CN109022750A - 钢轨的焊后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢轨的焊后热处理方法，属于铁路钢轨焊接技术领域。本发明解决的技术问题是亚共析钢轨焊接区域硬度偏低。本发明的技术方案是将焊接得到的待冷却的亚共析钢轨焊接接头进行第一阶段冷却至730～820℃，接着进行第二阶段冷却至280～360℃，最后进行第三阶段冷却至10～40℃的室温温度。本发明可保证在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨焊接接头纵向硬度满足所对应的亚共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围，且接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于10mm，同时焊接接头金相组织中无马氏体、贝氏体等异常组织。

Description

钢轨的焊后热处理方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及钢轨的焊后热处理方法。
背景技术
现阶段，全球铁路系统主要涵盖重载铁路、高速铁路及客货混运铁路三种类型。重载铁路列车轴重大(轴重25t～40t)，所用钢轨的碳含量通常大于0.75％，抗拉强度在1200MPa以上，具有全珠光体组织或以珠光体为主，包含微量的二次渗碳体，在具有高强度、高硬度的同时保证耐磨性。由于客货混运铁路既要承担客运，又要保证货物运输，因而要求钢轨在具有一定耐磨损性能的同时，还要具有良好的抗疲劳性能。因此，客货混运铁路所用钢轨的碳含量通常为0.70％～0.80％，抗拉强度在900MPa～1100MPa之间，组织一般以珠光体为主，部分钢轨组织包含微量的铁素体。而对于高速铁路(轴重11t～14t)和准高速铁路，由于二者均要求钢轨具有一定的抗疲劳性能，所以目前广泛使用的是碳含量在0.65％～0.76％之间，抗拉强度900MPa的U71Mn热轧钢轨。
然而，线路考察表明，由于高速列车轴重较轻，运营过程中轮轨间的磨损较小，导致已产生于钢轨轨头表面或侧面的裂纹难以磨去，经轮轨间接触力往复作用，反而会加剧裂纹扩展，大大增加了钢轨的断裂倾向，严重危及铁路行车安全。此外，如果仅仅通过降低钢轨强度和硬度来提高钢轨磨耗速率，不仅会使钢轨表层产生塑性流变，造成钢轨断面尺寸偏差，还将使钢轨磨损过快，缩短使用寿命。因此，在高速及准高速铁路中，以珠光体组织为主的热轧钢轨难以达到兼顾耐磨损与耐滚动接触疲劳性能的目的。为改善高速铁路钢轨的抗接触疲劳伤损性能，近年来发展出了一种以贝氏体组织为主，包含微量马氏体和残余奥氏体的钢轨。专利文献CN1211633A公开了一种焊接部接合性优良的贝氏体钢钢轨及其制造方法。然而，此种钢轨在生产过程中需要添加大量的贵重元素(如Nb、Mo、V等)，导致制造成本达到了普通珠光体钢轨的两倍。此外，钢轨过程控制和生产工艺要求严格等因素导致此种钢轨难于大批量推广使用。在此情形下，碳含量在0.55％～0.65％之间，抗拉强度在900MPa以下的亚共析热处理钢轨应运而生。此类钢轨组织以珠光体为主，含有微量铁素体。与传统U71Mn热轧珠光体钢轨相比，亚共析钢轨具有低廉的生产成本、良好的耐磨损性能及抗疲劳性能，有望成为替代U71Mn的新一代钢轨产品，用于高速和准高速铁路。亚共析钢轨的化学成分一般为：C含量0.40～0.64重量％，Si含量0.10～1.00重量％，Mn含量0.30～1.50重量％，少于等于0.025重量％的P，少于等于0.025重量％的S，少于等于0.005重量％的Al，大于0少于等于0.05重量％的稀土元素，总量大于0且小于等于0.20重量％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。基于上述成分的亚共析钢轨轨头部位在室温下的金相组织为珠光体和15％～50％铁素体的均匀混合组织。
钢轨受焊接热循环作用后，焊接区域的淬硬层消失并在焊缝两侧形成宽度较大的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。钢轨在线路服役过程中，易优先在焊接接头的轨头踏面形成“鞍型”磨耗，不仅增加了轮轨冲击，还严重影响到钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因而，如何恢复钢轨因焊接而降低的力学性能就成了钢轨得以应用的前提。
专利文献CN103898310A公开了一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨焊接接头进行第一次冷却至不高于450℃的第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃。该方法主要是针对贝氏体钢轨焊接接头进行的焊后热处理工艺，然而贝氏体钢轨具有与亚共析钢轨不同的成分体系，金相组织及力学性能特征也截然不同，此外，上述发明还涉及到了钢轨的焊后正火热处理过程，需要采用钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头实施局部加热及冷却，不仅操作与实施过程复杂，而且成本偏高。
发明内容
本发明解决的技术问题是亚共析钢轨钢轨焊接区域硬度偏低。
本发明解决上述技术问题的技术方案是提供钢轨焊后热处理方法，步骤包括：将焊接得到的待冷却的亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至730～820℃，接着进行第二阶段冷却至280～360℃，最后进行第三阶段冷却至10～40℃。
其中，当焊接接头温度在1100～1400℃时开始第一冷却。
其中，第二冷却速度为1.2～3.2℃/s。
其中，第三冷却速度为0.02～0.40℃/s。
其中，第一冷却和第三冷却在空气中自然冷却，第二冷却施以冷却介质快速冷却。
其中，第二冷却采用冷却装置喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式进行冷却。
其中，冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～40mm，冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.25～0.65MPa。
其中，亚共析钢轨的成分以重量百分数计，C含量0.40～0.64％，Si含量0.10～1.00％，Mn含量0.30～1.50％，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。
其中，焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
本发明的有益效果是：
本发明的焊后热处理方法能够改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的钢轨接头“鞍型”磨耗，可保证在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度满足所对应的亚共析钢轨母材平均硬度的±30HV范围，且接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于10mm；同时，本发明的焊后热处理方法能够保证钢轨焊接接头金相组织中无马氏体、贝氏体等异常组织，有助于保证铁路运行安全。
附图说明
图1为采用实施例1方法得到的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图。
图2为采用实施例2方法得到的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图。
