CN101921971B - 曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其热处理方法，贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质；经过连铸、热轧和整体热处理。可用于曲线和重载线路钢轨使用，以提高钢轨使用寿命。

Description

曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金、机械制造领域，具体来说是曲线和重载线路用贝氏体钢轨。

背景技术

随着铁路运输事业向高速、重载方向的不断发展，对钢轨及道岔的性能也相应提出了越来越高的要求。铁路作为运输的大动脉，在我国，铁路里程的增长不能满足经济高速增长的需求，因此需要提高列车速度和增加载重来提高运力，致使现有铁轨由于超负荷的运力导致换轨频繁，线路检查负担加剧，尤其在曲线、重载线路中，有的钢轨使用仅半年就因磨损加剧而换掉，不但造成了资源的巨大浪费，而且影响了铁路正常运输。

目前，国内外钢轨的用材基本上是珠光体钢，提高其性能主要是通过合金化或表面淬火手段，可将其强度提高至1150-1250MPa。理论和实践证明，这一强度指标已接近珠光体钢的极限，更为重要的是，无法从根本上解决冲击韧性偏低(约8J/cm²或更低)的问题。目前我国钢轨生产钢种主要有880MPa级的U71Mn和980MPa级的U75V二种，其轨腰冲击韧性值低于8J/cm²。为了提高钢轨的耐磨性，还将一部分钢轨进行轨头热处理(欠速淬火)使用。一方面钢轨品种短缺，另一方面其使用寿命短，是致使换轨频繁的内在原因。这就迫使钢轨工作者去研究、开发新的替代钢种，以改变这种状况。

众所周知，钢的珠光体组织强度低、韧性好(与马氏体相比)，马氏体组织强度高韧性低，易脆断，而贝氏体组织由于其转变温度介于珠光体和马氏体之间，金相为复相组织，具有良好的强韧性。因此贝氏体钢轨的使用性能极佳，其较高的强度增强了钢轨的耐磨性，从而会使钢轨的使用寿命大大提高。因此，贝氏体在钢轨上得到了越来越广泛的应用。

公告号为CN1251826C的中国专利文献公开了由本申请人申请的一种“贝氏体电渣熔铸复合辙叉心轨”，用于铁路道岔上，是以贝氏体钢作为叉心，所用贝氏体钢主要合金元素为Si、Mn、Cr、Mo、Ni，附以微量元素V和Nd，其余为Fe，各元素含量为0.15-1.4％C、0.40-2.10％Si、1.5-2.5％Mn、0.5-2.5％Cr、1.00-2.00％Ni、0.20-0.80％Mo，V＜0.10％，Nd＜0.10％，P＜0.035％，S＜0.01％。经过加热至820-950℃，保温1-4小时，出炉冷却到室温，然后在200-400℃回火处理，保温3-6小时。其抗拉强度可大于1320MPa，延伸率大于9％，室温冲击韧性大于75J/cm2，硬度HRC38-45。这种贝氏体电渣熔铸复合辙叉心轨作为道岔使用，提高了道岔的使用寿命，降低了维修工作量。在京包、石太、大秦线上使用之后取得了良好效果，其使用寿命较目前的道岔提高3倍以上，深受铁路部门的欢迎。

曲线处钢轨的受力情况与道岔不同，由于在曲线处钢轨会受到离心力的作用，除了正常的磨损之外，还会在轨头内部产生核伤而经常发生断轨现象。同样，曲线超高的影响以及重载运输时重载的影响也会导致钢轨产生局部破坏，造成曲线钢轨和重载钢轨的寿命较短。因此，迫切需要一种强度高、延伸性能好、冲击韧性和硬度高等整体综合性能好的钢轨。而且要考虑到成本，希望尽量降低价格较高的元素的含量。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种曲线和重载钢轨用贝氏体钢。

本发明提供的曲线和重载钢轨用贝氏体钢，其含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质。

一种优选的贝氏体钢的实施例是，其含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si 0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.2，Ni 0.3-0.5，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

另一种优选的贝氏体钢的实施例是，其含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si 0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.0，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

