CN109023058B - 氧化膜和耐腐蚀钢轨及该钢轨的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化膜、耐腐蚀钢轨及该钢轨的制备方法，属于钢铁轧制及表面处理领域。本发明解决的技术问题是现有耐腐蚀钢轨的制备成本高、效率低。本发明提供了一种覆盖于钢轨表面的氧化膜，厚度为15μm～35μm；断面Fe3O4的平均面积为65～80％。本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨及其制备方法，该方法是：将钢坯加热，高压水除鳞至钢坯表面鳞面积小于10％，开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，利用压缩空气再次除鳞至钢轨表面鳞完全去除，钢轨从奥氏体区温度加速冷却至570℃以下后自然冷却至室温，采用小变形量矫直。本发明方法制得的钢轨具有良好的耐腐蚀性能。

Description

氧化膜和耐腐蚀钢轨及该钢轨的制备方法
技术领域
本发明属于钢铁轧制及表面处理领域，具体涉及氧化膜和覆盖有该氧化膜的耐腐蚀钢轨以及该耐腐蚀钢轨的制备方法。
背景技术
中国作为世界上最大的钢轨生产国家，近年来，每年要出口钢轨50万吨以上，高强度钢轨以其执行标准严、力学性能优、附加值高等特点是各国重点竞争的产品。由于中国绝大部分出口的钢轨需通过海洋运输，钢轨在港口堆放或在海上运输过程长达数月，在高盐、高湿环境中会发生锈蚀。锈蚀不仅影响钢轨外观形象，严重时还会缩短钢轨的寿命，甚至会对钢轨的力学性能产生损害，从而影响列车的安全运行，严重影响产品的市场竞争力和品牌形象。
目前，钢轨腐蚀的防护方法主要有两种：(1)通过添加Cr、Ni、Cu等合金元素提高钢轨基体耐蚀性能；(2)在钢轨表面喷涂锌、铝合金、高分子涂层、油脂、油膏等防护涂料，通过防护涂料来提高钢轨耐蚀性能。
专利文献CN104060187B公开了一种耐腐蚀性的微合金化钢轨，其基本合金体系中合金元素的重量百分含量为：C：0.73％～0.85％，Si：0.30％～0.90％，Mn：0.80％～1.20％，Cr：0.20％～0.40％，Cu：0.30％～0.50％，Ni：Cu含量的1/2～2/3，P：0.03％～0.05％，S：≤0.025％；以下三种元素中的至少一种：V：0.04％～0.12％，Nb：0.02％～0.06％、Re：0.005％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利采用了在碳素钢轨的基础上添加Cr、Cu、Ni等耐腐蚀合金元素，通过P、Ni和Cu含量的配比来提高钢轨基体的耐腐蚀性能。由于出口钢轨要严格执行出口国技术标准或其他国际标准，在世界标准中，对化学元素含量均有严格要求，在出口钢轨中通过合金化提高钢轨耐蚀锈蚀性能技术路线受到很大限制。
专利文献CN1884616A公开了一种耐腐蚀铁路钢轨及其生产方法，该方法对在线生产的钢轨，先进行喷丸或喷砂预处理，后电弧喷涂锌、铝或锌－铝合金，然后用自动喷涂、滚涂或人工刷涂有机封闭层或颜料油漆层。钢轨喷丸或喷砂处理能耗大、效率低，同时低温喷涂涂层与钢轨的结合力弱，在吊装和运输过程容易发生局部脱落，生产成本高、效率低、效果不明显。上述方法因成本、效率及有效性等问题都无法得到大规模的推广和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有耐腐蚀钢轨的制备成本高、效率低。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是提供了一种氧化膜，该氧化膜覆盖于钢轨表面，所述氧化膜的厚度为15μm～35μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为65～80％。
本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨，所述耐腐蚀钢轨表面覆盖有上述氧化膜，该耐腐蚀钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.70～0.90％、Si 0.10～0.80％、Mn 0.70～1.10％、Cr 0.30～0.90％；以下三种元素中的至少一种：V 0.04％～0.15％、Nb 0.02％～0.06％、Ti 0.005％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度＞1200MPa，延伸率≥10％。
本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨的制备方法，该方法包括如下步骤：将含有上述钢轨基体成分的钢坯加热至钢坯易于变形，高压水除鳞至钢坯表面鳞面积小于10％，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，所述中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却至570℃以下后自然冷却至室温，采用小变形量矫直。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热和连铸制备得到；所述鳞为钢坯表面氧化铁皮。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2.5～3h。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机中轧的相对压下量为18％～23％；中轧温度为850℃～900℃。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机精轧的相对压下量为13％～17％；精轧温度为820℃～870℃。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述压缩空气再次除鳞，除鳞压力为15～20MPa。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述冷却过程中的冷却速度为1.5～5℃/s，冷却至540～570℃后自然冷却。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述小变形量矫直，水平矫直机第2辊的压下量为12～16mm，4个上辊的总压下量为30～40mm。