CN104561816A - 一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度和耐接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法，属于黑色钢材制造技术领域。本发明提供一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其化学成分以重量计包括：C0.76％～0.86％；Si0.6％～1％；Mn0.7％～1.5％，Cr？0.1％～0.5％，且0.8％≤Mn％+Cr％≤1.6％；V0.05％～0.3％，Ni0.1％～0.35％，且0.15％≤V％+Ni％≤0.4％；Mo≤0.03％；P≤0.02％；S≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质；所述钢轨金相组织为细珠光体+A，其中，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A≤2％。所得钢轨的抗拉强度为1260MPa～1420MPa。

Description

一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种高强度、高耐磨和耐接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法，属于黑色钢材制造技术领域。
背景技术
随着我国重载铁路的快速发展，我国货运铁路的轴重也在不断提升，如目前国内大多数客货混运铁路的轴重为21吨和23吨，专用货运通道如大秦、溯黄铁路轴重为25吨，以及刚刚建成试通车“中南通道”的轴重为30吨。可以预想未来进一步提升我国的货运效率的各种方法中，提升货车轴重将是最优化、最经济的方式。同时，随着货运铁路轴重的不断增加，货运铁路对高抗磨耗性能和高抗接触疲劳性能钢轨的需求将会更加迫切，因此需要开发新的钢轨钢来满足我国新的铁路运输模式，本发明主要是针对我国复杂重载运输条件开发出的抗磨耗和抗接触疲劳性能优良的重载钢轨。
在近些年中，国内外相关钢轨生产企业针对我国钢轨生产现状和铁路运营条件，在我国申请了相关的钢轨专利技术，如过共析钢轨生产技术、低合金钢轨生产技术等，大致专利如下。
(1)克里斯英国有限公司于2011年申请“具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢”专利(申请公布号CN 101946019 A)，该专利涉及高强度珠光体钢的钢轨，其具有耐磨性和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合，其中该钢由以下组成：0.88-0.95％碳，0.75％-0.92％硅，0.80％-0.95％锰，0.05％-0.14％钒，至多0.008％氮，至多0.030％磷，0.008％-0.030％硫，至多2.5ppm氢，至多0.10％铬，至多0.010％铝，至多20ppm氧，余量为铁和不可避免的杂质。该专利钢轨在水润滑条件下具有超过130000循环的RCF抵抗性。
(2)国内包头钢铁公司于2012年申请“一种含Cr、V的高强稀土钢轨”专利(申请公布号CN 102517501 A)，该专利涉及一种高强耐磨稀土钢轨，属于冶金产品技术领域。钢轨的化学成分，其特征在于钢轨的化学成分及重量百分比含量为：C0.65～0.82、Si 0.50～0.80、Mn 0.70～1.20、P≤0.025、S≤0.025、Cr0.20～0.40、V≤0.10、RE(加入量)≤0.03、其余为基体Fe和微量杂质元素。通过添加Cr、V合金及稀土，采用在精炼后添加稀土包芯线，使其各元素刚柔相济，增加钢轨的强度及耐磨性，提高综合性能，改善焊接性能和热处理性能，此钢轨适用于运量大的重要干线，有着广阔的应用前景。
