CN105063490A - 一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路用钢轨及其制备方法，该高速铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组织构成，所述轨距角的厚度为3-5mm，硬度为290-319HB，延伸率为13.5-17.0％。所述制备方法包括：将终轧后的钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温；快速冷却的条件包括：开冷温度为800-880℃，冷却速度为2-10℃/s，终冷温度为360-410℃；快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角温度升高至710-810℃并保温2-4min。本发明的高速铁路用钢轨具有高强度、高耐磨性和高抗接触疲劳性能，尤其在使用前期具有优异的耐磨性能和抗接触疲劳性能。

Description

一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用

技术领域

本发明涉及一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用。

背景技术

近些年，我国高速铁路经历了历史性的大发展时期，在此期间，已经建成了过万公里的时速200km、250km和时速350km高速铁路系统，基本形成了“四横四纵”高速网络。高速铁路由于列车轴重较轻，需要钢轨强度级别较低，如通常采用HB260级的U71Mn热轧钢轨。但是，该钢轨在高速弯道中的磨损速度较快，需要部分线路开始采用高速热处理钢轨来提高弯道钢轨的使用性能。

在高速线路弯道中，在轮轨早期的接触阶段，由于轮轨匹配度不高，造成其接触应力过大，前期采用热轧钢轨，可以快速地将钢轨轨距角处的金属磨损掉，可以有效地减少疲劳伤损的产生。但是在采用高速热处理钢轨后，由于其强度和耐磨耗性能提高，其轨距角金属不易被磨掉，这样在早期反而会容易造成接触疲劳伤损，影响铁路的运营安全。

针对高速铁路钢轨的科学使用，国内外研究人员在采取不同措施进行改善，以期使钢轨使用更为安全，铁路运输更为顺畅。例如，北美地区的美国、加拿大等通过利用将轨距角处的三段圆弧优化为四段圆弧，使轮轨接触应力更小。国内钢轨研究工作者近些年也开始借鉴北美的技术思路来改善轮轨接触条件，如周清跃、张银花、田常海等发表的“60N钢轨的廓形设计及试验研究”论文中介绍，针对我国铁路多种型面的车轮在线路上混跑的实际情况，为改善轮轨接触关系，减少轮轨接触应力、改善车辆动力学性能，研究设计具有新轨头廓型的60N钢轨。仿真结果表明：60N钢轨与LM，S1002CN和LMA型面车轮接触时的接触点基本在轨头踏面中心区域；60N钢轨的最大接触应力和最大Mises等效应力与60钢轨相比，分别降低约19％和13％。

同时，国内专利CN101921950B“用于高速和准高速铁路的钢轨及其制造方法”中公开了本发明公开了一种用于高速和准高速铁路的钢轨及其制造方法。通过降低碳含量，并配合轧后控制冷却的方式，得到具有优良的滚动接触疲劳性能的钢轨，所述钢轨包含的化学成分以重量计为：0.40％～0.64％的C，0.10％～1.00％的Si，0.30％～1.50％的Mn，少于等于0.025％的P，少于等于0.025％的S，少于等于0.005％的Al，大于0少于等于0.05％的稀土元素，总量大于0且小于等于0.20％的V、Cr和Ti中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。根据该发明的方法制造的钢轨保持了现有高速铁路的钢轨的强度和硬度的同时提高了钢轨的韧塑性和屈服强度，并提高了形成在钢轨表层的疲劳微裂纹萌生及扩展所需的能量值，从而在相同条件下可以改善钢轨的滚动接触疲劳性能，最终提高钢轨的使用寿命和运输安全性。然而该方法虽然提高了高速钢轨的抗接触疲劳性能，但是部分降低了钢轨基体的抗磨耗性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有的货运铁路在使用早期容易出现接触疲劳劳损的现状，提供一种高速铁路用钢轨及其生产方法，该高速铁路用钢轨具有高强度、高耐磨性和高抗接触疲劳性能，尤其在使用前期具有优异的耐磨性能和抗接触疲劳性能。

本发明提供了一种高速铁路用钢轨，该高速铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组织构成，所述轨距角的厚度为3-5mm，硬度为290-319HB，延伸率为13.5-17.0％。

本发明还提供了生产本发明的高速铁路用钢轨的方法，该方法包括：将终轧后的钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温；快速冷却的条件包括：开冷温度为800-880℃，冷却速度为2-10℃/s，终冷温度为360-410℃；快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角温度升高至710-810℃并保温2-4min。