图3为采用对比例1方法得到的焊后空冷条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图。
图4为采用对比例2方法得到的焊后热处理条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图。
图5为采用对比例3方法得到的焊后热处理条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图。
图6为本发明的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度检测示意图。
图7为本发明的钢轨接头的轨头踏面金相试样取样位置示意图。
具体实施方式
本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内的长度为70～110mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。本发明涉及到的接头温度为焊接接头的轨头表层温度，也即轨头踏面温度，采用红外测温仪对温度信号进行采集，所述钢轨轨头踏面为车轮与钢轨的接触部分。本发明中，所述“室温”为10～40℃范围的温度。
本发明提供钢轨焊后热处理方法，步骤包括：将焊接得到的待冷却的亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至730～820℃，接着进行第二阶段冷却至280～360℃，最后进行第三阶段冷却至10～40℃。
前期研究中发明人发现，亚共析钢轨钢在连续冷却转变过程中，马氏体转变的临界冷却速度约0.5～0.9℃/s，Ms温度(马氏体组织形成的开始温度)约210～260℃。为避免钢轨焊接接头出现马氏体等异常组织，当对亚共析钢轨焊接接头进行焊后热处理时，需将钢轨焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在钢轨Ms温度以上。同时，钢轨焊后热处理过程中的冷却速度须以马氏体转变的临界冷速为限，否则接头将会由于淬硬的马氏体组织而导致过早疲劳断裂。
本发明利用钢轨的焊接余热实现钢轨的焊后热处理过程，针对焊接得到的余温较高的钢轨接头实施焊后加速冷却，以降低接头轨头由奥氏体向珠光体转变的相变温度，提高奥氏体再结晶区的硬度。基于金属学原理，钢轨接头在焊后高温快速冷却条件下存在一定的动态过冷度，致使非平衡状态下奥氏体向珠光体转变的相变温度下移，且随着过冷度的增大，相变温度逐渐降低。因此，即使在开冷温度相对较低的第二阶段冷却，接头轨头仍能发生由奥氏体向珠光体的组织转变。
本发明中，所述第一冷却为在空气中进行的自然冷却，可通过调节试验环境温度(如采用中央空调控温等)实现对第一阶段冷却速度的控制，并可通过调节焊机设置或人工操作来将钢轨焊接接头第一冷却的终冷温度控制在730～820℃，所述第二冷却的开冷温度为730～820℃。值得注意的是，本发明中，所述第二冷却的终冷温度高于亚共析钢轨钢的马氏体转变开始温度(Ms温度)，本发明中第二冷却的终冷温度为280～360℃。当对钢轨接头进行第三阶段冷却时，为避免接头出现淬硬的马氏体组织，本发明选择以低于亚共析钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度0.02～0.40℃/s对接头实施冷却。
作为优选的，第二冷却速度为1.2～3.2℃/s。
作为优选的，第三冷却速度为0.02～0.40℃/s。
其中，第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却为施以冷却介质的快速冷却。
其中，第二冷却为采用冷却装置喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式进行冷却。
其中，冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～40mm，冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.25～0.65MPa。
其中，亚共析钢轨的成分以重量百分数计，C含量0.40～0.64％，Si含量0.10～1.00％，Mn含量0.30～1.50％，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。
其中，焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例中所用亚共析钢轨均产自攀钢集团。
以下实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样，采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。钢轨接头纵向硬度曲线中的软化区宽度测量线所对应的硬度值为钢轨母材平均硬度减去25HV后的硬度；硬度曲线中的软化区宽度为硬度曲线与软化区宽度测量线的截距。
参照图7的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。
实施例1
规格为60kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。
首先，将焊接得到的余温在1100℃的钢轨接头以7.0℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至750℃，接着使钢轨接头以2.0℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却，将钢轨接头的轨头表层温度降至350℃，最后使钢轨接头以0.30℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却，将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。
焊后热处理过程中，第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却过程中采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面40mm，第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.40MPa。硬度检验数据见表1，接头纵向硬度的分布效果如图1所示。
表1
由表1和图1可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应的钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝左侧的软化区宽度为10.0mm，接头焊缝右侧的软化区宽度为9.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于10mm。金相组织检验结果表明，接头金相无马氏体、贝氏体等异常组织。距离焊缝中心24mm之后的区域基本上就是母材了，本实施例母材平均硬度为391HV。
实施例2
规格为68kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。
首先，将焊接得到的余温在1200℃的钢轨接头以6.5℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至730℃，接着使钢轨接头以2.5℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至320℃，最后使钢轨接头以0.20℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。
