CN109112468A - 氧化膜、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，其厚度为20μm～60μm；其断面Fe3O4的平均面积为60～80％。本发明还提供了一种耐腐蚀钢轨及其制备方法，该方法是：将钢坯在氧化性气氛中加热至钢轨表面氧化铁皮易掉，经高压水除鳞后，置于开坯机轧制5～7道次，开坯机轧制的第一和第三道次采用大压下量轧制，然后进入万能轧机，万能轧机进行粗轧、中扎和精轧后进行冷却，经矫直、探伤检测制得成品钢轨。本发明方法制备得到的钢轨具有良好的耐腐蚀性能。

Description

氧化膜、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、耐腐蚀钢轨及该耐腐蚀钢轨的制备方法。
背景技术
钢轨在运输和使用过程中，在外部环境的作用下会发生锈蚀。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。对于普通线路的钢轨，钢轨寿命一般为5～10年，腐蚀对钢轨寿命和安全的影响很小；对于高速铁路，其寿命高达30年以上，钢轨的腐蚀问题将会影响钢轨的服役寿命。因此，腐蚀问题是钢轨服役过程中不可忽略的问题。随着我国高铁的快速发展，开发耐腐蚀钢轨对提高铁路运输安全有着重要意义。
目前，钢轨的腐蚀防护方法主要有以下三种：(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腐蚀性能；(3)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。
专利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，其厚度为20μm～60μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为60～80％。
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，其化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.62～0.80％、Si 0.25％～0.40％、Mn 0.70～1.25％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度为800～1100MPa，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在氧化性气氛中加热至钢轨表面氧化铁皮易掉，经高压水除鳞后，置于开坯机轧制5～7道次，开坯机轧制的第一和第三道次采用大压下量轧制，然后进入万能轧机，万能轧机进行粗轧、中扎和精轧后进行冷却，经矫直、探伤检测制得成品钢轨。
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，所述氧化气氛为空气煤气。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述空气煤气中空气与煤气的体积比为1:0.95～1:0.80。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯在氧化性气氛中加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2～3h。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述开坯机轧制第一道次、第三道次的相对压下量均为23％～40％。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机粗轧速度为4～5.5m/s，中轧速度为4～6m/s，精轧速度为5～6.5m/s。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机粗轧、中扎和精轧的温度为850℃～1200℃。
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0.7～1.5℃/s，冷却至540～570℃后自然冷却。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过采用氧化气氛对钢坯加热、经高压水除鳞后，置于开坯机轧制，第一和第三道次采用大压下量轧制，利用万能轧机进行粗轧、中扎和精轧后，在冷床上利用风机冷却，使钢轨表面形成一层致密氧化膜，该氧化膜具有良好的完整性和耐腐蚀性，使钢轨受到保护，具有较强的耐腐蚀性能。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Cr、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、轧制及冷却过程使钢轨表面形成一层致密氧化膜，该氧化膜具有良好的完整性和耐腐蚀性，使钢轨受到保护，具有较强的耐腐蚀性能。
本发明提供了一种氧化膜，该氧化膜的厚度为20μm～60μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为60～80％。氧化膜除含有Fe3O4外，还含有Fe2O3和FeO。
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，其化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.62～0.80％、Si 0.25％～0.40％、Mn 0.70～1.25％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度为800～1100MPa，延伸率≥10％。
其中，上述耐腐蚀钢轨中，钢坯在高温加热及轧制过程中，Si优先氧化，在钢表面形成含Fe2SiO4的致密氧化膜富集于氧化膜和钢基体界面，具有防止氧化层疏松、脱落的性能，对钢轨成品氧化膜的致密性有益，随着硅质量分数的增大，钢坯加热过程中表面形成网状或成片Fe2SiO4氧化膜，除鳞过程不易除去，特别是当除鳞温度较低时严重影响除鳞效果，钢坯除鳞后残留大量氧化膜，在轧制过程中压入轧机导致钢轨成品氧化膜厚薄不均、破碎裂纹多，从而影响成品的耐蚀性能。因此，将Si含量控制在0.25％～0.40％时，钢坯除鳞效果较好同时成品表面氧化膜不易脱落。
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在氧化性气氛中加热至钢轨表面氧化铁皮易掉，经高压水除鳞后，置于开坯机轧制5～7道次，开坯机轧制的第一和第三道次采用大压下量轧制，然后进入万能轧机，万能轧机进行粗轧、中扎和精轧后进行冷却，经矫直、探伤检测制得成品钢轨。
