CN107739983A - 一种过共析钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢轨生产技术领域，具体涉及一种过共析钢轨及其生产方法。本发明过共析钢轨采用Nb和V微合金化，采用压缩比13～30﹕1进行轧制，再利用轧制余热对钢轨全断面加速冷却，制备得到所述过共析钢轨。本发明过共析钢轨耐磨性能和抗接触疲劳性强，在提高过共析钢轨强度的同时，提高钢轨的韧塑性。

Description

一种过共析钢轨及其生产方法
技术领域
本发明属于钢轨生产技术领域，具体涉及一种过共析钢轨及其生产方法。更具体地讲，本发明涉及一种强度高、韧性高的高耐磨抗接触疲劳伤损的重载铁路用过共析钢轨及其生产方法。
背景技术
国内外重载铁路逐渐向大轴重、高密度的铁路运输模式发展。国际上，澳大利亚等重载线路客户在采购钢轨时，指定采购踏面硬度达到420HB以上的钢轨。现有全珠光体类钢轨唯有采用合金化+控轧+控冷等特殊生产工艺，踏面硬度最高仅能达到430HB左右。因此，国内外重载线路重点关注于过共析钢轨。过共析钢轨由于碳含量增加，组织内析出一定的二次渗碳体，提高了钢轨的耐磨性能，其踏面硬度最高达到460HB。但现有过共析钢轨均采用碳素小断面轧制，组织析出的二次渗碳体降低了钢轨的韧塑性，导致现有过共析钢轨在打磨困难的情况下，极易出现接触疲劳掉块，严重影响线路运行效率和行车安全。因此，现有小断面轧制的普通碳素过共析钢轨难以满足国内外重载线路的发展需求，亟需一种高强高韧耐磨抗接触疲劳掉块过共析钢轨的生产方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提高过共析钢轨耐磨性能和抗接触疲劳掉块，在提高过共析钢轨强度的同时提高钢轨的韧塑性。
本发明所要解决的技术问题是提供一种过共析钢轨。该过共析钢轨采用Nb和V微合金化，采用压缩比13～30﹕1进行轧制，再利用轧制余热对钢轨全断面加速冷却，制备得到所述过共析钢轨。
优选的，上述过共析钢轨中，钢轨成分重量百分比为：0.5～1.2％C，0.5％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5％，0.008～0.016％Nb，0.01～0.12％V，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，上述过共析钢轨中，当检测到轨头中心位置温度为900～650℃时，开始进行全断面加速冷却。所述加速冷却采用的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。
进一步地，上述过共析钢轨中，对轨头踏面、轨头两侧和轨底中心进行加速冷却，或者轨头踏面、轨头两侧、轨腰或和轨底中心进行加速冷却；或者轨头踏面、轨头两侧、轨头下颚、轨腰和轨底中心进行加速冷却。
进一步的，上述过共析钢轨中，所述加速冷却的冷却速度为1.0～5.0℃/s。
具体的，上述过共析钢轨中，当轨头踏面温度降至400～550℃时停止加速冷却并空冷至室温。
本发明还提供了上述过共析钢轨的生产方法，包括以下步骤：采用常规转炉冶炼方法制备钢坯，控制钢坯成分为0.5～1.2％C，0.5％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5％，0.008～0.016％Nb，0.01～0.12％V，余量为Fe及不可避免的杂质进行微合金化；浇注后的铸坯进入缓冷坑缓冷，冷却后的钢坯经奥氏体均匀后进行轧制，然后利用轧制余热对钢轨全断面进行加速冷却即可。
本发明通过Nb和V微合金化化、大压缩比与在线热处理工艺合理地配合，所得过共析钢轨踏面硬度＞420HB，奥氏体晶粒尺寸达到10-13级超细晶粒，钢轨实验室磨损量小于0.2g，低温断裂韧性＞36MPa·m0.5。该过共析钢轨相对传统280*380mm小断面轧制的普通碳素热处理钢轨而言，强度和韧性更高，尤其是在Nb合金元素作用下，采用大缩比下进行轧制，奥氏体晶粒尺寸更小，钢轨韧性更高，抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。
具体实施方式
本发明涉及一种过共析钢轨的生产方法，对钢轨的钢在冶炼过程中添加一定量的Nb和V元素；冶炼过程采用低S入炉铁水和高碱度精炼渣，并采用精炼渣全程保护浇注；增碳剂采用无烟煤和低氮合金，LF加热过程中使用发泡剂，全程保护浇注，防止与空气接触吸入过多的氮；控制钢坯成分为0.5～1.2％C，0.5％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5％，0.008～0.016％Nb，0.01～0.12％V，余量为Fe及不可避免的杂质进行微合金化；浇注后的铸坯进入缓冷坑缓冷；冷却后的钢坯经奥氏体均匀后，利用七机架万能线轧机对钢坯在大压缩比13～30﹕1下进行轧制；轧制后带有余热的钢轨以轨头中心位置温度900～650℃为准对全断面施加一定的冷却介质进行加速冷却；其中，轨头踏面、轨头两侧、轨头下颚、轨腰或/和轨底中心冷速为1.0～5.0℃/s，当轨头踏面温度降至400～550℃时停止加速冷却并空冷至室温。此处，冷却介质可为水雾混合气或压缩空气。所述的压缩比是指坯料截面积和成品截面积之比。
当然实际生产过程中，可根据生产和钢轨性能情况，酌情减少或增加钢轨冷却部位。可分为以下四种情况：1)针对轨头踏面、轨头两侧、轨底中心；2)针对轨头全断面；3)针对轨头踏面、轨头两侧、轨腰与轨底中心；4)轨头踏面、轨头两侧、轨头下颚、轨腰与轨底中心。
本发明过共析钢轨中，Nb在钢种主要与位错相互作用阻止奥氏体晶粒迁移，因而推迟了再结晶。同时，在轧制过程中，Nb的化合物钉扎在奥氏体晶粒，使亚晶界难以移动，从而细化奥氏体晶粒，提高韧塑性和疲劳强度，对钢轨屈服和强度没有直接影响。采用大压缩比技术，结合Nb合金元素的作用，两者对细化奥氏体晶粒形成叠加，提高钢轨韧塑性和疲劳强度，略有提高钢轨强度。V在钢轨中主要通过降低珠光体转变温度，减少珠光体片层间距，从而提高钢轨强度和韧性(类珠光体中，片层间距为强韧化提高的主要手段)。
Nb的添加主要作用于高温态的奥氏体晶粒，即钢轨轧制过程；大压缩比进一步细化奥氏体晶粒。V主要作用于低温态的珠光体转变区域，及热处理过程的相变区域，降低珠光体片层间距。本发明工艺采用的冶炼工艺，主要降低钢轨夹杂物级别，提高钢质纯净度，保证钢轨韧塑性和低温断裂韧性。利用轧制余热对钢轨全断面进行加速冷却，主要是抑制网状二次渗碳体含量析出，降低珠光体片层间距，提高钢轨的强韧性。因此，在提高过共析钢轨强度的同时，韧塑性也大幅提高，最终提高了钢轨耐磨性能和抗接触疲劳性能。
实施例1
在下文中，将结合实施例来具体描述本发明中高强高韧过共析的生产方法。
本发明实施例以及相应的对比例均选用以下九组钢轨化学成分。
表1实施例及对比例化学成分/％
本发明中的对比例采用与实施例相同的冶炼、加热及热处理工艺。
分别在钢轨轨头的两侧根据标准要求检验实施例和对比例钢轨的拉伸性能，在轨头上圆角处取显微组织试样，测试结果见表2。测试方法参照GB/T 228.1金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法。
表2本发明五组实施例、对比例拉伸性能及显微组织
分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取磨损试样，测试结果见表3。
表3本发明实施例及对比例钢轨轨头磨损
分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取接触疲劳试样，测试结果见表4。
表4本发明实施例及对比例钢轨接触疲劳
分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取断裂韧性试样，测试结果见表5。
表5本发明实施例及对比例钢轨-20℃低温断裂韧性
本发明同时选取了具有不同化学成分的钢轨进行对比，在实施例中，所采用的五种处理方式均为本发明中的方法。表1至表5的对比结果表明，在相同钢坯断面尺寸下，添加Nb能提高钢轨断后延伸率和-20℃低温断裂韧性；添加V元素，能提高钢轨强度和一定的韧塑性。在相同化学成分体系中，采用大压缩比进行轧制，能最大程度的提高Nb元素的作用，提高钢轨的韧塑性。通过Nb和V微合金化、大压缩比进行轧制和轧后余热热处理工艺，对钢轨强度和韧性均有显著提高，对钢轨的耐磨损性能和抗接触疲劳性能均有明显表现。
综上所述，本发明过共析钢轨的生产方法提供了一种有用于提高钢轨强度的同时，提高钢轨韧性的有效方法。通过Nb和V微合金化化+大压缩比+在线热处理工艺，在提高钢轨强度的同时，提高了钢轨韧塑性。保证所生产的过共析钢轨均有良好的耐磨性能和抗接触疲劳性能，产品适用于大轴重，高密度重载线路。
尽管已经具体描述了本发明的过共析钢轨的生产方法，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 (7)