(3)国内包头钢铁公司于2013年申请“一种高强度热处理钢轨专用钢材”专利(申请公布号CN 103014486 A)，该专利涉及一种高强度热处理钢轨专用钢材，其特征在于，其化学成分按重量百分比包括：C：0.70～0.82％、Si：0.13～0.60％、Mn：0.65～1.25％、P、S≤0.025％、和Al≤0.007％，其余为铁及不可避免的杂质。其优点是：成分配比合理，通过热处理，可使钢轨强度提高，能够满足印尼运煤专线及曲线钢轨的要求。
(4)国内包头钢铁公司于2013年申请“一种低合金中等强度钢轨专用钢材”专利(CN103014506A)，该专利涉及一种低合金中等强度钢轨专用钢材，其特征是：钢材的成分组成为：碳重量百分含量为0.72～0.82％，硅重量百分含量为0.35～1.00％，锰重量百分含量为0.80～1.25％，铬重量百分含量为0.40～0.70％，磷重量百分含量小于等于0.020％，硫重量百分含量小于等于0.020％，铝重量百分含量小于等于0.005％，其余为铁及不可避免的杂质。其优点是：成分配比合理，合金元素含量低，相比一般热轧钢轨强度高、硬度高，能够满足曲线和重载线路钢轨的使用要求。
(5)新日铁住金株式会社公司于2013年在国内申请“钢轨及其制造方法”专利(申请公布号CN 102985574 A)，该专利提供一种钢轨，该钢轨以质量％计含有：C：大于0.85且为1.20％以下、Si：0.05～2.00％、Mn：0.05～0.50％、Cr：0.05～0.60％、P≤0.0150％，其余部分由Fe及不可避免的杂质构成，其中，由以头部拐角部及头顶部的表面作为起点到深度10mm的范围构成的头表部的97％以上为珠光体组织；所述珠光体组织的维氏硬度为Hv320～500；所述珠光体组织中的渗碳体相的Mn浓度CMn[at.％]除以铁素体的Mn浓度FMn[at.％]而算出的值CMn/FMn值为1.0以上且5.0以下。
(6)奥地利沃斯特-阿尔派因钢轨有限公司于93年申请“钢轨热处理方法”(专利公开号CN1085258A)，该专利涉及在一种含合成冷却介质添加济的冷却介质中，从高于720℃的温度开始冷却，对钢轨，尤其轨头进行热处理的方法中，该处理通过在冷却介质中浸渍到所浸部分取出后表面温度在450℃和550℃之间，而整个截面上不均温而进行以在遵循最佳轨头冷却速度的情况下，防止轨腰变脆。
(7)新日本制铁株式会社公司于2012年申请“延展性优良的珠光体系高碳钢钢轨及其制造方法”(申请公布号CN 102803536 A)，本发明涉及一种延展性优良的珠光体系高碳钢钢轨，其以质量％计，含有C：超过0.85％～1.40％、Si：0.10～2.00％、Mn：0.10～2.00％、Ti：0.001～0.01％、V：0.005～0.20％以及N＜0.0040％，剩余部分包括铁和不可避免的杂质；Ti和V的含量满足下式(1)的范围，而且钢轨头部为珠光体组织。5≤[V(质量％)]/[Ti(质量％)]≤20。
(8)美国柏林顿北方铁道公司于1991年申请“高强度耐损伤钢轨及其制造方法”(专利公开号CN 1063916A)。该专利提出一种高强度耐损伤钢轨的构成，该钢轨的组分按重量百分比计算为C：(0.60～0.85)％、Si：(0.1～1.0)％、Mn：(0.5～1.5)％、P：在0.035％以下、S：在0.040以下、Al：在0.05％以下，其余为Fe及不可避免的夹杂。角部2及头侧部3的硬度为HB341～HB405,头顶部的硬度为上述角部及头侧部硬度的90％以下。利用本发明，可以抑制由于头部拉痕等造成的过大接触压力而产生的头顶部的损伤，可延长钢轨的寿命。
(9)日本钢管株式会社于1986年申请“能够防止失稳断裂扩展的耐磨钢轨”(专利公开号CN86106894A)，该专利设计钢轨成分为碳0.50～0.85％(重量百分比，以下仅用％表示)，含硅0.10～1.0％，含锰0.50～1.50％，含磷小于0.035％，含硫小于0.035％，含铝小于0.050％，余量为铁和不可避免的杂质。轨腰组织为高韧性回火贝氏体组织或贝氏体和马氏体的混合组织。钢轨还可以含有如下一种或几种元素：含铬0.05～1.50％，含钼0.05～0.20％，含钒0.03～0.10％，含镍0.10～1.00％和含铌0.005～0.050％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、高耐磨和高抗接触疲劳性能钢轨的生产工艺和方法。