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，所述氧化气氛为空气煤气。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述空气煤气中空气与煤气的体积比为1:0.95～1:0.80。使空气供应充足，煤气完全燃烧。
连铸时铸坯表面的铁元素与环境中的氧化性气体发生化学反应，生成铁的氧化物，而氧也进一步从铸坯表面向里扩散形成了氧化铁皮。钢坯使用煤气加热炉加热的气氛特性对钢坯表面氧化膜的厚度及结构有重要影响，而钢坯表面氧化膜的厚度及结构对钢坯除鳞效果有重要影响，除鳞效果的优劣对成品钢轨表面氧化膜厚度及结构有重要影响。经现场试验研究表明，钢坯在氧化性气氛中加热的除鳞效果较优，一般将加热炉空气煤气配比控制在1:0.95～1:0.80范围内，其高压水除鳞效果良好，除鳞率达90％以上。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述钢坯在氧化性气氛中加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2～3h。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，为了使钢坯经高压除鳞后残余的表明氧化铁皮充分除净，开坯轧制需经5～7次轧制，其中第一道次、第三道次的相对压下量均为23％～40％，其余道次的相对压下量控制在23～35％。压下量越大，钢坯侧壁表面氧化铁皮破裂和剥落越严重，残留就越少。但是过大的变形量导致轧机负荷过大而跳闸，影响了生产效率和设备安全，经大量试验发现，开坯机第一、第三道次相对压下量为23～40％，钢坯表面氧化铁皮去除干净，经前三道次轧制后钢坯表面炉生氧化膜残留率＜3％。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机的粗轧速度为4～5.5m/s，中轧速度为4～6m/s，精轧速度为5～6.5m/s。万能轧机粗轧、中轧和精轧的速度配合其相应的相对压下量可以有效破碎二次氧化铁皮，在之后的除鳞过程可以有效除去二次氧化铁皮，从而使钢轨成品表面氧化铁皮厚度降低。然而轧制速度过快则容易产生轧机负荷大、影响轧件宽展等问题，为了保证钢轨尺寸精度、避免轧机负荷过大浪费能源，经多次现场试验，发现万能粗轧速度为4～5.5m/s、万能中轧速度为4～6m/s、万能精轧速度为5～6.5m/s时，既可以保证钢轨尺寸精度、降低轧机负荷，又能降低钢轨在轧制时间。
其中，上述耐腐蚀钢轨的制备方法中，所述万能轧机粗轧、中扎和精轧的温度为850℃～1200℃。
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0.7～1.5℃/s，冷却至540～570℃后自然冷却。冷却速度过快，钢轨组织和性能均会发生较大变化，同时高温阶段生成的以FeO为主的氧化膜组织将大部分保留下来，FeO氧化膜疏松、硬脆，在矫直变形过程中容易破碎和脱落，达不到耐腐蚀的目的。冷却速度过慢会影响钢轨的强度。冷却至将钢轨表面温度下降至FeO共析转变温度以下，使钢轨表面氧化膜缓慢生成，FeO发生共析转变，钢轨芯部温度较高，热量慢慢向钢轨表面传输，使钢轨表面温度能较长时间保持在FeO发生共析转变的范围内，FeO的转变量增加，使FeO量减少，氧化膜中Fe3O4比例增加。
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 0.72％、Si0.32％、Mn 1.08％，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。
将钢坯置于加热炉中加热，控制空气煤气的比例在1:0.91～1:0.86，加热至1210℃，保温2h后，钢坯经高压水除鳞，除鳞压力为19.5MPa，除鳞后钢坯上表面及两侧面残余氧化铁皮的面积＜10％。钢坯经开坯机轧制6道次，第一道次的相对压下量为30％，第三道次的相对压下量为26％，第二、四、五、六道次的相对压下量分别为23％、25％、25％和28％，氧化铁皮残留面积＜2％，经7次轧制后进行万能轧制，万能粗轧轧制3个道次，轧制速度为4.5m/s，粗轧温度为980℃，万能中扎和万能精轧均轧制1个道次，万能中扎的轧制速度为5m/s，中轧温度为930℃，万能精轧的轧制速度为6m/s，精轧温度为880℃。将钢轨侧立放置于冷床上，开启风机对钢轨进行冷却，冷却速度为0.95℃/s，冷却至钢轨表面温度为550℃停止吹风，自然冷却至室温。
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，钢轨经矫直、探伤、加工为成品钢轨，按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨抗拉强度为968MPa，延伸率为12.5％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜平均厚度为48μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为63％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，96h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的9％。
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 0.63％、Si0.26％、Mn 0.90％，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。
将钢坯置于加热炉中加热，控制空气煤气的比例在1:0.96～1:0.90，加热至1160℃，保温2.5h后，钢坯经高压水除鳞，除鳞压力为19.5MPa，除鳞后钢坯上表面及两侧面残余氧化铁皮的面积＜10％。钢坯经开坯机轧制6道次，第一道次的相对压下量为35％，第三道次的相对压下量为24％，第二、四、五、六道次的相对压下量分别为24％、26％、25％和28％，氧化铁皮残留面积＜2％，经7次轧制后进行万能轧制，万能粗轧轧制3个道次，轧制速度为4m/s，粗轧温度为1100℃，万能中扎和万能精轧均轧制1个道次，万能中扎的轧制速度为4m/s，中轧温度为910℃，万能精轧的轧制速度为5m/s，精轧温度为860℃。将钢轨侧立放置于冷床上，开启风机对钢轨进行冷却，冷却速度为1.2℃/s，冷却至钢轨表面温度为540℃停止吹风，自然冷却至室温。
