CN110423941A - 一种控制r260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，属于铁路钢轨焊接技术领域。本发明解决的技术问题是R260钢轨闪光焊接头焊后空冷容易出现马氏体组织。本发明的技术方案是一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，包括R260钢轨母材化学成分控制，热轧工艺控制，焊接工艺控制，焊后冷却控制，其中控制R260钢轨母材以重量百分数计Mn含量为1.0％～1.10％、C含量处于中下限、Si≤0.30％。本发明可避免在轨头中心面和轨底脚规定的检查位置出现马氏体组织，保证了接头各项力学性能指标，满足EN 14587‑2:2009标准的技术要求，具有良好的推广应用前景。

Description

一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法。
背景技术
EN R260钢轨是攀钢每年向马来西亚、泰国等东南亚国家出口量最多的钢种之一，每年约出口2～4万吨左右。EN13674-1:2011《Railway applications-Track-RailPart 1:Vignole railway rails 46kg/mand above》标准要求生产的R260的成品钢轨的化学成分为：0.60％～0.82％C， 0.65％～1.25％Mn，0.13％～0.60％Si，P、S≤0.030％，Cr≤0.15％，V≤0.030％，其余Mo、Ni、 Cu、Sn、Pb等为控制元素，一般含量要求控制在0.02％～0.15％。同时，EN标准要求R260 钢轨力学性能抗拉强度Rm≥880MPa，断后延伸率A≥10％，踏面硬度260～300HB。
钢轨生产商为了保证R260钢轨的强度和踏面硬度满足标准要求，最经济的方法是将Mn 含量提升至中上限范围，以保证正常轧制后钢轨在空冷条件下满足EN标准：Rm≥880MPa，踏面硬度260～300HB的技术要求。然而，C、Mn为偏析元素，当钢轨中Mn含量提高至中上限范围后，高Mn成分的钢轨母材势必导致Mn微区偏析，偏析区高含量的化学成分使CCT曲线严重右移，特别容易导致焊后接头空冷过程中出现点状马氏体组织，无法通过EN标准的焊接型检。
发明内容
本发明解决的技术问题是R260钢轨闪光焊接头焊后空冷容易出现马氏体组织。
本发明解决上述技术问题的技术方案是提供一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，步骤包括：R260钢轨母材化学成分控制，热轧工艺控制，焊接工艺控制，焊后冷却控制，其中控制R260钢轨母材以重量百分数计Mn含量为1.0％～1.10％、C含量处于中下限、 Si≤0.30％。
其中，热轧工艺控制使轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB。
进一步的，热轧工艺采用万能轧制生产线进行热轧。
其中，焊接工艺控制焊接顶锻量保持在14.0～15.0mm。
进一步的，焊接工艺采用脉动或预热闪光焊。
其中，焊接工艺控制当接头推瘤完成后空冷至570～550℃时，进行焊后冷却控制。
其中，焊后冷却控制当接头温度保温冷却到280℃以下，再空冷到室温。
其中，焊后冷却控制为对焊后接头进行保温冷却(缓冷)，控制接头在奥氏体向珠光体转变的相变温度区间的冷却速度在0.6～0.3℃/s。
具体的，控制接头在620～500℃区间的冷速在0.6～0.3℃/s。
其中，焊后冷却控制采用保温装置进行缓冷，保温装置采用铰链式结构内嵌硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置。
进一步的，保温装置长度为210mm～230mm；硅铝酸盐纤维棉厚度为35mm。
本发明的有益效果是：
本发明通过对R260钢轨化学成分、热轧工艺、焊接工艺、焊后冷却的综合控制，使得 R260钢轨成分Mn含量在1.0％～1.10％的情况下，其闪光焊接头可避免在轨头中心面和轨底脚规定的检查位置出现马氏体组织，保证了接头各项力学性能指标，满足EN 14587-2:2009 标准的技术要求；本发明采用简易的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置进行保温冷却控制，通过对保温装置长度和厚度的设置，较好的控制了焊后冷却速度；本发明控制工艺简单，可配套解决EN R260钢轨推广和应用道路上的重大焊接技术问题，具有良好的推广应用前景。
附图说明
图1为EN 14587-2:2009标准规定的显微组织检验位置示意图，其中1,2为显微组织检验位置；
图2为本发明轨头保温装置保温示意图，其中a为保温装置长度；
图3为本发明全断面保温装置保温示意图；
图4为本发明实施例1接头金相组织图。
具体实施方式