焊后热处理过程中，第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面40mm，第二冷却过程中，冷却装置喷射的水雾混合气的气体压力为0.50MPa。硬度检验数据见表2，接头纵向硬度的分布效果如图2所示。
表2
由表2和图2可知，对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度分别满足所对应钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头左侧的软化区宽度为9.5mm，右侧的软化区宽度为8.2mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于10mm。金相组织检验结果表明，接头金相无马氏体、贝氏体等异常组织。
对比例1：
规格为68kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，将余温在1100℃的钢轨接头直接空冷至室温(约25℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的钢轨焊接接头。硬度检验数据见表3，接头纵向硬度的分布效果如图3所示。
表3
由表3和图3可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，与焊缝两侧的钢轨母材硬度相比，整个焊接区域呈现为软化状态。在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨接头纵向硬度均不能满足所对应的钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝左侧的软化区宽度为17mm，接头焊缝右侧的软化区宽度为16mm。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中，易优先在接头软化区形成钢轨轨头踏面低塌，造成“鞍型”磨耗，影响线路平顺性及行车安全。
对比例2
规格为75kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。
首先，将焊接得到的余温在1250℃的钢轨接头以6.0℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至780℃，接着使钢轨接头以3.0℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至200℃，最后使钢轨接头以0.20℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至30℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。
焊后热处理过程中，第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面38mm，第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.60MPa。硬度检验数据见表4，接头纵向硬度的分布效果如图4所示。
表4
由表4和图4可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头左侧的软化区宽度为9.0mm，右侧的软化区宽度为9.0mm。接头焊缝左右两侧，距焊缝中心2mm、4mm位置的硬度均超出钢轨母材平均硬度30HV以上。然而，金相组织检验结果表明，接头焊缝左右两侧的热影响区中均出现了大量淬硬的马氏体组织，不利于铁路运行安全。
对比例3
规格为75kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。
首先，将焊接得到的余温在1300℃的钢轨接头以7.0℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至730℃，接着使钢轨接头以2.2℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至350℃，最后使钢轨接头以2.5℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到本发明的经焊后热处理的钢轨焊接接头。
焊后热处理过程中，第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面35mm，第二冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.50MPa。硬度检验数据见表5，接头纵向硬度的分布效果如图5所示。
表5
由表5和图5可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头焊缝左侧的软化区宽度为9.0mm，接头焊缝左侧的软化区宽度为9.0mm。接头焊缝左右两侧，距焊缝中心2mm、4mm、6mm位置的硬度均超出钢轨母材平均硬度30HV以上。然而，金相检验结果表明，钢轨接头焊接热影响区中出现了大量块状马氏体，不利于铁路运行安全。

Claims (9)

1.钢轨的焊后热处理方法，其特征在于包括以下步骤：将焊接得到的待冷却的亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至730～820℃，接着进行第二阶段冷却至280～360℃，最后进行第三阶段冷却至10～40℃。
2.根据权利要求2所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：当焊接接头温度在1100～1400℃时开始第一冷却。
3.根据权利要求1或2所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第二冷却速度为1.2～3.2℃/s。
4.根据权利要求1～3任一项所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第三冷却速度为0.02～0.40℃/s。
5.根据权利要求1～4任一项所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第一冷却和第三冷却为在空气中进行的自然冷却，第二冷却施以冷却介质冷却。
6.根据权利要求1～5任一项所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第二冷却采用冷却装置喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式进行冷却。
7.根据权利要求6所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述冷却装置距离钢轨轨头踏面为20～40mm，冷却装置所喷射出的压缩空气或水雾混合气的气体压力为0.25～0.65MPa。
8.根据权利要求1～7任一项所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述钢轨为亚共析钢轨，以重量百分数计，C含量0.40～0.64％。
9.根据权利要求1～8任一项所述的钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
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