一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板及其生产方法 【技术领域】
本发明涉及钢铁材料及其生产方法， 具体属于机车车头用钢板及其生产方法。背景技术 随着我国铁路运输高速、 重载的发展， 为了达到列车的要求速度， 在机车制造上对 钢材的强韧化指标要求越来越高， 而且机车车头的生产主要与国外企业合作， 机车车头用 钢一直以进口为主， 随着生产规模的扩大， 国产化的的需求也越来越迫切。
由于我国南北温差较大， 为保证机车运行的安全性， 对钢板低温韧性要求在 -50℃ 时具有良好的冲击韧性， 比我国常用 E 级别钢板 -40 ℃的要求更严格， 达到了低温用钢的 要求。对于此类钢板， 我国中厚板厂通过传统的控轧控冷或控轧控冷 + 正火工艺仅能生产 40mm 厚以下钢板， 40mm 以上超厚钢板， 只能通过控轧控冷 + 调质处理工艺生产。 控轧控冷 + 调质处理工艺导致钢板成分设计时需要加入提高淬透性的合金元素， 使得钢板在成分和工 艺上的成本大幅提高， 市场难以接受。
发明内容 本发明的目的是针对目前在机车车头用钢方面存在的不足， 提供一种钢板厚度规 格在 40 ～ 65 毫米、 并具有较高的强度、 良好的低温韧性及优良的焊接性能的机车车头用钢 板及其生产方法。
实现上述目的的技术措施 ：
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.11 ～ 0.26、 Si ： 0.66 ～ 1.00、 Mn ： 1.25 ～ 2.20、 P： ≤ 0.025、 S： ≤ 0.010、 Ni ： 0.05 ～ 0.30、 Al ： 0.015 ～ 0.080、 Nb ： 0.062 ～ 0.12， 余量为 Fe 及不可避免的杂质。
其特征在于 ： Ni 的重量百分比优选范围为 ： 0.10 ～ 0.30。
其特征在于 ： Ni 的重量百分比优选范围还为 ： 0.15 ～ 0.25。
其特征在于 ： Al 的重量百分比优选范围为 ： 0.02 ～ 0.07。
其特征在于 ： Al 的重量百分比优选范围还为 ： 0.03 ～ 0.05。
其特征在于 ： Nb 的重量百分比优选范围为 ： 0.07 ～ 0.10。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：
1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 280 ～ 360℃， 预热 时间为 ： 25 ～ 40 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 840 ～ 910℃， 加热时间为 ： 40 ～ 60 分 钟； 进行第三次加热， 其加热温度控制为 ： 1140 ～ 1250℃， 加热时间控制为 ： 45 ～ 65 分钟 ；
3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1150 ～ 1240℃， 时间 45 ～ 65 分钟 ；
4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1120 ～ 1220℃， 终轧温度控制 在 1040 ～ 1080℃， 累计压下率 70 ～ 90％， 道次压下率 15 ～ 30％ ； 精轧阶段， 其开轧温度 控制在 920 ～ 980℃， 终轧温度控制在 780 ～ 880℃， 后三道次累计压下率 60 ～ 90％ ；
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 10 ～ 20 ℃ / 秒， 冷却到 560 ～ 6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 870 ～ 930℃， 正火时间 ： 板厚 ×0.8 ～ 1.0 分钟 /650℃ ；
毫米。 本发明的主要合金元素含量基于以下原理 ：
C 是提高钢强度最经济有效的合金元素， 但过高会显著恶化钢的焊接性能， 本发明 C 含量的设计与生产工艺相结合， 控制 C 含量为 0.11 ～ 0.26％。
合金元素 Si 可通过固溶强化提高钢的强度， 本发明钢中的 Si 含量设计为 0.66 ～ 1.00％。
钢中添加 Mn， 不仅可以通过 Mn 的固溶强化提高钢的强度， 而且可降低钢的相变温 度， 细化晶粒， 提高钢的低温韧性， 本发明钢 Mn 含量设计为 1.25 ～ 2.20％。
P 是低合金钢中的杂质元素之一， 当焊接金属凝固时， P 促进低熔点夹杂物的生 成， 既易产生高温裂纹， 又增加低温裂纹敏感性， 使焊缝的延展性和韧性变坏， 而且含 P 量 高， 使钢具有较明显的冷脆倾向。本发明钢中的 P 含量控制较低水平， P 含量≤ 0.025％。
S 是钢中的有害元素， 生成的硫化物夹杂严重影响钢的力学性能， 因此应尽量降低 钢中的 S 含量， 使其含量在 0.010％以下。
Ni 能提高钢的低温韧性， 本发明钢要求具有良好的低温韧性， 本发明钢通过添加 适当的 Ni 来提高钢的低温韧性， Ni 含量控制在 0.05 ～ 0.30％。
Nb 是最主要的微合金元素之一， 在本发明钢中起沉淀强化和细化晶粒的作用， 通 过沉淀强化保证本发明钢正火处理后具有高的强度， 细化晶粒是提高钢韧性的最有效技术 途径之一， 本发明钢通过添加微合金元素 Nb， 有效细化晶粒提高钢的低温韧性， 本发明钢中 Nb 含量设计为 0.062 ～ 0.12％。