本发明另外提供了本发明生产高速铁路用钢轨的方法生产得到的高速铁路用钢轨。

本发明的发明人发现球状珠光体组织由于其较好的塑形性能和稍低的耐磨耗性能非常适合用作轨距角的金相组织，这样的轨距角由于具有更好的塑形性能，能被快速磨掉，形成良好的轮轨接触关系，使钢轨在使用前期具有良好的耐磨耗性能和抗接触疲劳性能。本发明的发明人进一步研究发现，为了得到球状珠光体组织的轨距角，可以在钢轨的生产后期进行特殊的热处理，例如先快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温，能够使轨距角处生成球状珠光体组织。本发明的方法得到的钢轨兼具优异的强度、耐磨性和抗接触疲劳性能。

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。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的高速铁路用钢轨的轨距角的区域示意图。

图2是根据本发明实施例1的高速铁路用钢轨的轨距角的球状珠光体组织的金相组织的扫描电镜图。

图3是本发明提供的高速铁路用钢轨的轨头基体的硬度测试的测试点示意图。

图4是本发明提供的高速铁路用钢轨的轨距角的硬度测试的测试点示意图。

图5是本发明提供的高速铁路用钢轨的快速加热过程的加热区域示意图。

附图标记说明

1轨距角的区域A1轨头基体硬度的测试位置

B1轨距角硬度的测试位置C1轨距角硬度的测试位置

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。

本发明提供了一种高速铁路用钢轨，该高速铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组织构成，所述轨距角1的厚度为3-5mm，硬度为290-319HB，延伸率为13.5-17.0％，如图1所示。

优选地，所述高速铁路用钢轨的轨距角1的厚度为3.5-4.7mm，硬度为295-315HB，延伸率为13.5-16.2％；优选地，所述高速铁路用钢轨的轨距角1的宽度为18-22mm。

在本发明中，所述轨距角1的厚度的测定方法为金相腐蚀法，硬度的测定方法为GB/T231.1，延伸率的测定方法为GB/T228.1。如图4所示，钢轨的轨距角1的硬度测试点B1和C1的位置大致在轨距角1厚度的中间点。

在本发明中，所述轨距角1的位置适用于本领域通用的轨距角的位置，所述轨距角1的边界通过金相组织来界定，金相组织为球状珠光体组织的部分为本发明的轨距角的具体位置，如图1中附图标记1所指的阴影部分所示。本发明中的轨头、轨腰等描述钢轨部位的词均适用于本领域通用的定义。本发明中所述的轨头基体指的是轨头除了轨距角1之外的部分。

根据本发明的高速铁路用钢轨，所述高速铁路用钢轨的除轨距角1以外的其他部位优选由片状珠光体组织构成，更优选由片状珠光体组织和铁素体组织构成，以除轨距角以外的其他部位的总重量为基准，片状珠光体组织的含量为99.0-99.5重量％，铁素体组织的含量为0.5-1.0重量％。

根据本发明的高速铁路用钢轨，所述高速铁路用钢轨的除轨距角1以外的轨头基体的硬度为321-350HB，延伸率为10.5-14.5％。所述轨头基体的硬度的测定方法为GB/T231.1，延伸率的测定方法为GB/T228.1。如图3所示，钢轨的轨距角1的硬度测试点A1的位置大致在轨头中轴线上深度大约10mm的位置。

本发明的高速铁路用钢轨的轨型优选为60kg/m。

根据本发明的高速铁路用钢轨，以所述高速铁路用钢轨的总重量为基准，所述高速铁路用钢轨可以含有0.63-0.73重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.7-1.2重量％的锰、0.05-0.3重量％的铬、0.04重量％以下的钒、0.025重量％以下的磷、0.025重量％以下的硫和96.98-98.52重量％的铁；另外，根据钢轨强化的需要，还可以添加适量的钛和/或铌，例如0-0.2重量％的钛和/或0-0.1重量％的铌。

优选地，以所述高速铁路用钢轨的总重量为基准，所述高速铁路用钢轨可以含有0.64-0.70重量％的碳、0.22-0.40重量％的硅、0.98-1.12重量％的锰、0.13-0.26重量％的铬、0.02-0.03重量％的钒、0.020重量％以下的磷、0.016重量％以下的硫，97.46-98.01重量％的铁。

以下说明本发明所述钢轨主要化学元素限制在上述范围的原因。

碳(C)是钢轨获得良好强韧性匹配和综合力学性能最重要的元素。当碳的含量低于0.63重量％时，无法充分发挥强化效应，导致钢轨强硬度过低，进而无法保证钢中的碳化物比例及耐磨损性能；当碳的含量高于0.73重量％时，在本发明所述工艺下，钢的强度指标过高而韧塑性过低，导致因碳化物比例过高而显著影响疲劳性能，不利于钢轨的使用安全性。本发明的发明人在试验过程中发现，碳的含量为0.64-0.70重量％能够达到较优的综合性能。

