CN104046765B - 一种过共析钢轨的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过共析钢轨的热处理方法，其中，该方法包括：将终轧后温度高于900℃的钢轨进行保温处理，使保温处理后的钢轨在第一冷却速度下进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至700-750℃，接着使钢轨在第二冷却速度下进行第二阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃，再使钢轨在第三冷却速度下进行第三阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下，然后使钢轨在空气中继续冷却。采用本发明的热处理方法处理后得到的钢轨在获得良好的拉伸性能的同时，能够有效的减少二次渗碳体，具有优异的耐磨损性能和抗接触疲劳性能，产品特别适用于重载铁路。

Description

一种过共析钢轨的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种过共析钢轨的热处理方法，具体地，涉及一种能够减少二次渗碳体析出的高碳过共析钢轨的热处理方法。
背景技术
目前，铁路广泛使用的钢轨大多为共析珠光体钢，具有强韧性匹配良好，性能指标适中等特点。然而，随着货运铁路行车密度和轴重的不断提高，对铁路钢轨的服役性能提出了更高要求。其中，轮轨接触部位过快磨耗已逐步成为影响重载铁路特别是小半径曲线部位钢轨使用寿命的主要因素。为此，本领域研发人员始终致力于开发具有更好耐磨损性能，同时兼顾良好接触疲劳等综合性能指标的钢轨新产品，以满足铁路建设需要。
研究发现，同时能够满足上述要求的有两种方法：一是进一步提高钢轨钢的碳含量，并辅以适量合金元素，充分发挥碳对提高钢轨耐磨损性能的作用，并通过轧后冷却工艺使钢轨获得更优良耐磨损性和抗接触疲劳性能；二是利用高合金含量的贝氏体钢轨，同样通过控制轧后冷却工艺，得到具有良好磨损性能的贝氏体钢轨，在充分发挥其抗接触疲劳性能的同时提高其耐磨损性能。实践证明，贝氏体钢因其昂贵的合金化成本和复杂的生产工艺，产品性能不够稳定，尚不具备大批量推广应用的条件，而采用高碳含过共析钢轨，通过提高钢轨中碳的含量，尽管能够显著提高钢轨的耐磨损性能，但由于碳含量较高，轧后奥氏体连续冷却形成珠光体的过程中，在奥氏体晶界处将优先析出二次渗碳体，并呈网状沿原奥氏体晶界分布。作为钢中的硬质相与强化相，其对强硬度及耐磨损性能的提高不言而喻，但其有害作用也不可忽视：在车轮负责应力作用下，微裂纹易于在渗碳体处形成并沿着连续网状不断扩展，最终导致接触部位形成剥离掉块、斜裂纹等疲劳伤损，甚至诱发断轨，给铁路的运输安全带来极大隐患。
高碳过共析钢轨热处理方法中减少二次渗碳体析出是生产具有优异耐磨损性能和抗疲劳性能的钢轨的关键。因此，本领域急需开发一种能够减少二次渗碳体析出的高碳过共析钢轨热处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种过共析钢轨的热处理方法，该方法能够保证终轧后的钢轨充分细化钢轨钢中珠光体组织，并且能够有效减少二次渗碳体析出。
为了实现上述目的，本发明提供一种过共析钢轨的热处理方法，其中，该方法包括：将终轧后温度高于900℃的钢轨进行保温处理，使保温处理后的钢轨在第一冷却速度下进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至700-750℃，接着使钢轨在第二冷却速度下进行第二阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃，再使钢轨在第三冷却速度下进行第三阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下，然后使钢轨在空气中继续冷却。
根据本发明提供的热处理方法，能够充分细化钢中珠光体组织，从而获得更高的强硬度指标及良好强韧性匹配，同时能够有效减少钢中二次渗碳体的析出，使二次渗碳体平均长度不超过10μm，二次渗碳体比例不超过1%，沿晶界均匀分布，不形成闭合网状，使钢轨能够同时具有优异的耐磨损性能和抗接触疲劳性能。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种过共析钢轨的热处理方法，其中，该方法包括：将终轧后温度高于900℃的钢轨进行保温处理，使保温处理后的钢轨在第一冷却速度下进行冷却以将钢轨的轨头表层温度降至700-750℃，接着使钢轨在第二冷却速度下进行冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃，再使钢轨在第三冷却速度下进行冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下，然后使钢轨在空气中继续冷却。