Al 在钢中的一般作用是作为脱氧剂， 在本发明中， Al 的作用主要是生成氧化铝细 化晶粒， 提高钢的低温韧性， Al 含量设计为 0.015 ～ 0.080％。
本发明具有以下特点 ：
(1) 本发明钢通过廉价的 C、 Mn 元素和微合金化技术产生细化晶粒和沉淀强化作 用保证钢板的强度， 避免了大量添加合金元素， 节省了成本。
(2) 通过控轧控冷 + 正火工艺， 相对控轧控冷 + 调质工艺节省了工艺成本 ；
(3) 本发明钢具有良好低温韧性机车车头用超厚钢板的力学性能优异， 屈服强度 ≥ 420MPa， 抗张强度≥ 520MPa， 延伸率≥ 20％， -50℃ V 型缺口夏比冲击功≥ 100J， 同时具 有成本低廉的特点。
具体实施方式
下面做进一步描述 ：
实施例 1
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.11、 Si ： 0.92、 Mn ： 2.14、 P： 0.022、 S： 0.008、 Ni ： 0.05、 Al ： 0.015、 Nb ： 0.062， 余量为 Fe 及 不可避免的杂质。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 280 ～ 290℃， 预热 时间为 ： 25 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 840 ～ 850℃， 加热时间为 ： 40 分钟 ； 进行第三 次加热， 其加热温度控制为 ： 1140 ～ 1150℃， 加热时间控制为 ： 45 分钟 ；
3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1150 ～ 1160℃， 时间 45 分钟 ；
4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1120 ～ 1130℃， 终轧温度控制 在 1040 ～ 1046℃， 累计压下率 70％， 道次压下率 15％； 精轧阶段， 其开轧温度控制在 920 ～ 925℃， 终轧温度控制在 780 ～ 785℃， 后三道次累计压下率 60％ ； 轧制的钢板厚度为 45 毫 米。
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 5℃ / 秒， 冷却到 580℃ ；
6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 870 ～ 880℃， 正火时间 ： 45 毫米 ( 板厚 )×0.8 分 钟 / 毫米＝ 36 分钟。
实施例 2
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.127、 Si ： 0.66、 Mn ： 1.80、 P： 0.018、 S： 0.005、 Ni ： 0.10、 Al ： 0.021、 Nb ： 0.07， 余量为 Fe 及 不可避免的杂质。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：
1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 295 ～ 305℃， 预热 时间为 ： 36 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 860 ～ 870℃， 加热时间为 ： 45 分钟 ； 进行第三 次加热， 其加热温度控制为 ： 1160 ～ 1166℃， 加热时间控制为 ： 50 分钟 ；
3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1170 ～ 1178℃， 时间 51 分钟 ；
4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1135 ～ 1140℃， 终轧温度控制 在 1050 ～ 1060℃， 累计压下率 78％， 道次压下率 20％； 精轧阶段， 其开轧温度控制在 935 ～ 940℃， 终轧温度控制在 790 ～ 795℃， 后三道次累计压下率 72％ ； 轧制的钢板厚度为 50 毫 米。
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 7℃ / 秒， 冷却到 595℃ ；
6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 880 ～ 885℃， 正火时间 ： 50 毫米 ( 板厚 )×0.8 分 钟 / 毫米＝ 40 分钟。
实施例 3
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.151、 Si ： 0.77、 Mn ： 1.25、 P： 0.017、 S： 0.005、 Ni ： 0.19、 Al ： 0.043、 Nb ： 0.086， 余量为 Fe 及 不可避免的杂质。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：
