CN107227393A - 一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法的生产方法，具体包括冶炼脱氧时，将精炼炉渣的渣碱度控制在1.8～2.3范围内，炉渣夹杂物控制在钙斜长石的塑性区域；连铸中包温度在液相线以上10～20℃，拉速控制在0.3～0.5m/min；采用液芯压下工艺得到铸坯，控制铸坯等轴晶率＞95％。通过上述工艺控制夹杂物成分以及大小形成细小的全等轴晶连铸、降低中心偏析，后期通过加热工艺，合适的冷却工艺以及热处理工艺，最终生产出的贝氏体钢轨较常规冶炼方法制备得到的贝氏体钢轨的强度高，且在‑20℃断裂韧性KIC高达102MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率当Δk＝13.5MPa·m1/2时，da/dn低至11m/Gc。

Description

一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法
技术领域
本发明属于钢轨的生产技术领域，具体涉及一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法。
背景技术
钢轨的滚动接触疲劳伤损(RCF)是世界铁路运输中普遍存在的问题，不仅关系到铁路运输安全，也缩短了钢轨的使用寿命，增加了线路的维修养护成本。针对钢轨的滚动接触疲劳伤损，各国铁路运输部门均开展了大量的研究，主要包括伤损机理的研究、新型抗接触疲劳钢轨材质的研究和钢轨打磨技术的研究。在新型钢轨材质研究方面，贝氏体钢以其优良的强韧性配合被誉为“21世纪的钢轨钢”。美、德、日等国相继于20世纪90年代开展了贝氏体钢轨的试验研究，取得了令人振奋的试验结果。伴随着中国铁路高速重载的快速发展，未来对耐磨及接触疲劳性能都优异的钢轨的需求将越来越迫切。近年来，我国铁路提速后钢轨的伤损明显加剧，并以踏面斜裂纹、隐伤等新的滚动接触疲劳伤损形式呈现。因此，开展如何降低贝氏体钢轨疲劳裂纹速率的研究具有十分重要的意义。
专利CN 102899471A公开了一种贝氏体钢轨的热处理方法。该贝氏体钢轨的热处理方法包括：将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460～490℃；将钢轨以2.0～4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250～290℃；使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；将钢轨置于炉膛温度为300～350℃的加热炉内回火处理2～6h；将钢轨空冷至室温。经根据本发明的热处理方法得到的钢轨在获得稳定残余奥氏体组织的同时具有良好的综合力学性能。该方法的缺点的残余奥氏体量超过了5％，残余奥氏体作为一种不稳定性，在应变诱导下发生马氏体相变，即TRIP效应，而马氏体硬相是疲劳裂纹源诱发因素，有严重的易剥离掉块伤损诱因，上道应用问题突出，无法规模化推广
专利CN105385938A提供一种贝氏体钢轨合金体系及其贝氏体钢轨的热处理方法以及贝氏体钢轨。合金体系的成分以质量百分比计如下：C：0.22～0.27；Si：1.65～1.85；Mn：1.60～1.80；Cr：1.30～1.90；Mo：0.25～0.85；Ni：0.25～0.95；V：0.040～0.060或Nb：0.020～0.040；P：≤0.015、S：≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中对杂质元素进行严格控制：(1)气体含量：钢水[H]≤2.0ppm，铸坯[H]≤1.5ppm，[O]≤25ppm，[N]≤70ppm；(2)残余元素：Al≤0.006％，Cu≤0.15％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％。该热处理方法的生产特点是，有效控制奥氏体组织的细化及元素和微观组织的偏析和不均现象，以利于冷却相变后获得细小的均匀的下贝氏体组织，保证有效控制钢轨完全发生下贝氏体组织的相变，从而获得高性能的贝氏体钢轨。该方法的缺点的生产工艺的太复杂，实际轧钢生产不能满足生产节奏，生产周期长，产量低，从而导致生产成本高。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种贝氏体钢轨的生产方法，生产工艺简单，成本较低，满足生产要求，同时能够达到降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在1.8～2.3范围内，炉渣夹杂物控制在钙斜长石的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上10～20℃，拉速控制在0.3～0.5m/min；采用液芯压下工艺得到铸坯，控制铸坯等轴晶率＞95％。
具体的，降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法还包括轧制步骤，所述轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1050～1150℃，铸坯加热Ⅱ区温度1200～1250℃，均热段温度：1180～1250℃，加热Ⅱ区和均热段时间不少于200min；加热时间250～280min，开轧温度1080～1180℃，终轧温度850～940℃。
具体的，降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法还包括轧后热处理步骤，所述轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+50～100℃，加热时间3～4h，出炉空冷，然后钢轨在600～650℃下保温处理，冷却至室温。
具体的，连铸时，采用液芯压下并配以电磁搅拌技术，电流强度600～750A，频率8Hz。
具体的，连铸时，末端液芯轻压下10mm，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48h。
本发明的有益效果在于：1)在炼钢时，通过合理设定精炼渣系的目标碱度，控制夹杂物成分以及大小；2)连铸时，通过控制中包温度以及结晶器强电磁搅拌产生对剪切流场，形成细小的全等轴晶连铸，降低中心偏析；3)后期通过加热工艺、合适的冷却工艺以及热处理工艺，最终达到降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的目的。本发明生产的贝氏体钢轨的抗拉强度高，-20℃断裂韧性KIC高达102MPa·m1/2；疲劳裂纹扩展速率当Δk＝13.5MPa·m1/2时，da/dn低至11m/Gc。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不限制本发明。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1：
一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在1.87，炉渣夹杂物控制在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上12℃，拉速控制在0.5m/min；采用液芯压下并配以电磁搅拌技术连铸成280*380mm大方坯，电流强度750A，频率8Hz；末端液芯轻压下10mm，铸坯等轴晶率98％，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48小时。
轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1087℃，铸坯加热Ⅱ区温度1242℃，均热段温度：1247℃，加热Ⅱ区和均热段时间212min；总加热时间268min，不得过热过烧，BD1开轧温度1173℃，万能轧制终轧温度931℃，上冷床后加保温罩冷却。
轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+70℃，加热时间3.5h，出炉空冷，然后钢轨堆垛放入保温坑保温处理，保温坑温度为633℃，冷却至室温。
实施例2：
一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在2.2，炉渣夹杂物控制在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上18℃，拉速控制在0.3m/min；采用液芯压下并配以电磁搅拌技术连铸成280*380mm大方坯，电流强度600A，频率8Hz；末端液芯轻压下10mm，铸坯等轴晶率96％，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48小时。
轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1052℃，铸坯加热Ⅱ区温度1211℃，均热段温度：1229℃，加热Ⅱ区和均热段时间224min；总加热时间276min，不得过热过烧，BD1开轧温度1109℃，万能轧制终轧温度864℃，上冷床后加保温罩冷却。
轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+95℃，加热时间3h，出炉空冷，然后钢轨堆垛放入保温坑保温处理，保温坑温度为642℃，冷却至室温。
实施例3：
一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在2.0范围内，炉渣夹杂物控制在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上15℃，拉速控制在0.3m/min；采用液芯压下并配以电磁搅拌技术连铸成280*380mm大方坯，电流强度600A，频率8Hz；末端液芯轻压下10mm，铸坯等轴晶率98％，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48小时。
轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1132℃，铸坯加热Ⅱ区温度1243℃，均热段温度：1246℃，加热Ⅱ区和均热段时间202min；总加热时间263min，不得过热过烧，BD1开轧温度1170℃，万能轧制终轧温度924℃，上冷床后加保温罩冷却。
轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+64℃，加热时间4h，出炉空冷，然后钢轨堆垛放入保温坑保温处理，保温坑温度为608℃，冷却至室温。
实施例4：
一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在2.3，炉渣夹杂物控制在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上10℃，拉速控制在0.4m/min；采用液芯压下并配以电磁搅拌技术连铸成280*380mm大方坯，电流强度700A，频率8Hz；末端液芯轻压下10mm，铸坯等轴晶率98％，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48小时。
轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1150℃，铸坯加热Ⅱ区温度1250℃，均热段温度：1250℃，加热Ⅱ区和均热段时间210min；总加热时间250min，不得过热过烧，BD1开轧温度1180℃，万能轧制终轧温度940℃，上冷床后加保温罩冷却。
轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+100℃，加热时间4h，出炉空冷，然后钢轨堆垛放入保温坑保温处理，保温坑温度为650℃，冷却至室温。
实施例5：
一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在1.8，炉渣夹杂物控制在钙斜长石(CaO·Al2O3·2SiO2)的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上20℃，拉速控制在0.4m/min；采用液芯压下并配以电磁搅拌技术连铸成280*380mm大方坯，电流强度650A，频率8Hz；末端液芯轻压下10mm，铸坯等轴晶率98％，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48小时。
轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1050℃，铸坯加热Ⅱ区温度1200℃，均热段温度：1180℃，加热Ⅱ区和均热段时间200min；总加热时间280min，不得过热过烧，BD1开轧温度1080℃，万能轧制终轧温度850℃，上冷床后加保温罩冷却。
轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+50℃，加热时间3.5h，出炉空冷，然后钢轨堆垛放入保温坑保温处理，保温坑温度为600℃，冷却至室温。
以实施例1～5制得的钢轨性能与对比实施例(常规炼钢并连铸成钢坯，热轧终轧温度950℃，控制冷却温度0.3～10℃/s到550～620℃，以0.5～5℃/s控冷到320～350℃，空冷到室温，回火温度330℃)进行对比，见下表1。
由表1可以看出，与对比实施例相比，1～5实施例制得的钢轨的抗拉强度更高，延伸率无明显差异，在-20℃断裂韧性KIC高达102MPa·m1/2，疲劳裂纹扩展速率当Δk＝13.5MPa·m1/2时，da/dn低至11m/Gc。
表1各实施例和对比例生产的钢轨的性能比较

