CN102220545A - 耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法 - Google Patents

耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金领域,具体涉及耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法。本发明所解决的技术问题是提供一种高碳高强热处理钢轨,其在耐磨性和塑性方面性能优良。(1)本发明高碳高强热处理钢轨化学成分按重量百分比包括:C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.20%~1.60%、Cr:0.15%~1.20%、V:0.01%~0.20%、Ti:0.002%~0.050%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%,其余为铁和不可避免的杂质。轨头抗拉强度≥1330MPa,延伸率≥9%,轨头硬度≥380HB,硬化层深度达到25mm以上,钢轨轨头距表面至少25mm内为细珠光体组织,具有优良的耐磨性和塑性,能满足重载铁路的使用要求。

Description

耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金领域,具体涉及耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法。
背景技术
运输的重载化要求钢轨具有更高的强度,而采用高强度钢轨是延长钢轨使用寿命最有效的方法之一。在能被大量用于制造钢轨的组织主要有:珠光体、回火马氏体、贝氏体,其中珠光体最耐磨,生产工艺最简单,生产成本最低,性能最稳定,并被目前钢轨材料大量使用。但是在全珠光体情况下,通过提高碳含量和合金含量和热处理强度,难以使钢轨强度稳定地达到1330MPa以上、表面硬度380HB以上,也就是说钢轨强度提升空间有限。
众所周知,碳(以下简称C)是提高钢轨耐磨性最有效的元素,对于片层状的珠光体,渗碳体含量的增加将大大提高耐磨性。从金属学的角度讲,当钢中的C含量超过共析点成分0.77%,在平衡态中将形成先共析渗碳体(二次渗碳体),但当钢在奥氏体向珠光体转变时提高冷速,即使C含量超过共析点,也可抑制形成先共析渗碳体,形成伪共析珠光体,并且随冷速的提高,伪共析珠光体的上限C含量增加。钢轨在使用过程中,按照一股对钢轨重伤下线的要求,轨头磨损的极限深度为20mm,因此可以通过进一步提高钢轨碳含量,使钢轨轨头表面下25mm内为珠光体,25mm以外为珠光体+极少量的二次渗碳体,或全珠光体。并对二次渗碳体量控制,使之对钢轨疲劳性能不产生明显危害,从而保证钢轨的使用安全。
CN10129668公开了一种生产高强度钢轨的热处理方法,将碳含量0.77~0.82%的碳素钢轨用电磁感应方式加热至850~950℃后,以4.6~15℃/s的冷速冷却到550~450℃,生产出的钢轨抗拉强度在1140~1295MPa。日本的特公昭63-23244号公报公开了一种抗拉强度1274MPa以上的高强度钢轨的制造方法,该方法在终轧后或者从再加热的奥氏体区域的温度,对钢轨在850℃~500℃以1~4℃/S的速度冷却。上述专利申请中,由含C为0.60%~0.82%的共析碳的钢生成细的珠光体组织而实现高强度,但在重载荷铁路中使用时,由于钢轨中C含量低,钢中渗碳体密度小,并且抗拉强度低,实际生产中不能稳定达到1330MPa以上,导致耐磨性差,钢轨使用寿命短。