国外的EN、AREMA等标准要求的钢轨焊接方法和检验标准不同于中国TB/T1632-2014 钢轨焊接系列的标准。焊接方法最大的差异是焊后均不采用焊后正火风冷工艺进行接头焊后热处理，而一般采用焊后空冷或air quenching工艺。R260钢轨以前在国外一般采用AS标准焊接和验收，但近年来要求严格按照EN 14587-2:2009标准验收。特别是EN14587-2:2009《Rail way applications-Track-Flash butt welding of rails.Part 2:New R220 R260 R260Mn and R350HT grade rails by mobile welding machines atsites other than a fixed plant》标准规定检查R260钢轨闪光焊空冷接头踏面下0mm～20mm垂直中心面位置的显微组织如图1所示。钢轨垂直中心面为连铸钢坯的中心结晶面，是C、Mn等元素偏析富集最为严重的区域。
本发明提供一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，步骤包括：R260钢轨母材化学成分控制，热轧工艺控制，焊接工艺控制，焊后冷却控制，其中控制R260钢轨母材以重量百分数计Mn含量为1.0％～1.10％、C含量处于中下限、Si≤0.30％。C含量处于中下限一般控制在0.70～0.75％之间。
其中，热轧工艺控制使轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB。本发明对钢轨母材进行的热轧工艺可采用常规的热轧技术，使热轧后钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB即可。作为优选的，热轧工艺采用万能轧制生产线进行热轧。
其中，焊接工艺控制使焊接顶锻量保持在14.0～15.0mm。本发明在热轧结束后进入焊接工艺控制阶段，其中对顶锻量进行了特别控制，因为顶锻量过小，焊缝存在未挤干净的氧化物，降低接头性能；过大的顶锻量导致冷接头，性能同样降低。实践操作中需要通过大量静弯或拉伸实验来确认最佳的顶锻量。
具体的，本发明利用钢轨移动闪光焊机或固定闪光焊机，采用8.5～9.5MJ的大热输入量脉动或预热闪光焊接。热输入量越大，接头焊后冷却速度越慢，有利于减轻出现马氏体组织的面积百分比含量。
进一步的，焊接工艺当接头推瘤完成后空冷至570～550℃时，进行焊后冷却控制。
焊后冷却控制尤其重要，本发明通过保温冷却的方式进行冷却控制，控制当接头温度保温冷却到280℃以下，再空冷到室温。
本发明通过保温冷却(缓冷)的方式降低冷却速度，从而避免马氏体组织出现。具体的，控制接头在奥氏体向珠光体转变的相变温度区间的冷却速度在0.6～0.3℃/s。通过大量试验验证，焊后控制接头在620～500℃区间的冷却速度在0.6～0.3℃/s，可避免超过临界马氏体转变速度。
具体的，焊后冷却控制采用保温装置进行缓冷，保温装置采用铰链式结构内嵌硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置(图2)或全断面钢轨保温装置(图3)。
其中，保温装置的长度和厚度对保温冷却的影响很大，为了更好地控制冷却速度，作为优选的，设置保温装置长度210mm～230mm，铝酸盐纤维棉厚度35mm。
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明中，所述焊接“接头”为经焊接后得到的包含焊缝在内的长度为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。全断面是指包含焊缝在内的长度约为70～110mm范围内的钢轨焊接接头整个截面，包括轨头、轨腰、轨底。
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。接头静弯载荷、挠度、显微组织检验位置均按照EN 14587-2:2009 标准进行。
实施例1
控制R260钢轨母材成分中Mn含量处于1.1％Mn，其他化学成分C含量处于中下限、且 Si保持在≤0.30％，万能线正常生产轧制的热轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB，利用钢轨移动闪光焊机或固定闪光焊机，采用8.5MJ的大热输入量脉动或预热闪光焊接后，实际焊接顶锻量保持在14.0mm，当接头推瘤完成后空冷至550℃时，采用铰链式结构内35mm厚度嵌硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置进行缓冷，保温缓冷装置长度210mm，当缓冷温度到280℃以下后拆除保温装置，让接头空冷到室温。
经测试，接头按EN14587-2:2009标准要求的轨头和轨底脚规定位置检验确认无马氏体组织，相应的金相组织如图4所示，且该实施例连续5支R260钢轨接头静弯载荷达到1610kN，挠度25.0mm，满足EN标准要求。
实施例2
控制R260钢轨母材成分中Mn含量处于1.03％Mn，其他化学成分C含量处于中下限、且Si保持在≤0.30％，万能线正常生产轧制的热轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB，利用钢轨移动闪光焊机或固定闪光焊机，采用8.5MJ的大热输入量脉动或预热闪光焊接后，实际焊接顶锻量保持在14.00mm，当接头推瘤完成后空冷至560℃时，采用铰链式结构内嵌35mm厚度硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置进行缓冷，保温缓冷装置长度210mm，当缓冷温度到280℃以下后拆除保温装置，让接头空冷到室温。