1.过共析钢轨，其特征在于：采用Nb和V微合金化，采用压缩比13～30﹕1进行轧制，再利用轧制余热对钢轨全断面加速冷却，制备得到所述过共析钢轨。
2.根据权利要求1所述的过共析钢轨，其特征在于：钢轨成分重量百分比为：0.5～1.2％C，0.5％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5％，0.008～0.016％Nb，0.01～0.12％V，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的过共析钢轨，其特征在于：当检测到轨头中心位置温度为900～650℃时，开始进行全断面加速冷却。
4.根据权利要求1所述的过共析钢轨，其特征在于：对轨头踏面、轨头两侧和轨底中心进行加速冷却，或者轨头踏面、轨头两侧、轨腰或和轨底中心进行加速冷却；或者轨头踏面、轨头两侧、轨头下颚、轨腰和轨底中心进行加速冷却。
5.根据权利要求1所述的过共析钢轨，其特征在于：所述加速冷却的冷却速度为1.0～5.0℃/s。
6.根据权利要求1所述的过共析钢轨，其特征在于：当轨头踏面温度降至400～550℃时停止加速冷却并空冷至室温。
7.权利要求1～6任一项所述的过共析钢轨的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：采用常规转炉冶炼方法制备钢坯，控制钢坯成分为0.5～1.2％C，0.5％≤Si+Mn+P+S+Cr≤3.5％，0.008～0.016％Nb，0.01～0.12％V，余量为Fe及不可避免的杂质进行微合金化；浇注后的铸坯进入缓冷坑缓冷，冷却后的钢坯经奥氏体均匀后进行轧制，然后利用轧制余热对钢轨全断面进行加速冷却即可。
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