CN1072270C公开了一种耐磨损性和耐内部损伤性优良的钢轨及制造方法,将含碳为0.85%~1.20%的过共析碳的钢轨钢从奥氏体温度以5~15℃/s的冷速冷却至650~500,钢轨轨头至少20mm深度范围内为硬度在HV370以上(相当于HB360,抗拉强度1238MPa)的珠光体组织。CN1522311A公开了一种耐磨性和延性优良的珠光体系钢轨及制造方法,采用含碳为0.65%~1.40%的过共析碳的钢坯在1100℃进行加热,钢轨在850~1000℃进行精轧,以1~30℃/s的冷却速度将钢轨从奥氏体温度加速冷却到550℃,在轨头获得深度20mm以上、硬度为HV300~500的珠光体。CN1793403A公开了一种珠光体类热处理钢轨及其生产方法,将碳:0.70%~0.95%、V:0.01%~0.20%的钢轨钢从650~880℃以1~10℃/s冷速冷却,钢轨抗拉强度达到1310MPa以上。在上述CN1072270C、CN1522311A、CN1793403A专利申请中,采用含碳为0.85~1.40%的过共析碳的钢生成细珠光体组织,以增加珠光体组织中的薄片中的渗碳体密度而提高耐磨性,但是,上述方法存在许多缺点,(1)CN11072270C采用加速冷却的方法,提高钢轨硬度,硬度虽然能达到HV370以上,但在生产中实际难以达到HB380、抗拉强度1330MPa以上,同样CN1522311A也是如此。(2)CN1522311A专利所得到钢轨性能在HV300~500,钢轨性能太宽,下限硬度较低,以目前珠光体类热处理钢轨也能达到HV350以上,因此难以起到稳定地提高耐磨性的作用。(3)在CN11072270C专利虽然采用了过共析钢轨成分,但只能保证20mm内为珠光体组织,这对钢轨使用安全产生不利,因为偏析生成先共析渗碳体,将恶化钢轨性能,易在使用过程中成为疲劳裂纹和脆性断裂的起源地点。如果先共析渗碳体越少或离表面距离越远,对钢轨使用安全越有利,如果能保证25mm内为珠光体组织,则进一步提高了钢轨使用安全。(4)CN1072270C专利要求钢轨冷速5~15℃/s,由于钢轨轨头断面大,冷速较低,以目前的生产条件,钢轨冷速一股在10℃/s以下,大部分在2~5℃/s,也就说CN1072270C专利为了达到高的强度,采用高的冷却速度,需要对生产线进行大规模改造,这样就造成生产成本急剧增加,生产环境恶化,工业生产适应性差。(5)气体氮(以下简称N)是对钢轨性能有害的元素,随钢轨碳含量增加危害作用越显著,如何降低N含量危害作用,但上述专利中未提出。
另外,随碳含量的增加,钢轨塑性和韧性随之下降,与普通全珠光体相比,高碳过共析钢轨韧塑明显降低,这造成钢轨韧性、塑性不足,在气温零度以下的寒冷地区保证不断轨是困难的,因此提高过共析钢轨韧性塑性需要考虑的问题,虽然在CN1522311A中公开了谋求改善钢轨韧塑性的技术,虽然该技术方案能限制先共析渗碳体的析出,但需要对钢轨不同部位采取不同的冷却方式进行冷却,操作复杂,生产成本高。
本领域急需开发在耐磨性和塑性方面优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种高碳高强热处理钢轨,其在耐磨性和塑性方面性能优良。
本发明高碳高强热处理钢轨中化学成分按重量百分比包括:C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.20%~1.60%、Cr:0.15%~1.20%、V:0.01%~0.20%、Ti:0.002%~0.050%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%。钢轨中其余组分为铁和不可避免的杂质。本发明钢轨耐磨性和塑性优良。其中,上述化学成分的字母表示为:C-碳,Si-硅,Mn-锰,Cr-铬,V-钒,Ti-钛,P-磷,S-硫,Al-铝,N-氮。本发明高碳高强热处理钢轨具有以下性能,钢轨轨头抗拉强度≥1330MPa,延伸率≥9%,轨头硬度≥HB380,硬化层深度≥25mm,钢轨轨头细珠光体组织距表面的厚度≥25mm。
