理轨道用钢中得以析出纳米尺寸的碳氮化钒V(C,N)，使其在贝氏体转变过程提高贝氏体的形核点，增加贝氏体束间错配度，同时减小块状残余奥氏体的尺寸，有利于超细贝氏体钢韧性的提高；通过贝氏体转变过程中的冷却控制，得到超细贝氏体组织；通过在贝氏体组织中析出碳氮化钒的过程中的短时高温保温处理，进一步使得在贝氏体铁素体内析出V(C,N)，在起到析出强化效果的同时，降低贝氏体铁素体内的碳含量，使其实现自韧化；同时，也可以进一步提高残余奥氏体中的碳含量，提高其稳定性。通过多阶段的连续组织转变控制，实现超细贝氏体组织中残余奥氏体的稳定性提升，贝氏体铁素体中固溶过饱和碳含量降低，趋于平衡态，稳定性也进一步提升。

另外，本发明技术中的冷却过程可采用风冷、多阶段水冷，或风-雾冷却等方式进行，避免了盐浴中淬火，从而避免了对环境的污染。

为便于说明，本发明进一步提供1个具体的示例。

示例：采用一种超细贝氏体轨道钢，主要化学成分质量百分数为，C：0.25、Si：0.90、Mn：1.70、Cr：0.90、Mo：0.20、Ni：0.10、Al：0.60、V：0.15、Nb：0.03、B：0.003，P：0.01，S:0.01。对应的钢的Ms温度为345℃。对加工成轨道形状的零件进行热处理，奥氏体化温度为930℃，保温80分钟后，采用风冷，以冷速1.5℃/s的速度冷却至620℃，随后以0.06℃/s的速度缓冷至480℃，进一步，以1℃/s的冷速冷却至350℃，进一步，以0.005℃/s的冷速冷却至300℃，进一步，以50℃/s的加热速度加热至480℃，保温30s后空冷至室温，最后在310℃回火2h。经过该方法处理后轨道钢中的组织如图2所示，其中贝氏体铁素体板条平均厚度为160nm，残余奥氏体含量为12％，其中块状残余奥氏体含量为2％，轨道钢的屈服强度为1050MPa，抗拉强度1310MPa，延伸率17％，室温冲击功AKU2为105J，-40℃下冲击功为65J。

本实施例中，通过多阶段的控制冷却及快速加热短时保温处理，提高了贝氏体钢组织的整体稳定性，提高了其综合性能。

在本发明的另一实施例中，还提供了一种轨道用钢，采用上述所述的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法进行处理待处理轨道用钢得到。其中，采用上述实施例提供的超细贝氏体轨道钢的组织和性能稳定方法进行处理，可以使得所述轨道用钢所获得的贝氏体铁素体板条平均厚度小于200nm，残余奥氏体总体积分数为5％～15％，其中块状残余奥氏体含量占总残余奥氏体含量的比例小于30％。

需要说明的是，在本发明中，具体的数值范围中，端点值同样包括在本发明的范围之内。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。