CN110438326A - 亚共析钢轨焊后热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚共析钢轨焊后热处理方法，铁路钢轨制造技术领域，提供一种能够将亚共析钢轨焊接接头的踏面纵向硬度控制在合理范围内的亚共析钢轨焊后热处理方法。该热处理方法包括依次进行的以下步骤：A、将亚共析钢轨焊接得到的温度为1100～1400℃的焊接接头进行第一冷却至不高于200℃，第一冷却的方式为置于空气中的自然冷却；B、将焊接接头加热至840～920℃；C、将焊接接头进行第二冷却，当冷却至320～400℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至5～40℃，得到轨头踏面纵向硬度为钢轨母材平均硬度的85～90％的焊接接头；第二冷却的方式为施以冷却介质的快速冷却，第二冷却的开冷温度为800℃以上；第三冷却的方式为置于空气中的自然冷却。

Description

亚共析钢轨焊后热处理方法

技术领域

本发明涉及铁路钢轨制造技术领域，尤其涉及一种亚共析钢轨焊后热处理方法。

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。专利号“CN1074058C”的专利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。

作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，甚至行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路运营条件影响，焊接长轨条的断裂大多发生在接头上，因而钢轨接头也就成了无缝线路的薄弱环节。采用在线热处理技术，基于细晶强化原理生产的钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度远低于母材。软化后的钢轨接头在线路服役过程中，易优先在轨头踏面形成“鞍型”磨耗，增加了轮轨冲击，影响钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因此，目前国内钢轨焊接完成后一般遵照TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》及TB/T1632.4-2014《钢轨焊接第4部分：气压焊接》进行钢轨焊后正火，以中频感应电加热或氧乙炔火焰加热作为热源将钢轨接头加热至奥氏体化以上温度后，采取空冷或风冷进一步提升钢轨焊接区域的踏面硬度。此外，上述两标准还规定，对于热处理钢轨，焊接区域的平均硬度不得低于钢轨母材平均硬度的90％，且焊缝和热影响区的微观组织中不应有马氏体或贝氏体等有害组织。

上述两项钢轨焊接标准所涉及的对象均为珠光体钢轨，而目前国内外尚无适用于亚共析钢轨的焊接标准。因而，完全遵照国内现行钢轨焊接技术标准对贝氏体钢轨焊接接头的力学性能进行评估是不合适的，并且过高的焊接接头轨头踏面纵向硬度(高于钢轨母材平均硬度的90％)将导致焊接接头的疲劳性能下降，发生早期断裂。

目前关于亚共析钢轨的报道主要涉及钢材的生产方法以及热处理工艺，如专利文献CN107227429A公开了一种含B钢轨的生产方法，包括：铁水脱硫、转炉冶炼、氩站、LF炉外精炼、RH真空脱气、连铸、钢坯加热及轧制和轧后热处理的步骤，该方法通过添加适量微合金扩大亚共析钢轨热处理的工艺范围。该发明并未涉及到碳含量在0.55％～0.65％的亚共析钢轨的焊后热处理方法。

综上所述，铁路工程领域亟需一种通过将亚共析钢轨钢轨焊接接头的金相组织及硬度控制在合理范围内的方式达到保证钢轨焊接接头疲劳寿命的钢轨焊后热处理方法工艺，以保证钢轨接头的服役性能及铁路运行安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够将亚共析钢轨焊接接头的金相组织及硬度控制在合理范围内，达到保证亚共析钢轨焊接接头疲劳寿命的钢轨焊后热处理方法。

为解决上述问题采用的技术方案是：亚共析钢轨焊后热处理方法包括依次进行的以下步骤：

A、将亚共析钢轨焊接得到的温度为1100～1400℃的焊接接头进行第一冷却至不高于200℃，第一冷却的方式为置于空气中的自然冷却；

B、将焊接接头加热至840～920℃；

C、将焊接接头进行第二冷却，当冷却至320～400℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至5～40℃，得到轨头踏面纵向硬度为钢轨母材平均硬度的85～90％的焊接接头；第二冷却的方式为施以冷却介质的快速冷却，第二冷却的开冷温度为800℃以上；第三冷却的方式为置于空气中的自然冷却。

