一种低成本高韧性轨道交通机车零件用16MnDR钢及其生产方法与流程

本发明属于钢铁，具体涉及一种低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢及其生产方法。

背景技术：

1、随着我国经济建设高质量发展，向低成本、高效化、节约型、长寿化方向发展已成为我国未来制造业的发展趋势。16mndr产品已不仅用作低温压力容器用钢、还开始应用于制作轨道交通机车车辆底盘零件，加工后用在近40多种汽车零件上。

2、用16mndr钢板制作低温压力容器的生产方法已有报道，而生产的16mndr钢棒加工机车零件用钢却鲜有报道。同时，该轨道交通用16mndr钢材协议要求在-40℃环境下的低温冲击功≥80j的和正火后的铁素体晶粒度≥7.0的使用要求，目前现有技术水平是加入一定量的v、并加入ni、nb、ti等元素来细化晶粒。如中国专利cn102605241a公开了一种正火型16mndr低温压力容器钢板及其制造方法，加入较多的钒氮合金，v按0.050～0.070％控制；如中国专利cn110468326a公开了一种lng储罐用超薄规格16mndr钢板及其制造方法，加入大量的ni合金，ni按0.10～0.30％控制等，造成了较高的ni合金成本；同时，其它钢厂在生产该钢种均采用铸坯缓冷后，采用钢坯冷送入炉加热轧制的生产工艺，额外增加了能源消耗、同时影响了生产效率，提高了市场成本。可见，现有生产16mndr连铸圆坯的生产方法存在以下缺陷；1)该钢种的合金成分设计加入了v、ni、nb、ti等贵重合金，且合金质量百分比较大，造成了成本的上升；2)大断面16mndr圆形连铸铸坯采用堆冷或入坑缓冷后送轧，冷坯入炉加热轧制需要较长的升温加热时间，一般圆坯入轧钢加热炉加热时间需要7～8h，增加了煤气消耗，造成燃气成本增加，同时降低生产效率；3)若成分设计不合理，加热轧制及正火工艺不当，造成铁素体晶粒度级别低，对应的强度指标低，无法满足客户使用要求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢及其生产方法，所述16mndr钢具备低成本、强度高、低温冲击韧性好等综合性能，能够作为轨道交通机车零件用钢使用，能完全满足客户使用要求。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、一种低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢，包括以下重量百分比的化学成分：c0.16-0.20％，si0.25～0.45％，mn1.35～1.50％，v0.025～0.040％，nb0.010～0.020％，p≤0.015％，s≤0.010％，n0.0060～0.0080％，其余为fe和不可避免的杂质。

4、进一步地，优选为包括以下重量百分比的化学成分：c0.17-0.19％，si0.25～0.30％，mn1.40～1.45％，v0.025～0.30％，nb0.010～0.015％，p≤0.012％，s≤0.008％，n0.0065～0.0075％，其余为fe和不可避免的杂质。

5、所述16mndr钢的金相组织为铁素体和珠光体。

6、所述16mndr钢的抗拉强度480-600mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥25％；-40℃温度下，纵向冲击吸收能量kv2≥120j；且正火后的16mndr钢的铁素体晶粒度级别在7.0级以上。

7、本发明还提供了所述的低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：转炉冶炼→lf精炼→rh真空处理→连铸→加热→轧制→正火处理。

8、进一步地，所述转炉冶炼步骤中，出钢时向钢包中加入硅锰、低碳锰铁、钒氮合金、铝块，并喂铝线，加入石灰和化渣剂。

9、所述lf精炼步骤中，精炼过程全程吹氩，加入白灰、化渣剂控制碱度在4.0～6.0，，s≤0.005％，方可上rh炉抽真空。

10、所述rh真空处理步骤中，在≤100pa的高真空度下的保持时间≥12min；提升气体≥1000nm3/min，rh破空软吹前喂纯钙线，喂线后有效软吹时间≥15min；环流结束后定氢按h含量小于1.5ppm控制。

11、所述连铸步骤中，钢液全程保护浇铸，连铸中间包温度1525～1545℃，连铸过程拉速0.26～0.30m/min，优选为0.26m/min，确保铸坯在矫直段温度≥900℃，避开700-880℃的第二类脆性温度区间、减少a1n、v(c，n)、nb(c，n)等质点在该温度区间内的晶界析出、降低钢的塑性，避免裂纹的产生。。

12、所述连铸步骤中，连铸成直径的圆坯，圆坯进矫直段的温度在915～930℃。

13、所述加热步骤中，铸坯热装入炉，入炉温度控制在600℃以上；加热炉预热段温度850～1100℃、加热段1100～1200℃、温度均热温度为1150～1200℃，坯料在炉加热保温时间为5～7h；出加热炉后进行水除鳞。