进一步优选,钢轨中化学成分按重量百分比包括:C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.40%~1.20%、Cr:0.15%~0.60%、V:0.01%~0.15%、Ti:0.002%~0.030%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%;其余组分为铁和不可避免的杂质。该组分钢轨依旧保持优良的耐磨性和塑性。
在本发明高碳高强热处理钢轨中,化学成分按重量百分比还包括Mo:0.01%~0.50%、Nb:0.002%~0.050%、Ni:0.10%~1.00%、Cu:0.05%~0.50%、Re:0.002%~0.050%、Zr:0.0001%~0.1000%中的一种或一种以上。其中,上述化学成分的字母表示为:Mo-钼,Nb-铌,Ni-镍,Cu-铜,Re-稀土金属元素,Zr-锆。
具体地,本发明高碳高强热处理钢轨中化学成分需满足下列条件,即Cr+1.5Mn+6Mo+4Nb按重量百分比为1.0%~2.5%。
进一步地,当本发明高碳高强热处理钢轨成分中N含量≤0.0070%时,Ti含量为0.002%~0.020%;当0.0071-%<N含量≤0.010%时,Ti含量为0.010%~0.050%。
本发明所解决的第二个技术问题是提供本发明高碳高强热处理钢轨的制造方法,以往的制造方法包括以下步骤:钢坯加热、多道次轧制、加速冷却。本发明方法改进之处在于:
1、在钢坯加热步骤中,控制钢坯的最高加热温度Tmax(℃)=1400-100[%C],其中,[%C]表示碳含量C乘以100。
2、在钢坯加热步骤中,加热温度≥1050℃,控制钢坯的最长保温时间Hmax(分钟)=700-260[%C],其中,[%C]表示碳含量C乘以100。
3、在多道次轧制步骤中的最后一道次的断面收缩率控制在5%~13%,终轧温度控制在850~980℃。
4、轧制后热态钢轨余热温度为680℃~900℃,在热处理冷却步骤中,采用喷雾或压缩空气作为冷却介质冷却轨头和轨底,以1.5~10℃/s的冷速冷却轨头和轨底至400~500℃,然后采用自然空冷冷却。
本发明的有益效果是:本发明钢轨轨头抗拉强度≥1330MPa,延伸率≥9%,轨头硬度≥380HB,硬化层深度达到25mm以上,钢轨轨头距表面至少25mm内为细珠光体组织,具有优良的耐磨性和塑性,能满足重载铁路的使用要求,有广阔的应用前景。本发明生产工艺简单和操作方便,仅需在原有生产流程上控制加热温度、保温时间、种轧温度等参数就可以实现发明目的。
附图说明
图1是编号4的本发明钢轨全断面洛氏硬度分布图。
图2是编号4的本发明钢轨全断面布氏硬度分布图。
图3是对钢轨轨头、轨底的冷却方式示意图。
图4是在M-200磨损试验机上进行的磨损试验示意图。
其中,1是取自钢轨轨头的上试样,2是对磨下试样。
具体实施方式
以下通过对本发明具体实施方式的描述说明但不限制本发明。
本发明钢轨经加速冷却得到,耐磨性和塑性优良,属高碳高强热处理钢轨。化学成分除Fe和不可去除的杂质外,按重量百分比包括:C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.20%~1.60%、Cr:0.15%~1.20%、V:0.01%~0.20%、Ti:0.002%~0.050%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%。
C是一种能有效地促进珠光体转变并保证耐磨性的元素,也是提高钢轨强度、硬度、耐磨性最有效、最经济的元素。C以0.80%~1.20%的含量添加到钢轨中。但当C的含量达到0.80%以下时,在珠光体结构中,用来提高耐磨性的渗碳体相的密度不能得到保证,钢轨耐磨性难以大幅度提高;另外,当C含量超过1.20%时,即使采用热处理工艺,也不能保证钢轨在距表面25mm内不出现先共析渗碳体,如果在25mm内出现晶界先共析渗碳体,将恶化钢轨韧性塑性,或者成为疲劳源,造成钢轨使用寿命明显降低。因此,将C含量控制在0.80%~1.20%。