进一步的是：步骤A中，亚共析钢轨焊接的方法为闪光焊接或气压焊接。

进一步的是：步骤B中，采用中频感应仿型电加热线圈和/或氧-乙炔火焰仿型加热器进行加热。

进一步的是：步骤B中，焊接接头进行加热的方式为全断面加热。

进一步的是：步骤C中，第二冷却的方式为以喷射压缩空气或水雾混合气作为冷却介质的快速冷却。

本发明的有益效果是：按照本发明方法热处理的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面纵向硬度控制在钢轨母材平均硬度的85～90％之间的合理范围内，并保证焊接接头无马氏体、贝氏体等异常组织。合适的轨头踏面硬度使得焊接接头不会因硬度过高韧塑性较差而导致早期的疲劳伤损，又不会因轨头踏面硬度较低而易发生“马鞍型”磨耗。因而，本发明能够保证亚共析钢轨焊接接头的服役性能及铁路运行安全。经实验测得，本发明可以控制亚共析钢轨焊接接头的实物疲劳寿命不低于250万次，远高于TB/T1632.2-2014及TB/T1632.4-2014标准规定的200万次。

附图说明

图1为采用实施例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。

图2为采用实施例2中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。

图3为采用对比例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。

图4为采用对比例2中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。

图5为采用对比例3中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。

图6为相关标准规定的纵断面硬度取样图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和热影响区在内的长度为80～120mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。

亚共析钢轨焊后热处理方法包括依次进行的以下步骤：

A、将亚共析钢轨焊接得到的温度为1100～1400℃的焊接接头进行第一冷却至不高于200℃，第一冷却的方式为置于空气中的自然冷却；

B、将焊接接头加热至840～920℃；

C、将焊接接头进行第二冷却，当冷却至320～400℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至5～40℃，得到轨头踏面纵向硬度为钢轨母材平均硬度的85～90％的焊接接头；第二冷却的方式为施以冷却介质的快速冷却，第二冷却的开冷温度为800℃以上；第三冷却的方式为置于空气中的自然冷却。

本发明中，B步骤加热温度与常规正火温度接近，但也有区别，具体如下：正火热处理通常是指采用常规方式将金属工件加热至Ac3(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)以上30～50℃，保温一段时间后，将金属工件从炉中取出，并在空气中进行自然冷却、或喷雾、或喷压缩空气冷却的热处理工艺。而钢轨焊接接头的焊后正火热处理与通常小尺寸工件使用的热处理工艺不同，因钢轨焊接后试样长度可高达数百米，这就决定了钢轨焊接接头的正火热处理不可能在达到目标温度后进行长时间保温(奥氏体化温度以上的温度)。因而，一般采用比常规正火温度稍高的温度将钢轨焊接接头加热至目标温度后，再进行空冷或风冷的热处理工艺，即B步骤的加热温度为840～920℃。

步骤B中，焊接接头进行加热的方式为全断面加热。全断面加热是指对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进行加热的方式。

步骤C中，第二冷却的方式为施以冷却介质的快速冷却，冷却介质可以有多种，本发明推荐第二冷却的方式为以喷射压缩空气或水雾混合气作为冷却介质的快速冷却。第二冷却的冷却区域除B步骤加热的加热区外，还包括加热区外两侧长度70mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。

在前期研究发明人发现亚共析钢轨钢连续冷却转变过程中的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210～240℃。为避免钢轨焊接接头出现马氏体等异常组织，C步骤中第二冷却需将终冷温度控制在钢轨Ms温度以上。

本发明的方法可以用于各种焊接方法获得的亚共析钢轨焊接接头，优选是用于采用包括闪光焊接和气压焊接中的至少一种焊接方法获得的焊接后的残余温度较高的亚共析钢轨焊接接头。

下面结合实施例和对比例对本发明进一步说明，实施例和对比例中参照TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》及TB/T1632.4-2014《钢轨焊接第4部分：气压焊接》标准，对本发明得到的亚共析钢轨焊接接头进行纵向硬度数据检测和三点弯曲疲劳试验，并以循环载荷加载250万次时焊接接头不发生疲劳断裂为试验目标。图六是上述标准规定的纵断面硬度取样图。

实施例1

将采用闪光焊接得到的温度在1200℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当接头从1200℃冷却至180℃时，采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热。当钢轨的踏面温度达到900℃时停止加热，然后将得到的钢轨焊接接头立即进行风冷至350℃，最后将焊接接头空冷至室温(25℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的亚共析钢轨焊接接头。

将本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头机加工成纵向硬度试样，并在踏面下5mm位置对焊接接头进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按GB/T 230.1-2009规定进行，采用HRC标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表1，纵向硬度的分布效果如图1所示。需要说明的是，钢轨母材平均硬度记为Hp，硬度曲线图中钢轨焊接接头软化区测量线所对应的硬度值为0.9Hp。