经测试，接头按EN14587-2:2009标准要求的轨头和轨底脚规定位置检验确认无马氏体组织，且该实施例连续5支R260钢轨接头静弯载荷达到1610kN，挠度25.6mm，满足EN标准要求。
实施例3
控制R260钢轨母材成分中Mn含量处于1.07％，其他化学成分C含量处于中下限、且Si保持在≤0.30％，万能线正常生产轧制的热轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB；利用钢轨移动闪光焊机或固定闪光焊机，采用9.0MJ的大热输入量脉动或预热闪光焊接后，实际焊接顶锻量保持在14.5mm，当接头推瘤完成后空冷至560℃时，采用铰链式结构内嵌35mm厚度硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置进行缓冷，保温缓冷装置长度220mm，当缓冷温度到280℃以下后拆除保温装置，让接头空冷到室温。
经测试，接头按EN14587-2:2009标准要求的轨头和轨底脚规定位置检验确认无马氏体组织，且该实施例连续5支R260钢轨接头静弯载荷达到1610kN，挠度24.0mm，满足EN标准要求。
实施例4
控制R260钢轨母材成分中Mn含量处于1.10％，其他化学成分C含量处于中下限、且Si保持在≤0.30％，万能线正常生产轧制的热轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB；利用钢轨移动闪光焊机或固定闪光焊机，采用9.5MJ的大热输入量脉动或预热闪光焊接后，实际焊接顶锻量保持在15.0mm，当接头推瘤完成后空冷至570℃时，采用铰链式结构内嵌35mm厚度硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置进行缓冷，保温缓冷装置长度230mm，当缓冷温度到280℃以下后拆除保温装置，让接头空冷到室温。
经测试，接头按EN14587-2:2009标准要求的轨头和轨底脚规定位置检验确认无马氏体组织，且该实施例连续5支R260钢轨接头静弯载荷达到1610kN，挠度26.0mm，满足EN标准要求。
本发明有良好的推广应用前景，尤其是攀钢EN R260钢轨在国外城际铁路和地铁线路在线焊接施工单位直接推广使用。

Claims (10)

1.一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于包括以下步骤：R260钢轨母材化学成分控制，热轧工艺控制，焊接工艺控制，焊后保温冷却控制，其中控制R260钢轨母材以重量百分数计Mn含量为1.0％～1.10％、C含量处于中下限、Si≤0.30％。
2.根据权利要求1所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述热轧工艺控制使轧钢轨力学性能满足Rm≥880MPa，踏面硬度≥260HB。
3.根据权利要求1或2所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊接工艺控制焊接顶锻量保持在14.0～15.0mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊接工艺控制当接头推瘤完成后空冷至570～550℃时，进行焊后保温冷却控制。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊后保温冷却控制焊后接头温度保温冷却到280℃以下，再空冷到室温。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊后冷却控制为对焊后接头进行保温冷却，控制接头在奥氏体向珠光体转变的相变温度区间的冷却速度在0.6～0.3℃/s。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊后冷却控制为对焊后接头进行保温冷却，控制接头在620～500℃区间的冷却速度在0.6～0.3℃/s。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊后冷却控制采用保温装置进行保温冷却，保温装置采用铰链式结构内嵌硅铝酸盐纤维棉的轨头保温装置或全断面钢轨保温装置。
9.根据权利要求8所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述保温装置长度210mm～230mm；硅铝酸盐纤维棉厚度为35mm。
10.根据权利要求1所述的一种控制R260钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法，其特征在于：所述焊接工艺采用8.5～9.5MJ的大热输入量的脉动或预热闪光焊。
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