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过对钢坯加热、高压水除鳞、开坯轧制、万能粗轧、中轧、精轧及冷却过程使钢轨表面形成一层致密的氧化膜，该氧化膜的厚度为15μm～35μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为65～80％，其具有比普通钢轨表面氧化膜更高的附着性和致密性，使钢轨在运输和堆放过程中具有良好的耐腐蚀作用，本发明方法制备得到的耐腐蚀钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积＜10％。本发明方法不需要在钢轨表面喷涂高分子涂层、锌、铝合金等隔离剂，减少了对环境的污染，达到了环保的要求。本发明方法不需对钢轨生产工艺和装备进行重大改变，可以与钢轨生产的节奏匹配，节约了时间，提高了工作效率。本发明产品通过钢轨表面氧化膜起耐腐蚀作用，不需加入Ni、Cu等元素，钢轨成分含量易于控制，且大大节约了成本。
具体实施方式
现有提高钢轨耐腐蚀性能的方法是通过添加Ni、Cu等合金元素；在钢轨表面喷涂锌、铝合金、高分子涂层、油脂、油膏等防护涂料或在线路上利用Zn块与钢轨连接组成腐蚀电偶，通过牺牲Zn阳极来保护钢轨。但是，上述方法因成本、效率及有效性等问题都无法得到大规模的推广和应用。发明人经过大量研究，通过对钢坯加热、高压水除鳞、开坯轧制、万能中轧、精轧及冷却过程使钢轨表面形成一层致密氧化膜，该氧化膜具有比普通钢轨表面氧化膜更高的附着性和致密性，达到在运输和堆放过程防止钢轨锈蚀的目的。
本发明提供了一种氧化膜，该氧化膜的厚度为15μm～35μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为65～80％，氧化膜除含有Fe3O4外，还含有Fe2O3和FeO。该氧化膜结构紧密、晶型稳定，而且附着性强，具有很好的耐腐蚀作用。
本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨，所述耐腐蚀钢轨表面覆盖有上述氧化膜，该耐腐蚀钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.70～0.90％、Si 0.10～0.80％、Mn 0.70～1.10％、Cr 0.30～0.90％；以下三种元素中的至少一种：V 0.04％～0.15％、Nb 0.02％～0.06％、Ti 0.005％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度＞1200MPa，延伸率≥10％。
本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨的制备方法，该方法包括如下步骤：将含有上述钢轨基体成分的钢坯加热至钢坯易于变形，高压水除鳞至钢坯表面鳞面积小于10％，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，所述中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却至570℃以下后自然冷却至室温，采用小变形量矫直。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热和连铸制备得到；所述鳞为钢坯表面氧化铁皮，其是钢坯表面的铁元素与环境中的氧化性气体发生化学反应形成的氧化物，氧进一步从钢坯表面向里扩散形成的氧化铁皮。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2.5～3h。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机中轧的相对压下量为18％～23％；中轧温度为850℃～900℃。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机精轧的相对压下量为13％～17％；精轧温度为820℃～870℃。万能中轧和万能精轧轧制温度越低，压下量越大，轧件表面氧化铁皮在轧制过程中越容易破碎和剥离，在后续除鳞过程中越易去除干净，最后得到的氧化膜均为精轧之后生成的，其厚度越薄、完整性越好。然而，轧制压下量过大、温度过低，则存在轧机轧制负荷大、轧辊磨损严重，对设备安全和钢轨表面的质量产生不利影响。因此控制万能中轧机轧制温度850℃～900℃、相对压下量18％～23％，万能精轧机轧制温度820℃～870℃、相对压下量13％～17％，轧机最大负荷为轧机额定负荷的88％，轧辊的单次轧制量为普通工艺轧制量的90％，既能满足轧制工艺需求，又能保证设备安全和生产效率。若万能中轧和精轧轧制的温度过高会使生成的氧化膜变厚。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，为了将精轧后残留在钢轨表面的氧化铁皮去除完全，需采用压缩空气再次除鳞，为抑制氧化铁皮厚度的增长，除鳞点位于加速冷却装置入口6m以内，除鳞压力为15～20Mpa。第二次除鳞也可以采用高压水除鳞。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述冷却过程中的冷却速度为1.5～5℃/s，冷却至540～570℃后自然冷却。钢轨开始加速冷却的温度为680℃～820℃，利用压缩空气进行加速冷却可提高奥氏体转变过冷度、降低奥氏体向珠光体的转变温度，从而减少珠光体的片层间距。一般而言，冷却速度越快，珠光体片层间距越小，钢材的强度越高，当冷却速度大于5℃/s，钢轨内部不可避免存在偏析，C、Mn元素偏析的局部区域因冷却速度过大容易产生马氏体、贝氏体等异常组织，从而导致钢轨判废；当冷却速度＜1.5℃/s，会影响钢轨的强度。对于本发明而言，冷却速度在1.5～5℃/s时，钢轨的强度可达1200MPa以上。
