CN104087836A - 钒铬微合金化超细珠光体钢轨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢轨，具体涉及一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨。本发明要解决的技术问题是提供一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨。本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨中C:0.78～0.86％、Si：0.15～0.70％、Mn：0.4～1.20％、Cr：0.3～0.8％、V：0.04～0.12％、S≤0.01％；其生产方法中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加水雾混合气，冷速为4～8℃/s，当轨头表层温度降至500～550℃时施加压缩空气，冷速为1.5～3.5℃/s，当温度低于400℃时空冷至室温。本发明钢轨具有优异耐磨损性能的同时兼有良好的耐接触疲劳性能，适宜于重载铁路磨耗过快或疲劳问题突出的路段。

Description

钒铬微合金化超细珠光体钢轨

技术领域

本发明涉及一种钢轨，具体涉及一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨。

背景技术

铁路的飞速发展对钢轨性能提出了更高要求，铁路用钢轨主要分为珠光体型和贝氏体型两大类。其中，珠光体型钢轨又依据线路条件的差异分为亚共析、共析和过共析型。目前，我国既有客货混运铁路及重载铁路主要以U75V、U78CrV、U77MnCr等共析、过共析珠光体热轧及热处理钢轨为主，高速铁路以U71Mn热轧钢轨为主。珠光体钢轨综合性能的提高主要采用微合金化、热处理以及合金化+热处理三种方式，而合金化+热处理被认为是提高钢轨性能最有效、最具性价比的方式。珠光体显微组织由近似平行分布的片层状铁素体及其间不连续分布的渗碳体组成。已有研究证明，软质铁素体为钢轨提供必要的韧塑性以提高钢轨的疲劳性能；在轮轨应力作用下，渗碳体被挤出并聚集在表层使钢轨硬度进一步提高，抵抗车轮的往复磨耗，从而达到钢轨使用长寿化的目标。一般来说，珠光体片间距越细、碳化物硬度越高，钢轨的耐磨损性能越好。因此，重载铁路铁路钢轨往往添加Cr、V等碳化物形成元素形成硬度更高的复杂碳化物。然而，耐磨损性能的提高将会带来钢轨耐接触疲劳性能的降低，在服役过程中易产生黑斑、斜裂纹、剥离掉块等伤损，特别是钢轨定期打磨无法满足时，表现得更为明显；基于珠光体钢轨磨损及疲劳性能无法同时满足的问题，认为珠光体钢轨的发展已接近极限。

因此，寻找一种综合强韧性能更好的超细珠光体钢轨，可以更好地满足未来铁路发展需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨。

钒铬微合金化超细珠光体钢轨，其化学成分以重量百分比计，C:0.78～0.86％、Si：0.15～0.70％、Mn：0.40～1.20％、Cr：0.30～0.80％、V：0.04～0.12％、S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质；

其生产方法中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加水雾混合气进行加速冷却，冷速为4.0～8.0℃/s，当轨头表层温度降至500～550℃时停止施加水雾混合气，并施加压缩空气进行加速冷却，冷速为1.5～3.5℃/s，当轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却，空冷至室温。

进一步的，在本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨的生产方法中，先采用转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD处理后连铸得到250mm×250mm～450mm×450mm断面方坯。

本发明有益效果：

(1)、本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨的轨头部位特别是距离轨头表层20mm深范围内珠光体片层间距为0.07～0.10μm；

(2)、本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨在同等条件下的磨耗量更低，具有更高的强韧性能和耐磨损性能；

(3)、本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨基于细晶强化的特性，钢轨的耐接触疲劳性能也获得了同步提升；

(4)、本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨的抗拉强度≥1400MPa、延伸率≥10％、轨头踏面硬度≥420HB、轨头踏面下方20mm处硬度≥375HB，适宜于重载铁路磨耗过快或疲劳问题突出的路段。

具体实施方式

本发明是通过对珠光体片层间距的细化至极限可达到进一步提高钢轨性能的目的。发明人在研究过程中发现，目前铁路应用的珠光体钢轨片层间距一般在0.12～0.20μm之间。通过特定的化学成分设计并配合接近极限的热处理工艺，轨头部位特别是距离轨头表层20mm深范围内珠光体片层间距可细化至0.07～0.10μm。为了实现上述目的，本发明提供了一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨及其生产方法。具体来说，在现有珠光体钢轨碳含量基础上，辅以适量Si、Mn元素并采用V、Cr复合微合金化，通过对余热钢轨施加两段具有不同冷却速度的冷却方式，在确保钢轨全断面仍为珠光体组织的同时大幅提升钢轨的强硬度指标，这种采用细晶强化方式获得的钢轨不仅具有优良的耐磨损性能，同时耐接触疲劳性能较现有产品也有明显改善。

本发明钢轨采用如下化学成分：以重量百分比计，C:0.78～0.86％、Si：0.15～0.70％、Mn：0.40～1.20％、Cr：0.30～0.80％、V：0.04～0.12％、S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。采用转炉或电炉冶炼含有上述成分的钢水，无铝脱氧，经LF精炼后降低钢中S含量，RH真空处理或VD处理后进行成分微调至目标范围内，同时进一步降低钢中H、O、N含量；将钢液连铸为250mm×250mm～450mm×450mm断面钢坯后冷却进入加热炉中加热至1200～1300℃并保温一定时间后出炉，经高压水除磷后采用万能法或孔型法轧制为50～75kg/m所需断面钢轨。