硅(Si)的主要作用是脱氧和改善强度。当硅的含量低于0.1重量％时，一方面固溶量偏低导致强化效果不明显，当硅的含量高于0.5重量％时，将降低塑性。

锰(Mn)是改善强度必不可少的。本发明的发明人研究发现，当锰的含量低于0.7重量％时，难以达到增加碳化物硬度的作用；当锰的含量高于1.2重量％时，碳化物硬度过高，钢轨的抗疲劳性能显著降低。因此，所述锰的含量为0.7-1.2重量％。

铬(Cr)作为中等碳化物形成元素，与钢中的碳可形成多种碳化物；同时，铬能均匀钢中碳化物分布，减小碳化物尺寸，改善钢轨的耐磨损性能。当铬含量低于0.05重量％时，形成的碳化物硬度及比例较低；当铬含量高于0.3重量％，钢中马氏体出现几率将显著提高，钢轨的服役的安全性难于保障。因此，所述铬的含量为0.05-0.3重量％。

钒(V)作为钢种的碳化物元素，能显著强化提高珠光体中的渗碳体强度、硬度和耐磨性，但是过高的钒含量会降低钢轨的塑性和韧性。因此，所述钒的含量为0.04重量％以下。

磷和硫是杂质元素。当磷的含量超过0.025重量％和/或硫的含量超过0.025重量％时，塑性和韧性都变差，因此磷和硫的上限均是0.025重量％。

本发明还提供了一种生产本发明的高速铁路用钢轨的方法，该方法包括：将终轧后的钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温；快速冷却的条件包括：开冷温度为800-880℃，冷却速度为2-10℃/s，终冷温度为360-410℃；快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角温度升高至710-810℃并保温2-4min。

在本发明提供的所述方法中，所述快速冷却过程也称为热处理过程。在快速冷却过程中，对于60kg/m轨型的钢轨，由于对其基体的性能要求较高，且在本发明的成分体系下，需要采用快速冷却的方式才能实现兼具高强度、高耐磨性和高抗接触疲劳的钢轨。快速冷却的速度可以控制为2-10℃/s，优选为4-8℃/s；同时，为保证快速冷却后的温度不能过低，其开冷温度控制为800℃-880℃，优选为820-860℃，同时为保证后续的自然冷却过程更为顺畅，所述快速冷却过程的温度不能过低，本发明中要求其快速冷却后的温度控制在360℃以上例如为360-410℃，优选为375-400℃。为了保证较高的开冷温度，应在终轧之后，迅速地进行快速冷却，从而取消了常规的在终轧之后进行的热剧切头工序。此处，快速冷却的辊道运输速度优选为4-5m/s，快速冷却的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和水汽混合物中的至少一种。

本发明的发明人经过了大量研究，还发现为了实现本发明的轨距角1的金相组织为球状珠光体组织，可以在上述快速冷却之后，立即对轨距角1部位进行快速加热和保温，快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角1温度升高至710-810℃并保温2-4min；优选地，以3.2-3.8℃/s的升温速度将轨距角1温度升高至750-790℃并保温2-4min。

根据本发明的生产方法，优选地，所述快速加热的方式为火焰加热；火焰加热所用的可燃气体可以为各种常用的可燃气体，例如为H₂、C₂H₂和CH₄中的一种或多种，优选为H₂、C₂H₂和CH₄三种气体的混合。优选地，H₂、C₂H₂和CH₄三种气体的比例为1：1-2：3-5。为了使可燃气体充分释放热量，所述可燃气体与氧气的体积比可以根据可燃气体的成分适当地选择，优选地，当可燃气体为H₂、C₂H₂和CH₄中的一种或多种时，可燃气体与氧气的体积比为1：1.5-5，更优选为1：2-4。

根据本发明的生产方法，所述保温指的是对轨距角1进行保温，具体的方法可以为：当对轨距角1进行快速加热达到所需温度之后，通过调节可燃气体和氧气的流量控制温度，使轨距角1实现保温。

根据本发明的生产方法，所述火焰加热的示意图如图5所示，火焰方向应大致垂直于轨距角1的弧面，并且火焰区域应大致刚好覆盖轨距角1的区域，当可燃气体为H₂、C₂H₂和CH₄三种中的一种或多种的混合气时，烧嘴与轨距角1的距离为6-10mm时较为合适。