由于氧化膜中FeO向Fe3O4转变的温度约540～570℃，因此将加速冷却的终冷温度控制在540～570℃。加速冷却过程中，钢轨表面与钢轨芯部温差较大，使芯部热量要往表面传递，表面温度会有回升，为了使FeO尽可能多地转变为Fe3O4，将钢轨表面温度保持在540～570℃的时间越长越好。当加速冷却至570℃以下后自然冷却。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述小变形量矫直，水平矫直机第2辊的压下量为12～16mm，4个上辊的总压下量为30～40mm。本发明中，矫直采用9辊式矫直机进行矫直，辊系由4个上矫直辊、5个下矫直辊组成，上下矫直辊交错排列，矫直机上排入口至出口方向矫直辊分别标号2、4、6、8。为了减少钢轨表面氧化膜在矫直过程中开裂和脱落，采用小变形工艺平立复合辊式矫直，其中水平矫直机2辊压下量为12～16mm，4个上辊总压下量为30～40mm。矫直过程中钢轨变形量越小，钢轨表面氧化膜越不容易开裂和脱落，但是，钢轨矫直的重要目的是使钢轨平直，过小的变形量无法保证钢轨的平直度。因此，钢轨水平辊式矫直的第2矫直辊压下量为12～16mm，4个上辊总压下量为30～40mm时，钢轨表面氧化膜基本不会发生开裂和剥落现象，钢轨的平直度可以满足标准要求。
下面将通过具体的实施例对本发明进行详细的阐述。
本实施例和对比例中钢坯采用本领域技术人员公知的方法由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热、连铸工序制得。
实施例1
本实施例中钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.80％、Si0.75％、Mn 0.95％、Cr 0.50％、V 0.07％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本实施例中钢坯与钢轨基体的化学成分一致。
将钢坯经加热炉加热至1170℃，保温3小时，采用高压水除鳞至95％，置于开坯轧制成形、经万能轧机粗轧后置于万能中轧机，中轧的温度为880℃，其相对压下量为22％，然后经万能精轧机进行轧制，轧制的温度为850℃，相对压下量为14.5％。万能精轧后，采用压缩空气再次除鳞至氧化铁皮去除完全，除鳞点位于热处理机组入口6m以内距离，除鳞压力为17MPa。利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却速度为3.5℃/s，冷却至550℃之后进行自然冷却。钢轨冷却至室温采用小变形工艺进行平立复合辊式矫直，钢轨水平辊式矫直的第2矫直辊压下量为13mm，4个上矫直辊的总压下量为32mm。
钢轨矫直后表面氧化铁皮除轨头踏面发生部分剥落外其余位置覆盖完好，表面无明显裂纹。钢轨矫直后经在线自动检测、内部质量超声波探伤、表面缺陷涡流探伤、加工等工序后获得成品钢轨。按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨的抗拉强度1286MPa，延伸率为10.5％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜的平均厚度为35μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为76％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的7％。
实施例2
本实施例中钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.70％、Si0.15％、Mn 0.75％、Cr 0.30％、V 0.10％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本实施例中钢坯与钢轨基体的化学成分一致。
将钢坯经加热炉加热至1150℃，保温2.5小时，采用高压水除鳞至96％，置于开坯轧制成形、经万能轧机粗轧后置于万能中轧机，中轧的温度为850℃，其相对压下量为19％，然后经万能精轧机进行轧制，轧制的温度为820℃，相对压下量为16％。万能精轧后，采用压缩空气再次除鳞至氧化铁皮去除完全，除鳞点位于热处理机组入口6m以内距离，除鳞压力为15MPa。利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却速度为1.5℃/s，冷却至540℃之后进行自然冷却。钢轨冷却至室温采用小变形工艺进行平立复合辊式矫直，钢轨水平辊式矫直的第2矫直辊压下量为14mm，4个上矫直辊的总压下量为33mm。
钢轨矫直后表面氧化铁皮除轨头踏面发生部分剥落外其余位置覆盖完好，表面无明显裂纹。钢轨矫直后经在线自动检测、内部质量超声波探伤、表面缺陷涡流探伤、加工等工序后获得成品钢轨。按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨的抗拉强度1289MPa，延伸率为10.8％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜的平均厚度为30μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为74％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的8％。
实施例3
本实施例中钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.90％、Si0.80％、Mn 1.0％、Cr 0.80％、V 0.11％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本实施例中钢坯与钢轨基体的化学成分一致。
将钢坯经加热炉加热至1210℃，保温3小时，采用高压水除鳞至97％，置于开坯轧制成形、经万能轧机粗轧后置于万能中轧机，中轧的温度为890℃，其相对压下量为23％，然后经万能精轧机进行轧制，轧制的温度为870℃，相对压下量为16.0％。万能精轧后，采用压缩空气再次除鳞至氧化铁皮去除完全，除鳞点位于热处理机组入口6m以内距离，除鳞压力为18MPa。利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却速度为4℃/s，冷却至560℃之后进行自然冷却。钢轨冷却至室温采用小变形工艺进行平立复合辊式矫直，钢轨水平辊式矫直的第2矫直辊压下量为15mm，4个上矫直辊的总压下量为35mm。
