CN104120354B - 一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法。接触疲劳性能优良的钢轨，以重量百分比计，含0.68-0.75％C、0.2-0.8％Si、0.4％-1％Mn、0.3％-0.7％Cr、0.04％-0.12％V，S≤0.01％，P≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质，采用转炉、LF精炼、RH真空处理获得方坯轧制为50-75kg/m断面后，利用钢轨余热，采用冷速为5-8℃/s的水雾混合气对轨头部位加速冷却，当轨头表层温度降至500-550℃时换为冷速为2-4℃/s的压缩空气继续冷却直至轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却并空冷至室温，该钢轨轨头踏面至下方20mm处珠光体片间距0.07-0.1μm，抗拉强度≥1200MPa、延伸率≥12％，具有良好的耐滚动接触疲劳性能。

Description

一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢轨，更具体地讲，涉及一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法。

背景技术

高速、重载铁路的飞速发展极大地方便了人们的日常出行及大宗货物的高效运输，铁路运输已逐步成为交通领域最具性价比、不可或缺的运输方式。铁路工业中一直难以解决的技术问题是轮轨滚动接触疲劳问题，科研和技术人员采取了各种方法与措施来减少它的危害，如发展轮轨新材料，优化轮轨廓形匹配，以减少轮轨接触应力和改善轨道与车辆结构性能来减少轮轨之间的动力作用，延长钢轨的服役寿命，但效果均不显著。随着铁路客货运量的增大、列车速度的提高和线路年通过总重的提高，滚动接触疲劳破坏变得越来越显著，尤其是高速重载线路，情况更加严重，不仅显著增加了铁路的运营维护成本，还直接威胁到列车的行车安全。世界各国铁路部门每年需花费巨资来维护与更换疲劳轮对与钢轨，我国铁路部门每年也要花费数十亿元在这项工作上，使我国的铁路运输成本居高不下。此外，轮轨滚动接触过程中引起的疲劳现象往往引起轮轨突发性的断裂破坏。因此，解决轮轨滚动接触疲劳问题，对降低铁路运输成本、保障行车安全是十分重要的。

作为承载并引导列车运行并将载荷传递至道床的关键部件---钢轨，其质量的高低及性能的优劣与铁路运输密切相关。在材质方面，为抵抗轴重与运能的不断提升，钢轨的碳含量及强度呈现不断提高的趋势，以抵抗来自车轮的载荷和磨耗。目前，用量最大、使用范围最广的仍是普通碳素及微合金化系列珠光体钢轨。然而，珠光体钢轨显著的劣势是韧塑性偏低，导致钢轨耐滚动接触疲劳强度低，在轮轨各向复杂接触应力的作用下，在轮轨接触部位易产生斜裂纹、剥离掉块、核伤等缺陷，危机列车的行车安全，尽管通过线路检查或探伤，能够提前发现缺陷并采取相关措施，但钢轨突然断裂，危机行车安全的问题仍然严峻。为此，研究人员尝试了另一种新材质---贝氏体钢轨，这种钢轨具有更高的疲劳强度但面临着耐磨损性能不足、生产工艺复杂、合金化成本高等一系列难题，至今未能大规模推广应用。因此，在现有珠光体钢轨的基础上，发明一种具有良好接触疲劳性能、同时兼具适中耐磨损性能的钢轨十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法，在特定合金化条件下，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综合性能的目的。

本发明的技术方案：

本发明提供一种接触疲劳性能优良的钢轨，以重量百分比计，含有0.68％-0.75％C、0.20-0.80％Si、0.40％-1.00％Mn、0.30％-0.70％Cr、0.04％-0.12％V，P含量≤0.020％，S含量≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质；

其生产方法包括冶炼-精炼-真空精炼-连铸-轧制-热处理，其中，热处理工序中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加冷速为5.0-8.0℃/s的水雾混合气，当轨头表层温度降至500-550℃时停止水雾混合冷却，采用冷速2.0-4.0℃/s的压缩空气继续冷却直至轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却并空冷至室温。