在本发明中，对钢轨进行终轧及其之前的步骤，以及对钢轨进行快速冷却、快速加热和保温之后的步骤均可以为本领域常规的能够得到片状珠光体组织的钢轨的步骤。例如，本发明的完整的钢轨生产工艺可以为：先依次进行本领域常规的高炉含钒铁水、提钒处理、铁水预脱硫、转炉冶炼、LF炉+RH炉精炼、六流大方坯保护连铸、步进式加热和7机架万能轧制工艺，得到终轧后的钢轨，然后进行本发明的快速冷却、快速加热和保温工艺，之后将得到的钢轨依次进行本领域常规的步进式冷床、平、立复合矫直、超声波检测、断面尺寸、平直度检测、联合锯钻+定尺、表面检查和入库。

根据本发明的生产方法，高速铁路用钢轨的轨型优选为60kg/m。

根据本发明的高速铁路用钢轨，所述高速铁路用钢轨的总重量为基准，所述高速铁路用钢轨可以含有0.63-0.73重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.7-1.2重量％的锰、0.05-0.3重量％的铬、0.04重量％以下的钒、0.025重量％以下的磷、0.025重量％以下的硫和96.98-98.52重量％的铁；另外，根据钢轨强化的需要，还可以添加适量的钛和/或铌，例如0-0.2重量％的钛和/或0-0.1重量％的铌。

优选地，以所述高速铁路用钢轨的总重量为基准，所述高速铁路用钢轨可以含有0.64-0.70重量％的碳、0.22-0.40重量％的硅、0.98-1.12重量％的锰、0.13-0.26重量％的铬、0.02-0.03重量％的钒、0.020重量％以下的磷、0.016重量％以下的硫，97.46-98.01重量％的铁。

本发明另外提供了本发明生产高速铁路用钢轨的方法生产得到的高速铁路用钢轨。该高速铁路用钢轨具有高强度、高耐磨性和高抗接触疲劳性能，按照GB/T228.1方法对其进行抗拉强度R_m的测试可知，本发明的高速铁路用钢轨的抗拉强度R_m可达1120-1250MPa；按照GB/T10622方法对其进行抗接触疲劳的测试可知，本发明的高速铁路用钢轨的抗接触疲劳性能可以达到29-34万次。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的范围不局限于此。

实施例1-5和对比例1-5对应选用以下编号1-5化学成分的钢轨，具体化学成分如表1所示。

表1

余量为Fe、残余元素和夹杂物。

实施例1

将含有表1中编号1化学成分钢经转炉吹炼、LF精炼、RH真空处理后浇铸为连铸钢坯，然后将钢坯送至步进式加热炉中加热至1300℃并保温3h，将钢坯轧制为60kg/m轨型的钢轨，利用翻钢台架将终轧后的钢轨直立于辊道上。将锟道以4.5m/s的速度运输，采用水汽混合物作为冷却介质对钢轨进行快速冷却，控制快速冷却的开冷温度为840℃，冷却速度为4.3℃/s，终冷温度为382℃。快速冷却之后，将H₂、C₂H₂和CH₄三种气体以1:1.5:4的体积比混合成可燃气体，可燃气体与氧气的体积比为1:3，对轨距角1部分以火焰加热(如图5所示)的形式进行快速加热。控制快速加热的升温速度为3.6℃/s，当轨距角1温度升高至760℃时，通过控制可燃气体与氧气的流量，使轨距角1保温约3min，烧嘴与轨距角1的距离在6-10mm内调节。然后将所得钢轨送入步进式冷床处理，再依次经过超声波检测、断面尺寸、平直度检测、联合锯钻+定尺、表面检查，最终获得钢轨A1。

实施例2-5和对比例1-5

实施例2-5按照实施例1的方法，而操作过程控制参数与实施例1不同，具体操作过程控制参数如表2所示，按照实施例2-5方法制备的钢轨为A2-A5。对比例中的处理方式与实施例所不同的是，不进行快速冷却之后的快速加热并保温的步骤，具体操作过程控制参数如表2所示，按照对比例1-5方法制备的钢轨为D1-D5。

表2

测试例

根据以下方法对实施例1-5和对比例1-5制备的钢轨A1-A5和D1-D5进行性能检测，具体地：

对于钢轨的轨头基体和轨距角的硬度、厚度、延伸率和金相组织，采用以下方法测得，所得结果如表3所示：

轨头基体和轨距角的硬度的测试方法均按照GB/T231.1的方法测定；延伸率均按照GB/T228.1的方法测定；金相组织均按照GB/T13299的方法测定；轨距角1厚度的测试方法为金相腐蚀法；其中，轨头基体硬度的测试点A1的位置(大致位于轨头中轴线上深度大约10mm的位置)如图3所示，轨距角1测试硬度的测试点B1和C1的位置(大致位于轨距角1厚度的中间点)如图4所示。对实施例1所制钢轨的轨距角1部位进行TEM观测，结果如图2所示，从图2可以看出，轨距角1部位的金相组织为分布均匀的球状珠光体组织。