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，钢轨经矫直、探伤、加工为成品钢轨，按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨抗拉强度为950MPa，延伸率为11.6％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜平均厚度为45μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为65％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，96h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的8.5％。
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 0.63％、Si0.38％、Mn 1.21％，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。
将钢坯置于加热炉中加热，控制空气煤气的比例在1:0.94～1:0.83，加热至1200℃，保温3h后，钢坯经高压水除鳞，除鳞压力为19.5MPa，除鳞后钢坯上表面及两侧面残余氧化铁皮的面积＜10％。钢坯经开坯机轧制7道次，第一道次的相对压下量为38％，第三道次的相对压下量为27％，第二、四、五、六、七道次的相对压下量分别为24％、25％、25％、27％和28％，氧化铁皮残留面积＜2％，经7次轧制后进行万能轧制，万能粗轧轧制3个道次，轧制速度为5.2m/s，粗轧温度为1000℃，万能中扎和万能精轧均轧制1个道次，万能中扎的轧制速度为6m/s，中轧温度为890℃，万能精轧的轧制速度为6.3m/s，精轧温度为890℃。将钢轨侧立放置于冷床上，开启风机对钢轨进行冷却，冷却速度为1.3℃/s，冷却至钢轨表面温度为570℃停止吹风，自然冷却至室温。
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，钢轨经矫直、探伤、加工为成品钢轨，按照GB/T228进行拉伸性能检测，钢轨抗拉强度为990MPa，延伸率为13.2％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜平均厚度为50μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为64％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，96h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的9％。
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 0.69％、Si0.45％、Mn 1.16％，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。
将钢坯置于加热炉中加热，控制空气煤气的比例在1:0.91～1:0.86，加热至1280℃，保温2.5h后，经高压水除鳞，除鳞压力为15MPa，开坯轧制与实施例1相同，万能粗轧轧制3个道次，轧制速度为4m/s，粗轧温度为1050℃，万能中扎和万能精轧均轧制1个道次，万能中扎的轧制速度为4m/s，中轧温度为980℃，万能精轧的轧制速度为5m/s，精轧温度为920℃。冷床未开风机加速冷却。
钢轨矫直后轨头踏面、轨头与轨腰连接处、轨腰与轨尾部连接处表面氧化铁皮发生剥落，轨腰氧化铁皮出现密集裂纹。按照GB/T228进行机械性能测试，抗拉强度为953MPa，延伸率为11.5％。通过金相制样观察钢轨表面氧化膜截面，氧化膜平均厚度为68μm，采用imagetool软件分析氧化膜截面Fe3O4的平均面积为36％，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，96h后钢轨表面腐蚀面积占总面积的68％
通过实施例1～3和对比例1可知，采用本发明方法制得的钢轨具有良好的耐腐蚀性能，钢轨经5％NaCl中性盐雾试验，96h后钢轨表面腐蚀面积占总面积＜10％。

Claims (9)

1.氧化膜，覆盖于钢轨表面，其特征在于：所述氧化膜的厚度为20μm～60μm；氧化膜断面Fe3O4的平均面积为60～80％。
2.耐腐蚀钢轨，其特征在于：所述耐腐蚀钢轨表面覆盖有权利要求1所述的氧化膜，耐腐蚀钢轨的化学成分由以下重量百分比的元素组成：C 0.62～0.80％、Si 0.25％～0.40％、Mn0.70～1.25％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述耐腐蚀钢轨的抗拉强度为800～1100MPa，延伸率≥10％。
3.权利要求1或2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2所述的钢轨基体成分的钢坯在氧化性气氛中加热至钢轨表面氧化铁皮易掉，经高压水除鳞后，置于开坯机轧制5～7道次，开坯机轧制的第一和第三道次采用大压下量轧制，然后进入万能轧机，万能轧机进行粗轧、中扎和精轧后进行冷却，经矫直、探伤检测制得成品钢轨；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。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述氧化气氛为空气煤气。
5.根据权利要求3或4所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述空气煤气中空气与煤气的体积比为1:0.95～1:0.80。
6.根据权利要求3～5任一项所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述钢坯在氧化性气氛中加热的温度为1150～1220℃，加热时间为2～3h。
7.根据权利要求3～6任一项所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述开坯机轧制第一道次、第三道次的相对压下量均为23％～40％。
8.根据权利要求3～7任一项所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述万能轧机粗轧速度为4～5.5m/s，中轧速度为4～6m/s，精轧速度为5～6.5m/s。
9.根据权利要求3～8任一项所述的耐腐蚀钢轨的制备方法，其特征在于：所述冷却过程中的冷却速度为0.7～1.5℃/s，冷却至540～570℃后自然冷却。
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