Si是铁素体形成元素。在珠光体中,Si不溶于渗碳体,全部固溶于铁素体,在奥氏体向珠光体转变过程中,渗碳体形核和长大时,必须将Si排开,因此,Si抑制渗碳体的形成,促进铁素体的转变,提高钢轨不形成先共析渗碳体的上限C含量上限,同时,Si固溶于铁素体中,因固溶强化作用,提高钢轨硬度。所以,Si的加入提高了钢轨铁素体基体和将钢轨不产生先共析渗碳体的C含量提高到更高。当Si含量小于0.20%时,不能有这种作用;当Si含量大于1.20%时,在热轧时会形成许多表面缺陷,此外,钢轨变脆,裂纹扩展速率快,可焊性被降低。因此将Si含量限制在0.20%~1.20%。
Mn在钢轨中是固溶强化元素,提高钢轨硬度、强度,降低珠光体的转变温度,从而降低珠光体片层间距,间接地提高钢轨韧性和塑性,还可阻止先共析渗碳体的形成,并与S形成稳定MnS,降低S的危害作用。当Mn含量小于0.20%时,作用不显著,难以消除S的危害作用。当Mn含量超过1.60%时,对钢轨的韧性有害,并明显降低钢轨产生马氏体的临界冷速,在生产过程中因偏析,易形成马氏体、贝氏体等异常组织,从而增加钢轨断裂的危险。因此,Mn含量限制在0.20%~1.60%。
Cr在钢轨中也是固溶强化元素,提高钢轨硬度、强度,降低珠光体的转变温度,细化珠光体片层间距,其强化作用与Mn相似。Cr的加入提高了钢轨铁素体基体的硬度、强度;另外,Cr置换渗碳体(Fe3C)中的Fe原子,形成合金渗碳体,从而明显强化渗碳体,使钢轨在使用过程中增加钢轨的耐磨性。当Cr含量小于0.15%时,钢轨强度增加不明显。当Cr含量超过1.20%时,产生马氏体的临界冷速明显降低,易形成贝氏体和马氏体结构,从而增加钢轨断裂的危险。因此,Cr含量控制在0.15~1.20%。
V是在钢轨中主要是沉淀强化元素,在热轧钢轨冷却过程中与C、N结合,形成V(C·N)x的沉淀物,提高钢轨硬度、强度。在钢轨焊接的加热过程中,阻止晶拉长大、细化奥氏体,从而提高钢轨所需的强度、延性和韧性,提高钢轨的耐磨性能。另外,当在钢轨由奥氏体向珠光体转变过程中,V(C·N)x先沉淀析出,降低奥氏体的碳浓度,促进含碳量极低的铁素体的形成。当V与Si配合在在一起,会大大抑制渗碳体的形成,特别在高C含量时,防止具有危害作用的先共析渗碳体析出,并在钢轨轧制或焊接过程中加热到高温时,阻止奥氏体晶粒长大,细化奥氏体晶粒,从而提高钢轨强度、塑性、韧性。当V含量小于0.01%时,作用不能充分表现出来。当V含量超过0.20%时,不再能有进一步的作用,因此,V含量限制在0.01%~0.20%。
Ti是沉淀强化元素,与C、N等元素结合而形成沉淀,并降低钢中自由N的危害。由于沉淀物熔点极高,因此,在钢液的冷却过程中和在钢轨奥氏体高温轧制中析出,抑制奥氏体晶粒长大,细化奥氏体晶粒,特别是在焊接的高温过程中细化晶粒,对提高焊接接头韧性作用显著。当Ti含量在0.002%以下,细化晶粒作用和降低N危害作用不大。当Ti含量超过0.050%时,进一步作用不明显。因此,Ti含量控制在0.002~0.050%。
P是强化铁素体、提高珠光体组织硬度、提高钢的耐大气腐蚀能力的元素,又是提高低温脆性转变温度和显著促进先共析渗碳体组织生成的元素,使钢的低温冲击性能大幅下降和增加先共析渗碳体控制增加,因此P含量限定为0.030%以下。
S是容易偏析的元素,主要与钢中Mn结合生成MnS夹杂,当含量超过0.030%时,显著促进Mn的偏析,促进先共析渗碳体形成,降低钢轨韧塑性,因此,S含量限定为0.030%以下。