本发明的技术方案：
本发明提供一种高强度耐疲劳性能优良钢轨，其化学成分以重量计包括：C 0.76％～0.86％；Si 0.60％～1.00％；Mn 0.70％～1.50％，Cr 0.10％～0.50％，且0.80％≤Mn％+Cr％≤1.60％；V 0.05％～0.30％，Ni 0.10％～0.35％，且0.15％≤V％+Ni％≤0.40％；Mo≤0.03％；P≤0.020％；S≤0.015％；余量为铁和不可避免的夹杂物；所述钢轨金相组织为细珠光体+A，其中，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A≤2％。
进一步，所述钢轨成分还包括：0.05％-0.30％Ti和0.005％-0.10％Nb。
优选的，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A≤1％。
所述钢轨的抗拉强度为1260MPa～1420MPa，轨头踏面硬度为390HB～432HB，轨头表面下10mm硬度为380HB～420HB，轨头表面下24mm硬度为370HB～401HB。
本发明还提供了上述高强度耐疲劳性能优良钢轨的生产方法，包括以下工序：转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制-冷却-矫直，其中，控制轧制工序中终轧温度为930℃～1000℃；控制冷却工序中，初始冷却温度在780℃～880℃，终冷温度在300℃～400℃，冷却速度为4.0℃～10.0℃/秒。
优选的，上述冷却方式为风冷、水雾冷却和水冷中的至少一种。
本发明的有益效果：对比背景技术的相关报道，本发明第二相组织(如先共析铁素体和先共析渗碳体)更少，同时在钢轨全断面内均为珠光体组织，尤其是在轨腰中不允许出现回火态的马氏体和贝氏体组织，这样避免了钢轨服役过程中出现轨腰水平裂纹的风险。此外，本发明还具有以下优点：
(1)钢轨生产工艺流程紧凑，操作更易于控制，与离线热处理工艺相比，取消了二次加热工序，节约了能源和生产时间。
(2)采取以上工艺，轨头冷却更为均匀，轨头硬化层深度更深。
附图说明
图1为钢轨踏面硬度测试位置的结构示意图，其中，L＝10mm，B＝24mm。钢轨踏面硬度测试位置A0，测试时，需要将钢轨踏面磨掉0.50mm后，再进行表面布氏硬度测试；A1、B1、C1为距轨头表面10mm硬度测试点，A2、B2、C2为距轨头表面24mm硬度测试点。
图2为图1中A的局部放大示意图。
图3为实施例1所得试样的典型金相组织，金相组织为珠光体+0.8％微量先共析铁素体。
具体实施方式
本发明提供一种高强度耐疲劳性能优良钢轨，其重量成分包括：C 0.76％～0.86％；Si0.60％～1.00％；Mn 0.70％～1.50％，Cr 0.10％～0.50％，且0.80％≤Mn％+Cr％≤1.60％；V 0.05％～0.30％，Ni 0.10％～0.35％，且0.15％≤V％+Ni％≤0.40％；Mo≤0.03％；P≤0.020％；S≤0.015％；余量为铁和不可避免的夹杂物；其金相组织为细珠光体组织+A，其中，A为先共析铁素体或先共析渗碳体(也叫二次渗碳体)，且A≤2％。
先共析铁素体：本意是低于共析成分的奥氏体，从高温慢冷下来之际，在发生共析相变(共析转变)之前析出的铁素体。
先共析渗碳体：也叫二次渗碳体，从奥氏体A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。二次渗碳体在降温时因含碳量变化从奥氏体中而沿晶界析出的，多在过共析钢中出现，一般都是呈网状，由于对性能的影响不利，常可通过正火来打断二次渗碳体网，以改善性能。
优选的，根据强化需要，可以添加0.05％-0.30％钛和0.005％-0.10％Nb。以下为各种元素的设计说明及控制范围。