本发明的发明人在研究中发现，通过对高温钢轨保温后并在不同阶段采用不同冷却速度对钢轨施加冷却介质进行冷却，能够保证充分细化钢轨中珠光体组织，并能够有效减少二次渗碳体的析出。对保温处理后的钢轨施加第一冷却速度的冷却介质进行第一阶段冷却使钢轨表层温度降至700-750℃；接着施加第二冷却速度的冷却介质进行第二阶段冷却使钢轨表层温度降至550℃，此时由于过共析钢中碳及其它合金元素含量较高，继续采用第一冷却速度下由于轨头表层冷却过快，容易产生异常组织，导致钢轨报废；再施加第三冷却速度的冷却介质进行第三阶段冷却使钢轨表层温度降至450℃以下，当温度降至550℃后，钢轨表层的珠光体转变已经完成，为了保证轨头心部同样获得较高的性能，必须维持一定的冷却速度至钢轨全断面珠光体相变全部完成。
根据本发明提供的所述过共析钢轨的热处理方法，保温处理后的钢轨在第一冷却速度下进行第一阶段冷却使钢轨的轨头表层温度降至700-750℃，当第一冷却速度低于3.5℃/s时，显微组织观察表明，此时渗碳体较薄，但仍沿晶界呈网状排列，不能达到充分抑制二次渗碳体析出的目的；当第一冷却速度高于5.0℃/s时，由于轨头表层冷速较大，而轨头心部相对较慢，即无法充分发挥轨头表层与心部的热交换，导致表层已接近甚至深入相变区时，心部温度仍很高，也不能达到减少轨头断面二次渗碳体析出的目的，优选地，所述第一冷却速度为3.5-5.0℃/s；钢轨在第二冷却速度下进行第二阶段冷却使钢轨的轨头表层温度降至550℃，对于过共析钢轨在连续冷却转变过程中获得珠光体组织的相变温度为600-650℃，由于过共析钢轨中碳及其他合金元素含量较高，继续保持第一冷却速度会因为冷却速度较高产生贝氏体、马氏体等异常组织，将无法保证显微组织满足要求，导致钢轨报废，而第二冷却速度低于2.0℃/s时，则钢轨轨头断面无法在较大的过冷度下完成相变，进而无法获得理想的性能指标，优选地，所述第二冷却速度为2.0-3.0℃/s；钢轨在第三冷却速度下进行第三阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下，当轨头表层温度低于550℃后，轨头表层的珠光体转变已完成，发明人实验证实，为确保轨头心部同样获得较高的性能，必须维持一定冷速，另外为了避免采用较高的冷速导致不必要的能源消耗与浪费，优选地，所述第三冷却速度为1.0-1.5℃/s。钢轨的轨头表层温度降至450℃以下时，钢轨全断面珠光体相变全部完成，此时，为了避免能源浪费，无需施加冷却介质，在空气中冷却即可。
本发明中，对于冷却的实施过程没有特殊的要求，可以采用本领域常规使用的方法，例如，方法可以包括在钢轨的轨头顶面和两侧面施加冷却介质。
本发明中，冷却介质可以为本领域常规使用的冷却介质，例如可以为压缩空气或水雾混和气。
终轧后的钢轨，钢中碳分布不均匀，特别对于轧制变形量较大的部分，存在严重的碳偏析，而由于碳在奥氏体化钢中的扩散速度较快，本发明的发明人研究发现，通过对钢轨进行保温处理来延长奥氏体化的时间可以解决这个问题。所述保温处理可以包括将轧后超过900℃的钢轨在辊道上静置并保温。本发明的发明人研究发现，最短仅需保温30s即可获得均匀化的效果，即所述保温时间可以为大于30s。当保温处理的时间延长到50s时，钢轨中的碳已充分扩散，达到均匀化效果，考虑到生产效率等因素，所述保温处理的时间优选为30-50s。
本发明中，用于对钢轨进行保温处理的加热装置可以为本领域常规使用的加热装置，例如可以为中频感应装置、工频感应装置或U型电阻加热炉装置。
本发明中，为了使钢轨具有更好的耐磨损性能兼顾良好接触疲劳等性能指标，以满足铁路建设需要，可以选择碳含量高的轨钢，优选地，所述钢轨的碳含量大于0.90重量%。
在一种具体实施方式中，减少二次渗碳体析出的过共析钢轨的热处理方法可以为：利用翻钢台架将终轧后的钢轨直立于辊道上，采用中频感应装置对钢轨进行保温处理，保温处理的时间为30-50s；完成保温处理后，在钢轨的轨头顶面和两侧面施加冷却介质，冷却介质为水雾混合气，使钢轨在第一冷却速度3.5-5.0℃/s下进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至700-750℃；接着使钢轨在第二冷却速度2.0-3.0℃/s下进行第二阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃；再使钢轨在第三冷却速度1.0-1.5℃/s下进行冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下；然后使钢轨在空气中继续冷却至室温，即可进入后续工序并最终获得成品钢轨。
实施例
以下将结合实施例来具体地描述本发明，但本发明的范围不局限于此。