进一步，本发明的钢轨采用转炉或电炉冶炼、经LF精炼、RH或VD处理后连铸为250mm×250mm-450mm×450mm断面方坯。

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，这种细化了的珠光体组织不仅保持了钢轨良好的耐磨损性能，具有较高的强硬度；同时，依托强烈的细晶强化效应，韧塑性较现有钢轨显著改善，钢轨的耐接触疲劳性能随之改善。为了实现上述目的，本发明提供了一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法。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提升钢轨的强韧性指标，这种采用细晶强化方式获得的钢轨不仅保持了良好的耐磨损性能，同时耐接触疲劳性能明显由于现有产品。

本发明的有益效果：

利用本发明所得的钢轨，钢轨轨头踏面至下方20mm处珠光体片间距0.07-0.10μm，抗拉强度≥1200MPa、延伸率≥12％、轨头踏面硬度≥370HB、轨头踏面下方20mm处硬度≥340HB，该钢轨具有良好的耐滚动接触疲劳性能，适宜于剥离掉块等疲劳伤损突出的路段。

具体实施方式

本发明钢轨采用如下化学成分：0.68％-0.75％C、0.20-0.80％Si、0.40％-1.00％Mn、0.30％-0.70％Cr、0.04％-0.12％V，S含量≤0.010％，P含量≤0.020％，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5.0-8.0℃/s的水雾混合气强制冷却，进行5.0-8.0℃/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5.0℃/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5.0-8.0℃/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2.0-4.0℃/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5.0-8.0℃/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2.0-4.0℃/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2.0-4.0℃/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2.0℃/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4.0℃/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。

在下文中，将结合实施例来具体描述本发明中一种接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法。

实施例以及相应的对比例均选用以下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

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，磨耗量及疲劳性能测定采用以下测试参数：

试样尺寸：厚度10mm、直径60mm空心圆样，用于磨耗量测定的试样为光滑表面，用于疲劳性能测定的试样外侧沟槽突出高度5mm；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：20万次。

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，对比例为已有常规方法。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断后延伸率仍达到12％以上，具有良好的强韧性匹配，轨头踏面下方20mm同样具有优良的综合性能，无论硬度或珠光体片层间距明显优于已有方法。依托微合金化设计及热处理细晶强化，本发明钢轨轨头表层及轨头表层下20mm处耐磨损性能略优于现有方法的产品，但接触疲劳测试表明，基于模拟剥离掉块的本发明钢轨沟槽掉块数量更少，表明接触疲劳性能更佳，适中的耐磨损和良好的基础疲劳性能能够满足铁路长寿化的发展趋势。

Claims (3)

1.一种接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，以重量百分比计，含有0.68％-0.75％C、0.20-0.80％Si、0.40％-1.00％Mn、0.30％-0.70％Cr、0.04％-0.12％V，P含量≤0.020％，S含量≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质；

其生产方法包括冶炼、LF精炼、真空精炼、连铸、轧制和热处理，其中，热处理工序中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加冷速为5.0-8.0℃/s的水雾混合气，当轨头表层温度降至500-550℃时停止水雾混合冷却，采用冷速2.0-4.0℃/s的压缩空气继续冷却直至轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却并空冷至室温。

2.如权利要求1所述的接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，采用转炉或电炉冶炼、经LF精炼、RH或VD处理后连铸为250mm×250mm-450mm×450mm断面方坯。

3.一种接触疲劳性能优良的钢轨的生产方法，包括冶炼、LF精炼、真空精炼、连铸、轧制和热处理，其特征在于，热处理工序中，对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加冷速为5.0-8.0℃/s的水雾混合气，当轨头表层温度降至500-550℃时停止水雾混合冷却，采用冷速2.0-4.0℃/s的压缩空气继续冷却直至轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却并空冷至室温；

其中，以重量百分比计，钢轨含有0.68％-0.75％C、0.20-0.80％Si、0.40％-1.00％Mn、0.30％-0.70％Cr、0.04％-0.12％V，P含量≤0.020％，S含量≤0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。