Claims (5)

1.一种降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，包括以下步骤：
1)冶炼脱氧时，LF炉外精炼的渣碱度控制在1.8～2.3范围内，炉渣夹杂物控制在钙斜长石的塑性区域；
2)连铸时，中包温度控制在液相线以上10～20℃，拉速控制在0.3～0.5m/min；采用液芯压下工艺得到铸坯，控制铸坯等轴晶率＞95％。
2.根据权利要求1所述的降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，其特征在于：还包括轧制步骤，所述轧制步骤中，加热工艺为铸坯加热Ⅰ区温度1050～1150℃，铸坯加热Ⅱ区温度1200～1250℃，均热段温度：1180～1250℃，加热Ⅱ区和均热段时间不少于200min；总加热时间250～280min，开轧温度1080～1180℃，终轧温度850～940℃。
3.根据权利要求1所述的降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，其特征在于：还包括轧后热处理步骤，所述轧后热处理步骤中，轧后钢轨放在加热炉中，炉温Ac3+50～100℃，加热时间3～4h，出炉空冷，然后钢轨在600～650℃下保温处理，冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，其特征在于：所述连铸时，采用液芯压下并配以电磁搅拌技术，电流强度600～750A，频率8Hz。
5.根据权利要求1所述的降低贝氏体钢轨疲劳裂纹扩展速率的生产方法，其特征在于：所述连铸时，末端液芯轻压下10mm，铸坯在缓冷坑加保温罩中堆垛48h。
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