还有一种优选的贝氏体钢的实施例是，其含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.16-0.22，Si 0.70-0.90，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.0，Ni 0.5-0.7，Mo 0.3-0.4，其余为Fe和杂质。

本发明还提供了一种曲线和重载贝氏体钢轨，是将贝氏体钢依次通过连铸和热轧，并经过整体热处理得到的钢轨；热处理是先加热到880-920℃并保温1-3小时，然后以13-16℃/分钟的速度风冷冷却到350-300℃，再自然冷却到室温；最后经200-350℃保温4-8小时进行时效处理；

所用贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质。

本发明还提供了一种曲线用贝氏铁钢轨的的生产方法，其特征在于包括如下过程：

(1)冶炼：经过转炉冶炼-钢包精炼-真空处理-连铸，得到含有下述重量百分含量化学元素的钢坯C 0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质；

(2)热轧：钢坯经过热轧，得到热轧贝氏体钢轨；

(3)热处理：热轧后的钢轨进行整体热处理，热处理是先加热到880-920℃并保温1-3小时，然后以10-20℃/分钟的速度风冷冷却到350-300℃，再自然冷却到室温，最后经200-350℃保温4-8小时进行时效处理。

所述步骤(1)中连铸过程中拉速为0.6-0.7m/min，电磁搅拌参数为580A/1.8Hz。

所述热处理过程加热时采用卧式中频加热炉。

所述热处理时的风冷是冷却到350℃。

所述时效处理采用电阻炉。

本发明的曲线钢轨用贝氏体钢，其抗拉强度1200-1300MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥30J/cm²；低温冲击韧性(-20℃)≥20J/cm²；布氏硬度≥350HB。经过热处理后的钢轨，其抗拉强度1300-1500MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥75J/cm²；低温冲击韧性(-40℃)≥40J/cm²；布氏硬度≥380HB。本发明的贝氏体钢及钢轨，降低了昂贵的Ni含量，Si的含量也降低，同时调整了其他元素用量并通过严格控制元素用量，在降低产品成本同时又实现了保持较高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性和硬度，并且经过热处理后，钢轨的抗拉强度、延伸率和轨腰处冲击韧性以及硬度四个指标，均较好，材料均匀性能好，特别适合作曲线钢轨使用，较高的强度和硬度不但耐磨，理想的抗冲击韧性和伸缩率抵御了钢轨内部核伤的产生，从而使曲线和重载钢轨的使用寿命能够大大提高。另外热处理过程也比CN1251826C的中国专利文献要简单，使生产成本也得到降低。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1贝氏体钢1

将原料经过转炉冶炼-钢包精炼-真空处理-连铸，获得钢坯，

钢坯的化学成份为及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.2，Ni 0.3-0.5，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

转炉冶炼工序工艺参数控制目标：C＜0.08％；P＜0.010％；S＜0.030％；T≥1640℃。

对铁水的要求，冶炼贝氏体钢的铁水应达到：P＜0.15％；S＜0.025％；T≥1250℃。

真空处理工序真空处理工艺参数控制目标：真空度＜0.08KPa；深真空时间≥15分钟；软吹时间≥8分钟。

气体控制：H＜2.5p.p.m；0＜25p.p.m。

连铸工序：坯型为280mm×380mm，连铸时拉速为0.6-0.7m/min，电磁搅拌参数为580A/1.8Hz。

实施例2贝氏体钢轨1

将实施例1制得的钢坯热轧制成钢轨，钢坯加热温度：1200-1250℃；开轧温度：1180-1200℃；终轧温度：880-920℃。

钢轨轨型：50kg/m，60kg/m，68kg/m，75kg/m。尺寸公差、平直度执行TB/T2344-2003标准。

经过热轧后贝氏体钢轨性能：抗拉强度1200-1300MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥30J/cm²；低温冲击韧性(-20℃)≥20J/cm²；布氏硬度≥350HB。