1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 340 ～ 350℃， 预热 时间为 ： 38 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 880 ～ 890℃， 加热时间为 ： 50 分钟 ； 进行第三 次加热， 其加热温度控制为 ： 1210 ～ 1230℃， 加热时间控制为 ： 58 分钟 ；
3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1200 ～ 1210℃， 时间 60 分钟 ；4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1195 ～ 1205℃， 终轧温度控制 在 1055 ～ 1065℃， 累计压下率 85％， 道次压下率 25％； 精轧阶段， 其开轧温度控制在 955 ～ 965℃， 终轧温度控制在 850 ～ 860℃， 后三道次累计压下率 85％ ； 轧制的钢板厚度为 55 毫 米。
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 9℃ / 秒， 冷却到 645℃ ；
6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 895 ～ 905℃， 正火时间 ： 55 毫米 ( 板厚 )×0.9 分 钟 / 毫米＝ 50 分钟。
实施例 4
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.26、 Si ： 0.86、 Mn ： 1.98、 P： 0.017、 S： 0.005、 Ni ： 0.25、 Al ： 0.056、 Nb ： 0.12， 余量为 Fe 及不 可避免的杂质。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：
1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 355 ～ 360℃， 预热 时间为 ： 40 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 900 ～ 910℃， 加热时间为 ： 60 分钟 ； 进行第三 次加热， 其加热温度控制为 ： 1240 ～ 1250℃， 加热时间控制为 ： 65 分钟 ； 3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1230 ～ 1240℃， 时间 65 分钟 ；
4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1210 ～ 1220℃， 终轧温度控制 在 1070 ～ 1080℃， 累计压下率 90％， 道次压下率 30％； 精轧阶段， 其开轧温度控制在 970 ～ 980℃， 终轧温度控制在 870 ～ 880℃， 后三道次累计压下率 89％ ； 轧制的钢板厚度为 60 毫 米。
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 10℃ / 秒， 冷却到 660℃ ；
6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 920 ～ 930℃， 正火时间 ： 60 毫米 ( 板厚 )×1 分钟 / 毫米＝ 60 分钟。
实施例 5
一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板， 其化学成分及重量百分比为 ： C： 0.22、 Si ： 1.0、 Mn ： 2.2、 P： 0.017、 S： 0.005、 Ni ： 0.30、 Al ： 0.08、 Nb ： 0.10， 余量为 Fe 及不可 避免的杂质。
生产一种具有良好低温韧性的机车车头用钢板的方法， 其步骤 ：
1) 按照洁净钢的冶炼工艺进行冶炼并浇注成坯 ；
2) 对铸坯分三段进行加热 ： 首先进行预热， 其预热温度控制在 335 ～ 345℃， 预热 时间为 ： 34 分钟 ； 进行再加热， 其温度控制为 ： 880 ～ 890℃， 加热时间为 ： 55 分钟 ； 进行第三 次加热， 其加热温度控制为 ： 1215 ～ 1225℃， 加热时间控制为 ： 62 分钟 ；
3) 进行均热， 其均热温度控制为 ： 1210 ～ 1220℃， 时间 60 分钟 ；
4) 分两段进行轧制 ： 粗轧阶段， 其开轧温度控制在 1200 ～ 1210℃， 终轧温度控制 在 1055 ～ 1065℃， 累计压下率 85％， 道次压下率 25％； 精轧阶段， 其开轧温度控制在 955 ～ 965℃， 终轧温度控制在 850 ～ 860℃， 后三道次累计压下率 90％ ； 轧制的钢板厚度为 60 毫 米。
5) 采用冷却水进行层流冷却 ： 冷却速度控制为 ： 9℃ / 秒， 冷却到 650℃ ；
6) 进行正火 ： 正火温度控制为 ： 900 ～ 910℃， 正火时间 ： 60 毫米 ( 板厚 )×1 分钟 / 毫米＝ 60 分钟。
上述试验例经检测， 其性见表 1。
表 1 本发明实施例钢的力学性能
从表 1 可看出， 本发明完全能满足目前制造机车车头的性能要求。7