14、所述轧制步骤中，开轧温度为1080～1120℃，经开坯和连轧后，轧材需保证终轧温度≥920℃进行入坑缓冷。

15、所述正火处理步骤中，正火温度为900℃～920℃，保温时间为d×1.5min，其中，d为钢棒直径，单位为mm。

16、本发明提供的低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢的成分中，各成分作用及控制如下：

17、c：是确保16mndr钢强度所必须的元素，c与fe在钢中形成fe3c的渗碳体结构，因此，c可以有效提高钢的强度、降低合金成本。但过高的c含量影响钢的延性、韧性，降低低温冲击韧性。本发明控制碳含量为0.16-0.20％，优选为0.17～0.19％。

18、si：为脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度，但si含量较高时会造成韧性下降。本发明si含量控制为0.25-0.45％，优选为0.25～0.30％。

19、mn：为固溶强化元素，可提高钢的屈服强度和抗拉强度，同时也能提高钢的淬透性，较高的锰含量降低钢的焊接性能，且造成合金成本增加；本发明中，将mn含量控制在1.35～1.50％，优选为1.40～1.45％。

20、v：v易与钢中的c、v元素结合形成v(c/n)析出物，起析出强化的作用，同时可阻止奥氏体和铁素体晶粒长大来细化晶粒，但钒氮合金属于贵金属，加入过多则造成性能过剩和成本浪费，本发明中，将v元素含量控制在0.025～0.040％，优选为0.025～0.030％。

21、nb：铌在钢中主要发挥的是细晶强化和弥散强化作用，微量的铌即可与钢中的碳、氮生成稳定的碳化物和碳氮化物，而且还可以使碳化物分散并形成细晶粒钢，提高钢的强韧性。本发明中，将nb元素含量控制在0.010～0.020％，优选为0.010～0.015％。

22、n：奥氏体形成元素、可与v结合形成细小弥散的氮化钒析出，可起到细化晶粒和强化作用,提高强度，但n含量过高易增加钢的脆性；本发明中，将n含量控制在n0.0060～0.0080％，优选为n0.0065～0.0075％。

23、p、s：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢板的韧性特别是心部的韧性和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制p≤0.012％、s≤0.008％。

24、本发明通过合理的合金成分设计，通过采用铌钒复合、提高碳含量，将碳含量设计在0.17～0.19％，在保证一定塑性的前提下、提高了钢的强度，利于合金成本降低；同时取消ni、ti元素的加入，将v、nb含量设计低于同行业水平、v设计为0.025～0.040％、nb设计为0.010～0.020％；增加钢中n含量，将n含量控制在60～80ppm，确保v(c，n)的析出强化以及nb(c，n)的细晶强化作用，共同提高钢的机械性能，同时降低了合金成本。

25、本发明提供的低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢的生产方法中，在连铸步骤中，采用低过热度和一定的拉速浇铸，确保铸坯进拉矫直段的温度≥900℃，避开700-880℃的第二类脆性温度区间、减少a1n、v(c，n)、nb(c，n)等质点在该温度区间内的晶界析出、降低钢的塑性，可有效避免铸坯裂纹的产生，避免轧材表面裂纹，提高轧材质量和成材率；采用钢坯热送热装轧制技术，有效降低了钢坯的加热时间、节约燃气消耗，降低能耗成本，同时该钢种中含裂纹敏感性元素v、nb，通过热装可减少冷装入炉后炉温升高快速升高造成的铸坯裂纹萌生，且热装工艺通过高温加热，钢坯的晶粒可以得到更好的成形和重塑，因此较冷装工艺具有较高的强度和韧性；采用合适的正火热处理工艺，可使钢完全奥氏体化将得到更多细晶组织，该方法生产的16mndr钢具有低成本、高强度、高低温冲击韧性等综合性能优异的轨道交通机车零件用钢，产品完全满足客户使用要求。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、本发明提供的低成本高韧性轨道交通机车零件用16mndr钢在-40℃的低温冲击韧性达到120j以上，远高于客户使用标准要求的≥80j，同时强度指标优于标准gb3531-2014要求。

28、本发明采用提碳的铌钒复合的成分设计结合红热钢坯热装入炉轧制技术，取消了ni、ti等贵重合金的配入，适当添加nb增加冲击韧性基础上，以及提高氮含量的配入，降低了钢中的锰、钒成分的质量百分含量，保证了钢的强度和塑性，同时降低能耗成本。该发明技术生产的16mndr轨道交通机车零件用钢具有强度高、塑性好，且节约生产成本，提高了企业经济效益。