Al是抑制先共析渗碳体生成的元素,同时,Al易与钢O结合生成Al2O3类夹杂硬性夹杂,该夹杂是形成疲劳源的重要地点之一。为提高钢轨疲劳性能,提高钢轨疲劳性能,降低钢轨中硬性夹杂的含量,尤其是Al含量尤其重要。因此,Al含量限定为0.010%以下。
N是对钢轨性能有害的元素,随钢轨碳含量增加危害作用越显著,钢轨要求N含量越低越好,但是在钢轨生产中必然从合金中带入和大气吸收,对于高碳过共析钢轨,将N含量尽量控制在0.0100%以下。但为尽量降低N危害作用,在钢加入适量的Ti。当钢中N含量≤0.0070%时,Ti含量为0.002%~0.020%;当钢轨成分中当钢中N含量为:0.0070%<N≤0.010%时,Ti含量为0.010%~0.050%。
进一步优选,C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.40%~1.20%、Cr:0.15%~0.60%、V:0.01%~0.15%、Ti:0.002%~0.030%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%。
为了生产高强度热处理钢轨可从下列元素添加中的一种或一种以上:Mo0.01%~0.50%、Nb0.002%~0.050%、Ni0.10%~1.00%、Cu0.05%~0.50%、Re0.002%~0.050%、Zr0.0001%~0.1000%。
Mo能降低珠光体转变温度,从而减小珠光体片层间距,提高钢轨硬度、强度并提高钢轨耐磨性。当Mo含量小于0.01%时,作用不明显。当含量超过0.50%时,明显降低产生马氏体的临界冷速,结果会形成对有害的马氏体组织。因此,Mo含量控制在0.01%~0.50%。
Nb与V相似,是一个可形成Nb的碳氮化物而使奥氏体晶粒细化的元素。Nb能在比V在更高的温度下阻止奥氏体晶粒长大,提高钢轨的延性和韧性,从而提高钢轨的耐磨性能。并在钢轨轧制或焊接过程中加热到高温时,有阻止奥氏体晶粒长大,细化奥氏体晶粒,从而提高钢轨强度、塑性、韧性。当Nb含量小于0.002%时,对提高性能作用不大。当Nb含量超过0.050%时,其作用达到饱和。因此,Nb含量控制在0.002%~0.050%。
Ni固溶于钢中,增加钢轨的硬度、强度和韧性,特别是提高钢轨低温韧性,从而提高钢轨耐磨性和提高焊接接头的低温韧性。当Ni含量小于0.10%时,不起作用。当Nb含量超过1.00%时,进一步作用不明显。因此,Ni含量控制在0.10%~1.00%。
Cu是提高钢轨耐腐蚀性元素,并提高钢轨硬度、强度,同时提高钢轨耐磨性。当Cu含量小于0.05%时,作用不明显。当Cu含量超过0.50%时,对钢轨的耐腐蚀的提高,不再有进一步作用,并且容易在加热不当时,易发生Cu脆现象,因此,Cu含量控制在0.05%~0.50%。
Re可以净化钢质,提高钢轨钢的耐磨性和耐腐蚀性,并阻止白点的产生。钢轨钢中加入稀土,可以改变杂质的存在和分布形态,能减轻S、As、Sb等杂质对钢材性能的危害。对于高强钢轨,在使用过程中,磨损速率小,为达到延长使用寿命,钢轨必须具备良好的疲劳性能,减少S、As、Sb等夹杂的偏聚,对提高钢轨疲劳性能具有良好的作用。固溶的Re可以阻止氢元素的富集,减小氢致裂纹(白点)产生的倾向。而形成碳化物的Re可以提高钢轨钢的耐磨性。当Re含量低于0.002%时,所起作用不大,超过0.050%时,容易在钢中出现大量的夹杂,恶化钢材性能,因此,Re含量控制在0.002%~0.050%。
Zr的氧化物(ZrO2)易成为高碳钢凝固初期的形核点,对提高铸坯等轴晶面积和减少铸坯中心部位成分偏析度有利,同时,也抑制高碳高强热处理钢轨先共析渗碳体形成。当Zr在0.0001%以下,氧化物数量少,增加形核和抑制先共析渗碳体的作用不大,当Zr在0.1000%以上,形成大量粗大的氧化物夹杂,与Al2O3一样,在钢轨内部易形成疲劳源,降低钢轨疲劳寿命,因此,Zr含量控制在0.0001%~0.1000%。