C为提高钢轨耐磨耗性能的有效元素，但是，若碳含量过高，则容易造成大量的先共析渗碳体(也叫二次渗碳体)；若碳含量过低，则容易析出大量的先共析铁素体，均会对钢轨的接触疲劳性能造成不良影响。因此，本发明中，为便于将先共析铁素体和先共析渗碳体控制在2.0％以内，将碳含量控制在0.76％～0.86％范围内。
Si是固溶强化的主要元素，可提高钢轨的强度和耐磨耗性能。同时，在共析钢轨钢种，Si是促进铁素体析出元素，具有抑制渗碳体析出的作用。但是，当Si含量过高时，将降低钢轨的塑性和韧性，从而降低钢轨抗接触疲劳性能。因此，本发明中将Si含量控制在0.60％～1.00％。
Mn元素和Cr元素为强淬透性合金元素，在两种元素同时添加时效果最好，同时Mn和Cr元素是提高钢轨耐磨性的主要元素。但是，过高的Mn含量和Cr含量，将会使钢轨生产有害的贝氏体和马氏体组织，需要严格控制锰元素和铬元素的添加总量。因此，在本发明为保证钢轨的组织为珠光体组织，将Mn含量控制在0.70％～1.50％，将Cr含量控制在0.10％～0.50％，同时0.80％≤Mn％+Cr％≤1.60％。
Mo元素是强烈的提高淬透性元素，尤其是与Mn和Cr综合使用时，微量的Mo将会在钢轨轨腰造成贝氏体和马氏体的混合组织，对钢轨轨腰的性能及其不利。如专利CN86106894A所描述的Mn、Cr和Mo合金体系下，轨腰就出现了典型的贝氏体组织。在本发明中，主要采用微合金Mn元素和Cr元素来保证其淬透性，因此本发明中将Mo含量控制在0.03％以下。
V元素和Ni元素均是提高钢轨强韧性的元素，而不降低钢轨的塑形，但是，超过一定量的V元素和Ni元素，其提高韧性将不显著，反而会起到相反的作用，同时造成生产成本显著增加。因此，本发明中，将V含量控制在0.05％～0.30％，将Ni控制在0.10％～0.35％，同时0.15％≤V％+Ni％≤0.40％。
P、S均为钢中无法全部清除的元素，P在钢轨组织中在晶界偏聚，对钢轨的韧性及其有害，S在钢中主要生成MnS夹杂，对钢轨的接触疲劳性能有害。因此本发明中，根据企业的实际生产控制能力，将P元素控制到0.020％以下，将S元素控制在0.015％以下。
另外，为了提高钢轨钢的强度和耐磨耗性，防止焊接热影响区软化，提高焊接接头的强度和硬度，可以添加细化晶粒的Ti、Nb元素，但是过高的Ti和Nb将是钢轨在高温析出TiC、NbC等第二相，在以上第二相析出过程中，由于实际降低钢轨中溶解的碳含量，减少钢轨珠光体组织中的渗碳体片层含量，这样反而会降低钢的强度和硬度。因此，本发明中仅可添加微量的Ti和Nb，其Ti含量控制0.05％～0.30％，Nb含量控制在0.005％～0.10％。
所得钢轨抗拉强度为1260MPa～1420MPa，测试位置见附图1；轨头踏面硬度为390HB～432HB，测试位置见附图2；轨头表面下10mm硬度为380HB～420HB，测试位置将附图2；轨头表面下24mm硬度为370HB～401HB，测试位置见如图2。
本发明还提供了上述高强度耐疲劳性能优良钢轨的生产方法，包括：转炉冶炼-LF炉精炼-RH真空处理-连铸-轧制-冷却-矫直-检测-表面检查工序，其中，控制轧制工序中终轧温度为930℃～1000℃；控制冷却工序中，初冷温度为780℃～880℃，终冷温度为300℃～400℃，冷却速度为4.0℃～10.0℃/秒。
钢轨采用在线热处理的方式生产，钢轨通常的终轧温度为930℃～1000℃，为抑制钢轨中的先共析铁素体或先共析渗碳体析出，需要在高温阶段对其进行强制冷却(包括采用风冷、水雾冷却和水冷中的一种或多种组合)，其开始冷却温度控制在780℃～880℃之间。而且，由于开始冷却温度较高，需要采用较大的冷却效率才能使钢轨轨头心部淬透，通常将冷却速度控制在4.0℃/s～10.0℃/s，一直将钢轨轨头表面中心点的温度冷却到300℃～400℃为止，最终在提高钢轨轨头表面硬度达到390HB的同时，也使距离钢轨轨头表面24mm深层硬度达到370HB以上。
实施例