实施例1-6和对比例1-6对应选用以下编号1-6化学成分的过共析钢轨，具体化学成分如表1所示。
表1
实施例1
将含有表1中编号1化学成分的钢坯轧制为60Kg/m钢轨，终轧温度为925℃，利用翻钢台架将终轧后的钢轨直立于辊道上，采用中频感应装置对钢轨进行保温处理，保温处理的时间为35s；完成保温处理后，第一阶段开始冷却温度为916℃，在钢轨的轨头顶面和两侧面施加冷却介质，冷却介质为水雾混合气，使钢轨在第一冷却速度4.2℃/s下进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至724℃；接着使钢轨在第二冷却速度2.5℃/s下进行第二阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃；再使钢轨在第三冷却速度1.2℃/s下进行冷却以将钢轨的轨头表层温度降至448℃；然后使钢轨在空气中继续冷却至室温，即可进入后续工序并最终获得钢轨A1。
实施例2-6和对比例1-6
实施例2-6按照实施例1的方法，而操作条件与实施例1不同，具体操作条件如表2所示，按照实施例2-6方法制备的钢轨为A2-A6；对比例1-6按照目前已有的钢轨热处理方法（即冷却过程只有一个阶段），具体操作条件如表2所示，按照对比例1-6方法制备的钢轨为D1-D6。
表2
测试例
根据以下方法对实施例1-6和对比例1-6制备的钢轨A1-A6和D1-D6进行性能检测，具体地：
按GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》测定钢轨的拉伸性能，测得的Rp0.2（规定非比例伸长率为0.2%时的应力）、Rm（抗拉强度）、A%（伸长率）、Z%（断面收缩率）如表3所示；
按GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》采用MeF3光学显微镜测定钢轨的显微组织，测得的二次渗碳体平均长度如表3所示，并计算二次渗碳体比例，结果如表3所示；
在MM-200磨损试验机上进行磨损试验以检测磨损平均失重量，样品取自钢轨A1-A6和D1-D6的轨头部位，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。
测得的磨损平均失重量如表3所示。
表3
通过实施例1-6可以看出，采用本发明提供的热处理方法处理后的钢轨具有良好的拉伸性能指标，二次渗碳体平均长度不超过10μm，二次渗碳体比例不超过1%，钢轨具有优异的耐磨损性能和抗接触疲劳性能。
将实施例1-6与对比例1-6分别进行比较可以看出，采取本发明的方法处理后得到的过共析钢轨的二次渗碳体长度明显减少、二次渗碳体比例明显降低，而且具有良好的耐磨损性能和良好的抗接触疲劳性能。
综上所述，根据本发明所述的过共析钢的热处理方法处理后得到的钢轨在获得良好的拉伸性能的同时，能够有效的减少二次渗碳体，从而具有优异的耐磨损性能和抗接触疲劳性能，产品特别适用于重载铁路。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种过共析钢轨的热处理方法，其特征在于，该方法包括：将终轧后温度高于900℃的钢轨进行保温处理，使保温处理后的钢轨在第一冷却速度下进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至700-750℃，接着使钢轨在第二冷却速度下进行第二阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至550℃，再使钢轨在第三冷却速度下进行第三阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至450℃以下，然后使钢轨在空气中继续冷却；其中，所述第一冷却速度为3.5-5.0℃/s，所述第二冷却速度为2.0-3.0℃/s，所述第三冷却速度为1.0-1.5℃/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，冷却的实施过程包括：在钢轨的轨头顶面和两侧面施加冷却介质。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述冷却介质为压缩空气或水雾混和气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保温处理包括将终轧后温度高于900℃的钢轨在辊道上静置并保温30-50s。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢轨的碳含量大于0.90重量％。
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