钢轨终轧后的温度为850～1000℃，利用钢轨的轧制余热，分别对钢轨的轨头踏面及两侧施加冷速为4.0～8.0℃/s的水雾混合气强制冷却，进行4.0～8.0℃/s冷速设定的原因是：为获得更细的珠光体片层间距，进而获得更高的强韧性能，相变需在更大的过冷度下完成。如冷速低于4.0℃/s，在珠光体相变前及相变过程中的过冷度较低，无法充分细化组织，进而无法达到本发明所述获得超细珠光体钢轨的目的；如冷速高于8.0℃/s，由于冷速过快，在钢轨表层将生成贝氏体、马氏体等异常组织而导致钢轨判废。因此，由奥氏体相区加速冷却的冷速为4.0～8.0℃/s。当轨头表层温度降至500～550℃时加速冷却介质更换为冷速为1.5～3.5℃/s压缩空气，进行上述设置的原因是：本发明钢轨中提高钢轨淬透性元素含量高于现有珠光体钢轨，如一直采用4.0～8.0℃/s冷速的水雾混合气，产生异常组织的风险极大。因此，在珠光体相变即将开始及相变过程中，冷速需有所降低。本发明与现有同类技术的创新之处在于，在不同温度范围内，施加两种具有不同冷速的冷却介质，以下详述轨头表层温度降至500～550℃时加速冷却介质更换为冷速为1.5～3.5℃/s压缩空气的原因：由于水雾混合气由水及空气按一定压力及流量配比形成，从喷嘴中喷出作用与钢轨表面时对表层的激冷作用较强，使得钢轨表层及一定深度内获得较大的相变过冷度，一般不超过15mm；当钢轨表层温度降至500～550℃时，距表层30mm的轨头心部温度为580～650℃，高于轨头表层至少80℃，此时轨头心部处于相变前或相变过程中，仍需维持所需的过冷度，由于轨头表层温度明显低于轨头心部，受热交换的影响，轨头心部热量将向轨头表层传递，特别是相变过程中因相变潜热的释放，轨头表层的温度将显著回升。此时，轨头表层施加1.5～3.5℃/s压缩空气加速冷却是为了抑制因温度升高产生的组织粗化导致性能的降低。另外，相比于水雾混合气，压缩空气最显著的优势是冷速可精确控制的同时能均匀施加至钢轨表层。如冷速低于1.5℃/s，则轨头表层温度迅速升高，导致轨头心部组织粗大，性能显著降低；如冷速高于3.5℃/s，则轨头全断面出现异常组织的风险极大，钢轨易成废品。当轨头表层温度降至400℃以下时，珠光体相变已全部完成，钢轨继续空冷至室温后经后步矫直、探伤、加工等工序获得成品钢轨。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

实施例以及相应的对比例均选用下表中六组本发明所述钢轨化学成分。

表1 本发明六组实施例及对比例化学成分

续表1

3	0.82	0.51	0.69	0.011	0.007	0.61	0.12
								4	0.83	0.62	0.80	0.014	0.009	0.55	0.07
5	0.85	0.70	0.40	0.012	0.004	0.42	0.09
								6	0.86	0.48	0.94	0.013	0.010	0.30	0.04

将含有上述成分的钢坯均轧制为60kg/m钢轨，六组实施例热处理工艺如表2所示，相应对比例采用现有技术热处理工艺，如表3所示。

表2 本发明中六组实施例热处理过程控制参数

表3 本发明中六组对比例热处理过程控制参数

将上述完成处理的钢轨空冷至室温，经检验后得到如表4所示的显微组织及力学性能指标。其中，磨耗量测定采用以下测试参数：

试样尺寸：厚度10mm、直径36mm空心圆样；

试验载荷：150kg；

滑差：10％；

对磨下试样材质：硬度280-310HB的车轮钢；

旋转速率：200转/分钟；

总磨损次数：10万次。

表4 本发明六组实施例及对比例部分力学性能

本发明选取了具有相同化学成分、采用不同热处理工艺的六组实施例及相应的对比例进行对比。在实施例中，采用的热处理工艺均为本发明所述方法，相应对比例为现有方法。对比结果表明，在相同化学成分、冶炼及轧制工艺下，对轧制后钢轨的处理方式的不同对钢轨的最终性能将产生显著影响，具体表现为：采用本发明中的方法，轨头部位强硬度指标进一步提高的同时保持良好的韧塑性，特别是轨头踏面下方20mm处珠光体片层间距更细，硬度的指标更高，并在同等条件下的磨耗量方面有所体现，即采用本发明方法生产的钢轨具有更高的强韧性能和耐磨损性能，同时基于细晶强化的特性，钢轨的耐接触疲劳性能也获得了同步提升。相比之下，采用现有热处理方法的对比例中，轨头表层性能尚且能够满足要求，随着钢轨的不断磨耗，将出现磨耗量骤增而大幅缩短钢轨服役寿命的问题，无法满足铁路长寿化发展趋势。

综上所述，本发明钒铬微合金化超细珠光体钢轨提供了一种有用于终轧后带有余热钢轨热处理的有效方法，在相同成分及生产工艺下，采用该方法可使钢轨获得更加优异的强韧性指标，产品适用于对抗接触疲劳伤损和耐磨损性能要求较高的重载铁路。

尽管已经具体描述了一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨及其生产方法，但是本领域的技术人员应该知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种形式的改变。

Claims (2)

1.钒铬微合金化超细珠光体钢轨，其特征在于：其化学成分以重量百分比计，C:0.78～0.86％、Si：0.15～0.70％、Mn：0.40～1.20％、Cr：0.30～0.80％、V：0.04～0.12％、S≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质；

其生产方法中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加水雾混合气进行加速冷却，冷速为4.0～8.0℃/s，当轨头表层温度降至500～550℃时停止施加水雾混合气，并采用压缩空气进行加速冷却，冷速为1.5～3.5℃/s，当轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却，空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的钒铬微合金化超细珠光体钢轨，其特征在于：其生产方法中，先采用转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD处理后连铸得到250mm×250mm～450mm×450mm断面方坯。