热轧钢轨再经过热处理，工艺为：采用卧式中频加热炉，加热温度：880-920℃；保温时间：1-3小时；冷却工艺：从920-400℃采用风冷，冷速；13-16℃/分钟，从350℃至室温采用空冷自然冷却降温，最后经200-350℃保温4-8小时进行时效处理；得到能够用于曲线和重载铁路的贝氏体钢轨。

热处理后的钢轨性能为：其抗拉强度可达到1300-1500MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥75J/cm²；低温冲击韧性(-40℃)≥40J/cm²；布氏硬度≥390HB。

实施例3贝氏体钢2

与实施例1不同的是贝氏体钢中含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si 0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.0，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

实施例4贝氏体钢轨2

将实施例3制得的钢坯热轧制成钢轨，其工艺同实施例2

经过热轧后贝氏体钢轨性能：抗拉强度1200-1300MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥30J/cm²；低温冲击韧性(-20℃)20J/cm²；布氏硬度≥350HB。

热轧钢轨再经过热处理，其热处理工艺同实施例2，得到能够用于曲线和重载铁路的贝氏体钢轨。

热处理后的钢轨性能为；其抗拉强度可达到1300-1500MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥75J/cm²；低温冲击韧性(-40℃)≥40J/cm²；布氏硬度≥390HB。

实施例5贝氏体钢3

与实施例1不同的是贝氏体钢中含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.16-0.22，Si 0.70-0.90，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.0，Ni 0.5-0.7，Mo 0.3-0.4，其余为Fe和杂质。

实施例6贝氏体钢轨3

将实施例3制得的钢坯热轧制成钢轨，其工艺同实施例2

经过热轧后贝氏体钢轨性能：抗拉强度1200-1300MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥30J/cm²；低温冲击韧性(-20℃)≥20J/cm²；布氏硬度≥350HB。

热轧钢轨再经过热处理，其工艺同实施例2，得到能够用于曲线和重载铁路的贝氏体钢轨。

热处理后的钢轨性能为；其抗拉强度可达到1300-1500MPa；延伸率≥10％；常温冲击韧性≥75J/cm²；低温冲击韧性(-40℃)≥40J/cm²；布氏硬度≥390HB。

Claims (6)

1.一种曲线和重载贝氏体钢轨，其特征在于是将贝氏体钢通过连铸和热轧，并经过整体热处理得到的钢轨；热处理是先加热到880-920℃并保温1-3小时，然后以10-20℃/分钟的速度风冷冷却到350-300℃，再自然冷却到室温；最后经200-350℃保温4-8小时进行时效处理；

所述贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质。

2.如权利要求1所述的钢轨，其特征是所述贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si 0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.2，Ni 0.3-0.5，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

3.如权利要求1所述的钢轨，其特征是所述贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.18-0.25，Si 0.80-1.20，Mn 2.20-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.0，Mo 0.15-0.25，其余为Fe和杂质。

4.如权利要求1所述的钢轨，其特征是所述贝氏体钢含有的化学元素及其重量百分含量为：C 0.16-0.22，Si 0.70-0.90，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.8-1.0，Ni 0.5-0.7，Mo 0.3-0.4，其余为Fe和杂质。

5.一种曲线和重载贝氏体钢轨的生产方法，其特征在于包括如下过程：

(1)冶炼：依次经过转炉冶炼-钢包精炼-真空处理-连铸，得到含有下述重量百分含量化学元素的钢坯：C 0.16-0.25，Si 0.70-1.20，Mn 2.10-2.40，P≤0.025，S≤0.015，Cr 0.6-1.2，Mo 0.15-0.40，Ni 0-0.7，其余为Fe和杂质；

(2)热轧：钢坯经过热轧，得到热轧贝氏体钢轨；

(3)热处理：热轧后的钢轨进行整体热处理，热处理是先加热到880-920℃并保温1-3小时，然后以10-20℃/分钟的速度风冷冷却到350-300℃，再自然冷却到室温，最后经200-350℃保温4-8小时进行时效处理。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中连铸过程的拉速为0.6-0.7m/min，电磁搅拌参数为580A/1.8Hz。