生产工序包括：钢轨钢经过转炉冶炼——LF炉精炼和钢水增温——RH成分控制和均匀化——六流保护大方坯连铸——大方坯加热——7机架万能轧制——带端头进入热处理机组进行强制冷却——终冷到300℃～400℃离开热处理机组——步进式冷床——平、立复合矫直——无损探伤、断面尺寸、平直度检测——联合锯钻、定尺——表面检查——入库。
轧件从UF终轧出来时的温度在930℃～1000℃之间，为保证开冷温度在780℃～880℃之间，需要提高辊道运行速度，取消相关停顿工序，保障轧件以满足要求的温度进入进入热处理机组。根据钢轨熔炼成分及温度控制钢轨的冷却速度，调整范围为：4.0℃/s～10.0℃/s之间。
下面结合以上的实施方式来介绍实施例，钢轨钢经过冶炼中的化学成分如表1所示；工艺条件控制见表2；成品性能结果及金相组织见表3。本发明实施例中，抗拉强度、延伸率、踏面硬度等性能分别按照GB/T228.1“金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法”、GB/T230.1“金属洛氏硬度试验第1部分：试验方法”、GB/T231.1“金属布氏硬度试验第1部分：试验方法”进行测试。
表1实施例1-7的熔炼成分
表2实施例1-7的冷却速度与性能指标
表3实施例1-7的性能指标
表2中，P为珠光体,α为先共析铁素体，FeC为先共析渗碳体(也叫二次渗碳体)。

Claims (7)

1.一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，其化学成分以重量计包括：C 0.76％～0.86％；Si 0.60％～1.00％；Mn 0.70％～1.50％，Cr 0.10％～0.50％，且0.80％≤Mn％+Cr％≤1.60％；V 0.05％～0.30％，Ni 0.10％～0.35％，且0.15％≤V％+Ni％≤0.40％；Mo≤0.03％；P≤0.020％；S≤0.015％；余量为铁和不可避免的夹杂物；所述钢轨金相组织为细珠光体+A，其中，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A≤2％。
2.根据权利要求1所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述钢轨化学成分还包括：0.05％-0.30％Ti和0.005％-0.10％Nb。
3.根据权利要求1或2所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，A≤1％。
4.根据权利要求1或2所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述钢轨的抗拉强度为1260MPa～1420MPa，轨头踏面硬度为390HB～432HB，轨头表面下10mm硬度为380HB～420HB，轨头表面下24mm硬度为370HB～401HB。
5.根据权利要求3所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述钢轨的抗拉强度为1260MPa～1420MPa，轨头踏面硬度为390HB～432HB，轨头表面下10mm硬度为380HB～420HB，轨头表面下24mm硬度为370HB～401HB。
6.权利要求1～5任一项所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨的生产方法，包括以下工序：转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制-冷却-矫直，其特征在于，轧制工序中控制终轧温度为930℃～1000℃；冷却工序中，控制初始冷却温度在780℃～880℃，终冷温度在300℃～400℃，冷却速度为4.0℃～10.0℃/秒。
7.根据权利要求6所述的高强度耐疲劳性能优良的钢轨的生产方法，其特征在于，所述冷却方式为风冷、水雾冷却和水冷中的至少一种。
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