钢轨矫直后表面氧化铁皮除轨头踏面发生部分剥落外其余位置覆盖完好，表面无明显裂纹。钢轨矫直后经在线自动检测、内部质量超声波探伤、表面缺陷涡流探伤、加工等工序后获得成品钢轨。按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨的抗拉强度1290MPa，延伸率为11.2％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜的平均厚度为33μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为79％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的8％。
对比例1
本对比例中钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.82％、Si0.79％、Mn 0.92％、Cr 0.58％、V 0.07％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本对比例1中钢坯与钢轨基体的化学成分一致。
本对比例1中钢轨的制备方法与实施例1基本相同，不同的钢坯进行万能中轧机进行中轧的温度为965℃、相对压下量为14.3％，万能精轧机的轧制温度为923℃、相对压下量8.7％。万能精轧后不进行高压风除鳞。钢轨水平辊式矫直的第2矫直辊压下量为23mm，第4矫直辊压下量18.5mm，4个上矫直辊的总压下量为56mm。
钢轨矫直后轨头踏面、轨头与轨腰连接处、轨腰与腿连接处表面氧化铁发生剥落，轨腰氧化铁皮出现密集裂纹。钢轨矫直后经在线自动检测、内部质量超声波探伤、表面缺陷涡流探伤、加工等工序后获得成品钢轨。按照GB/T228进行拉伸性能检测，抗拉强度1293MPa，延伸率为11.0％，通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，最大厚度63μm、最小31μm，氧化膜平均厚度为52μm，采用imagetool软件分析分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为52％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的65％。
通过实施例1～3和对比例1可知，采用本发明方法制备得到的钢轨具有良好的耐腐蚀性能，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，144h后钢轨表面腐蚀面积占总面积＜10％。

Claims (4)

1.耐腐蚀钢轨，其特征在于：所述耐腐蚀钢轨表面覆盖有氧化膜，所述氧化膜的厚度为15μm～35μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为65～80％；所述耐腐蚀钢轨基体的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.70～0.90％、Si 0.10～0.80％、Mn 0.70～1.10％、Cr0.30～0.90％；以下三种元素中的至少一种：V 0.04％～0.15％、Nb 0.02％～0.06％、Ti0.005％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度＞1200MPa，延伸率≥10％；所述耐腐蚀钢轨的制备方法为：将所述的钢轨基体成分的钢坯加热至钢坯易于变形，高压水除鳞至钢坯表面鳞面积小于10％，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，所述中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，然后利用压缩空气再次除鳞至钢轨表面鳞完全去除，利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却速度为1.5～5℃/s，冷却至540-570℃后自然冷却至室温，采用小变形量矫直；所述钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热和连铸制备得到；所述鳞为钢坯表面氧化铁皮；所述钢坯加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2.5～3h；所述万能轧机中轧的相对压下量为18％～23％；中轧温度为850℃～900℃；所述万能轧机精轧的相对压下量为13％～17％；精轧温度为820℃～870℃。
2.权利要求1所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：将含有权利要求1所述的钢轨基体成分的钢坯加热至钢坯易于变形，高压水除鳞至钢坯表面鳞面积小于10％，置于开坯机轧制成形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，所述中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，然后利用压缩空气再次除鳞至钢轨表面鳞完全去除，利用压缩空气从钢轨奥氏体区温度进行加速冷却，冷却速度为1.5～5℃/s，冷却至540-570℃后自然冷却至室温，采用小变形量矫直；所述钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热和连铸制备得到；所述鳞为钢坯表面氧化铁皮；所述钢坯加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2.5～3h；所述万能轧机中轧的相对压下量为18％～23％；中轧温度为850℃～900℃；所述万能轧机精轧的相对压下量为13％～17％；精轧温度为820℃～870℃。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述压缩空气再次除鳞，除鳞压力为15～20MPa。
4.根据权利要求2所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述小变形量矫直，水平矫直机第2辊的压下量为12～16mm，4个上辊的总压下量为30～40mm。
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