根据实验,当Cr+1.5Mn+6Mo+4Nb的总含量小于1.0%时,强化作用不明显,钢轨难以达到更高强度。当Cr+1.5Mn+6Mo+4Nb总量超过2.5%时,产生马氏体的临界冷速明显降低和增加先共析渗碳体形成数量,在热处理过程,易形成有害的马氏体、贝氏体组织,并难以保证钢轨轨头表面下25m内不形成先共析渗碳体,致使钢轨韧性和疲劳强度大幅度降低。因此,Cr+1.5Mn+6Mo+4Nb的总含量控制在1.0%~2.5%。另外,为了减少Mn、Cr的偏析并阻止在钢轨中产生对韧性有害、易断轨的马氏体形成,需加入0.20%以上含量的Si。
应用本发明制造方法处理钢轨有如下原因:
(1)钢坯加热最高温度限定理由
在过共析钢轨生产过程中,钢轨在轧制过程和在矫直过程中发生断裂,发明人对其原因跟踪分析,结果发现,由于过共析钢轨碳含量高、熔点低,热传导慢,以普通钢轨的加热速度和最高加热温度进行控制,在钢坯表面的凝固组织的偏析区产生部分融化,并在轧制时和矫直过程中发生裂纹扩展,导致钢轨断裂。通过统计发现,当钢轨碳含量越高和钢坯的高加热温度越高,裂纹就越容易发生,并且钢轨轧制后奥氏体晶粒大,钢轨韧塑性低,因此,需要根据钢轨碳含量对钢坯最高加热温度进行控制。研究发现,钢坯发生熔融的最高加热温度Tmax(℃)与碳含量C(%)关系可以用下述公式进行表示:
Tmax=1400-100[%C]
碳含量表示的钢坯中的碳含量,以重量百分比表示。在应用上述公式时,[%C]表示碳含量C乘以100,即当碳含量为m%(m表示任意数值)时,计算时,Tmax=1400-100×m。例如碳含量为0.9%时,加热温度Tmax=1400-100×0.90=1310℃。
根据钢轨碳含量对钢坯最高加热温度进行控制,可以防止过共析钢坯在加热过程中的熔融和裂纹的产生,还可以将过共析钢轨轧制后的奥氏体晶粒细化,提高钢轨韧塑性。
(2)钢坯保温时间限定理由
过共析钢轨碳含量高,与含碳量0.80%的普通钢轨相比,韧塑性有所降低,为提高钢轨韧塑性,增加钢轨使用安全性,提高过共析钢轨韧塑性是生产重点。在成分一定情况,降低钢轨终轧奥氏体晶粒度是提高钢轨韧塑比较实用的方法。对于钢坯加热而言,降低钢坯加热温和加热保温时间,可以降低轧制前初始奥氏体晶粒,进而可以降低钢轨终轧奥氏体晶粒度。同时,降低钢坯加热时间也可以较少钢轨表面脱碳层深度,增加钢轨表面耐磨性和疲劳强度,对钢轨使用有利。研究发现,钢坯的在1050℃以上的最长保温时间Hmax(分钟)与碳含量C(%)的关系如下述公式,按照该公司控制最长保温时间可以细化钢轨奥氏体晶粒度、脱碳层。
Hmax=700-260[%C]
[%C]意思表示同Tmax与碳含量的公式,即[%C]表示碳含量C乘以100,即当碳含量为m%(m表示任意数值)时,计算时,Hmax=700-260×m。如碳含量为0.90%时,保温时间控制在Hmax=700-260×0.90=466分钟。
在公式未对下限时间进行规定,为确保过共析钢坯断面温度均匀和轧制顺利进行,1050℃以上的加热时间尽量在120分钟以上。
(3)钢轨终轧变形量和终轧温度限定理由
在过共析钢轨中除了控制钢坯加热温度和时间外,钢轨终轧变形量和终轧温度对奥氏体有影响。当钢轨终轧断面收缩率在5%以下,奥氏体不能再结晶,难以细化奥氏体晶粒,转变后生产的珠光体组织粗大。当终轧断面收缩率在13%以上,由于变形大,钢轨断面尺寸精度难以保证。因此,为细化奥氏体晶粒,提高钢轨韧塑性,保证断面尺寸精度,需要终轧断面收缩率控制在5%~13%。
当钢轨终轧温度850℃以下,有细化奥氏体晶粒的作用,但轧制过程中,变形抗力增加明显,轧辊磨损增加,并且会造成冷速快、温度低的轨底角,因高温塑性降低,产生不必要的裂纹。当终轧温度在980℃,钢轨终轧后奥氏体晶粒粗大,转变后生产的珠光体组织粗大,对提高钢轨韧塑性不利,因此,过共析钢轨轨头终轧温度控制850-980℃。