对于钢轨的抗拉强度和抗接触疲劳性能测试方法如下，结果如表4所示：

抗拉强度R_m的测试方法为GB/T228.1；

抗接触疲劳的测试方法为GB/T10622，具体为：在JPM-1B型接触疲劳试验机进行钢轨接触疲劳试验，样品取自钢轨A1-A5和D1-D5的轨头部位，在所有接触疲劳试验中，下磨样材质均相同，具体试验参数如下：

试样尺寸：厚度20mm、直径60mm的圆样，

试验载荷：200Kg，

滑差：5％，

对磨下试样材质：硬度为280-320HB的车轮钢，

环境：大气环境，

旋转速率：300转/分钟。

另外，在进行抗接触疲劳的测试过程中，观察钢轨轨距角的磨损现象，

并记录在表4中。

表3

*铁素体的含量以轨头基体的总重量为基准

表4

通过比较实施例和对比例可以看出，根据本发明的方法制备得到的高速铁路用钢轨具有球状珠光体组织的轨距角区域，并且抗拉强度和抗接触疲劳性能较好；而根据对比例的方法制备得到的钢轨没有性质明显区分的轨距角区域，并且抗拉强度和抗接触疲劳性能较差。

另外，钢轨与车轮接触之初的接触点位置在轨距角区域(见图1中的1位置)，由于此时接触面积小导致接触应力高，接触区的金属容易达到其疲劳极限。根据表4所示的轨距角磨损现象，对比例所制备钢轨的轨距角强度、硬度高，磨耗性能好，造成接触区的金属不易被磨耗掉而形成疲劳裂纹、扩展，最终形成剥离掉块，使钢轨接触区内的金属磨耗加快；而本申请所制备钢轨的轨距角在产生疲劳裂纹前就会被磨损掉，这样钢轨接触区不会造成疲劳、剥离掉块，最终提高了钢轨的磨耗性能。

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。

Claims (9)

1.一种高速铁路用钢轨，该高速铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组织构成，所述轨距角的厚度为3-5mm，硬度为290-319HB，延伸率为13.5-17.0％。

2.根据权利要求1所述的高速铁路用钢轨，其中，所述高速铁路用钢轨的除轨距角以外的其他部位由片状珠光体组织和铁素体组织构成，以除轨距角以外的其他部位的总重量为基准，片状珠光体组织的含量为99.0-99.5重量％，铁素体组织的含量为0.5-1.0重量％。

3.根据权利要求1或2所述的高速铁路用钢轨，其中，所述高速铁路用钢轨的除轨距角以外的轨头基体的硬度为321-350HB，延伸率为10.5-14.5％。

4.根据权利要求1或2所述的高速铁路用钢轨，其中，以所述高速铁路用钢轨的总重量为基准，所述高速铁路用钢轨含有0.63-0.73重量％的碳、0.1-0.5重量％的硅、0.7-1.2重量％的锰、0.05-0.3重量％的铬、0.04重量％以下的钒、0.025重量％以下的磷、0.025重量％以下的硫和96.98-98.52重量％的铁。

5.一种生产权利要求1-4中任意一项所述的高速铁路用钢轨的方法，该方法包括：将终轧后的钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保温；快速冷却的条件包括：开冷温度为800-880℃，冷却速度为2-10℃/s，终冷温度为360-410℃；快速加热和保温的条件包括：以3.0-4.0℃/s的升温速度将轨距角温度升高至710-810℃并保温2-4min。

6.根据权利要求5所述的生产方法，其中，快速冷却的条件包括：开冷温度为820-860℃，冷却速度为3.3-8.1℃/s，终冷温度为375-400℃；快速加热和保温的条件包括：以3.2-3.8℃/s的升温速度将轨距角温度升高至750-790℃并保温2-4min。

7.根据权利要求5或6所述的生产方法，其中，所述快速加热通过火焰加热的方式进行。

8.根据权利要求7所述的生产方法，其中，所述火焰加热所用的可燃气体与氧气的体积比为1：1.5-5；优选地，所述可燃气体选自H₂、C₂H₂和CH₄中的一种或多种。

9.由权利要求5-8中任意一项所述的方法生产得到的高速铁路用钢轨。