(4)热处理工艺限定理由
对于余热过共析钢轨,钢轨钢在空冷条件下奥氏体向珠光体转变的温度为650℃左右,先共析渗碳体析出温度在680℃左右。当余热钢轨空冷至680℃以下时,钢轨在进行快速冷却前,钢轨表面已发生或正在发生先共析渗碳体析出,导致钢轨难以保证在距表面25mm内不产生先共析渗碳体。而在900℃以上,在热处理冷却能力有限的情况,钢轨快速冷却后的终止温度高,造成钢轨轨头心部未相变完或未相变,在随后的空冷过程中形成片间距大的珠光体和析出大量的先共析渗碳体,降低了钢轨硬化层深度,难以保证先共析渗碳体在表面25mm以内不形成。因此,余热钢轨快速冷却前的温度应控制在680~900℃。
对650℃~900℃的余热钢轨采用快速冷速,可增加奥氏体向珠光体转变的过冷度,以获得片层间距更加小的珠光体,抑制先共析渗碳体的析出,使钢轨具有更高强度、硬度。当冷速在1.5℃/s以下,钢轨强度低,不能保证抗拉强度在1330MPa以上,也难以保证通过热处理抑制先共析渗碳体在表面25mm内不析出;当冷却在10℃/s以上,钢轨强度并不能进一步增加,并容易在成分偏析区和表面产生马氏体、贝氏体组织。因此,冷速控制在1.5℃/s~10℃/s,并在400℃~500℃终止冷却。此外,发明人对过共析钢轨生产研究认为,为抑制先共析渗碳体的析出,随碳含量增加,钢轨冷速也相应增加,当钢轨中C含量在0.88%以下,在1.5℃/s的冷速下,钢轨不析出先共析渗碳体,当C含量达到1.00%以上,钢轨冷速需达到3.0℃/s以上,才能保证钢轨表面25mm内不析出。采用喷雾和压缩空气冷却介质,通过控制水合空气比例和流量,可以达到冷却效果。
在钢轨使用过程中,钢轨在承受火车轮重量时,要发生弹性弯曲,轨头和轨底是应力最大区,而轨腰是中性区,其应力较小。如果仅对过共析钢轨轨头进行冷却,而轨底不冷却,将轨底析出大量的先共析渗碳体,降低轨底疲劳性能。轨腰即使不冷却,对钢轨使用影响不大,因此,需对轨头、轨底进行冷却,如果能将轨腰同时冷却,钢轨疲劳性能更优异。
实施例
按照表1的化学成分和表2的制备方法制备钢轨:本发明钢轨编号1-13,对比钢轨编号14-15。
编号5的本发明钢轨的全断面洛氏硬度分布图和全断面布氏硬度分布图分别见图1和图2。
钢轨轨头、轨底的冷却方式示意图见图3。
图4是在M~200磨损试验机上进行的磨损试验示意。图中,1是取自钢轨轨头的上试样,2是对磨下试样,在所有磨损试验中,下磨样材质均相同。具体试验参数如下:
试验机:M~200
试样尺寸:厚度10mm、直径36mm的圆样
试验载荷:150kg
滑差:10%
对磨下试样材质:硬度为280-310HB的U75V热轧钢轨,硬度与火车车轮硬度相当。
环境:空气中
旋转速率:200转/分钟
总磨损次数:20万次。
检测各钢轨的终轧奥氏体晶粒尺寸(μm)、抗拉强度(MPa)、延伸率(%)、轨头踏面硬度(HB)、轨头上圆角3mm处硬度(HRC)、脱碳层深度(mm)、磨损量(g/20万次)、组织等性能参数,详见表3和表4。
表1
Figure GDA0000020636840000101
表2
Figure GDA0000020636840000111
表3
Figure GDA0000020636840000121
表4
通过本发明钢轨(编号1-13)与对比钢轨(编号14-15)性能对比可见,本发明钢轨轨头抗拉强度≥1330MPa,延伸率≥9%,轨头硬度≥380HB,硬化层深度达到25mm以上,钢轨轨头距表面至少25mm内为细珠光体组织,具有优良的耐磨性和塑性,能满足重载铁路的使用要求。

Claims (11)

1.耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:其化学成分按重量百分比包括:
C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.20%~1.60%、Cr:0.15%~1.20%、V:0.01%~0.20%、Ti:0.002%~0.050%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%。
2.根据权利要求1所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:其化学成分按重量百分比包括:
C:0.80%~1.20%、Si:0.20%~1.20%、Mn:0.40%~1.20%、Cr:0.15%~0.6%、V:0.01%~0.15%、Ti:0.002%~0.030%、P≤0.030%、S≤0.030%、Al≤0.010%、N≤0.0100%。
3.根据权利要求1或2所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:其化学成分按重量百分比还包括:
Mo:0.01%~0.50%、Nb:0.002%~0.050%、Ni:0.10%~1.00%、Cu:0.05%~0.50%、Re:0.002%~0.050%、Zr:0.0001%~0.1000%中的一种或一种以上。
4.根据权利要求3所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:化学成分中Cr+1.5Mn+6Mo+4Nb按重量百分比为1.0%~2.5%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:当钢轨成分中N含量≤0.0070%时,Ti含量为0.002%~0.020%;当0.0070%<N含量≤0.010%时,Ti含量为0.010%~0.050%。
6.根据权利要求1-5任一项所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:钢轨轨头抗拉强度≥1330MPa,轨头硬度≥HB380。
7.根据权利要求6所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨,其特征在于:钢轨轨头延伸率≥9%,硬化层深度≥25mm,钢轨轨头细珠光体组织距表面的厚度≥25mm。
8.权利要求1所述耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨的制造方法,包括以下步骤:钢坯加热、多道次轧制、加速冷却,其特征在于:在钢坯加热步骤中,钢坯的最高加热温度Tmax以℃计,Tmax=1400-100[%C],其中,[%C]表示碳含量C乘以100。
9.根据权利要求8所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨的制造方法,其特征在于:在钢坯加热步骤中,加热温度≥1050℃时,钢坯的最长保温时间Hmax以分钟计,Hmax=700-260[%C],其中,[%C]表示碳含量C乘以100。
10.根据权利要求8所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨的制造方法,其特征在于:在多道次轧制步骤中的最后一道次的断面收缩率控制在5%~13%,终轧温度控制在850~980℃。
11.根据权利要求8所述的耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨的制造方法,其特征在于:轧制后热态钢轨余热温度为680℃~900℃,在加速冷却步骤中,采用喷雾或压缩空气作为冷却介质冷却轨头和轨底,以1.5~10℃/s的冷速冷却轨头和轨底至400~500℃,然后采用自然空冷冷却。
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