表1

由表1和图1可知，采用本发明提供的焊后热处理方法处理闪光焊接得到的温度在1200℃的亚共析钢轨焊接接头时，所得钢轨接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为29.55HRC，达到了钢轨母材平均硬度的89％，在85～90％钢轨母材平均硬度范围内。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+22％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。由本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头能够通过循环次数为250万次的疲劳试验。

实施例2

将采用气压焊接得到的温度在1300℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当焊接接头从1300℃冷却至200℃时，采用氧-乙炔火焰仿型加热器对钢轨焊接接头区域进行全断面加热。当钢轨的踏面温度达到920℃时停止加热，然后将钢轨焊接接头进行风冷至380℃，最后将焊接接头空冷至室温(25℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的亚共析钢轨焊接接头。

取本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头的纵向硬度试样于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按GB/T 230.1-2009规定进行，采用HRC标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表2，纵向硬度的分布效果如图2所示。需要说明的是，钢轨母材平均硬度记为Hp，硬度曲线图中钢轨焊接接头软化区测量线所对应的硬度值为0.9Hp。

表2

由表2和图2可知，采用本发明提供的焊后热处理方法处理闪光焊接得到的温度在1300℃的亚共析钢轨焊接接头时，所得钢轨接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为29.18HRC，达到了钢轨母材平均硬度的88％，在85～90％钢轨母材平均硬度范围内。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+25％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。由本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头能够通过循环次数为250万次的疲劳试验。

对比例1

按照实施例1的方法对亚共析钢轨焊接接头进行焊后热处理，采用中频感应仿型电加热线圈将钢轨焊接接头加热至900℃，不同的是，进行第二冷却至200℃时停止风冷，然后再将焊接接头空冷至室温(25℃)。

取本对比例得到的亚共析钢轨焊接接头的纵向硬度试样，于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按GB/T 230.1-2009规定进行，采用HRC标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表3，纵向硬度的分布效果如图3所示。需要说明的是，钢轨母材平均硬度记为Hp，硬度曲线图中钢轨焊接接头软化区测量线所对应的硬度值为0.9Hp。

表3

取本对比例得到的亚共析钢轨焊接接头的纵向硬度试样于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，其硬度分布效果见图3所示。本对比例所得钢轨焊接接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为32.28HRC，达到了钢轨母材平均硬度的98％。同时，钢轨接头热影响区中出现了大量的马氏体组织。所得钢轨接头在实物疲劳进行至150万次时发生疲劳断裂。

对比例2

将采用闪光焊焊接得到的温度在1400℃的亚共析钢轨焊接接头直接进行空冷至室温(25℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的亚共析钢轨焊接接头。

取本对比例得到的亚共析钢轨焊接接头的纵向硬度试样，于钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按GB/T 230.1-2009规定进行，采用HRC标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表4，纵向硬度的分布效果如图4所示。需要说明的是，钢轨母材平均硬度记为Hp，硬度曲线图中钢轨焊接接头软化区测量线所对应的硬度值为0.9Hp。

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焊接得到的亚共析钢轨焊接接头，所得钢轨接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为23.24HRC，仅仅达到了钢轨母材平均硬度的70％。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+30％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。与钢轨母材硬度相比，整个焊接区域呈现为软化状态。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中易造成钢轨轨头踏面低塌，影响线路平顺性及行车安全。

对比例3

将采用闪光焊焊接得到的温度在1350℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当焊接接头从1350℃冷却至180℃时，采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热。当钢轨的踏面温度达到920℃时停止加热，然后将焊接接头空冷至室温(30℃)，从而得到焊后正火风冷条件下的亚共析钢轨焊接接头。

取本对比例得到的亚共析钢轨焊接接头的纵向硬度试样，在钢轨轨头踏面下5mm位置进行纵向洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm。洛氏硬度检验方法按GB/T230.1-2009规定进行，采用HRC标尺。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表5，纵向硬度的分布效果如图5所示。需要说明的是，钢轨母材平均硬度记为Hp，硬度曲线图中钢轨焊接接头软化区测量线所对应的硬度值为0.9Hp。

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亚共析钢轨焊接接头，所得到的接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为25.65HRC，仅仅达到了钢轨母材平均硬度的78％。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+25％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。与钢轨母材相比，整个焊接区域呈现为软化状态。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中易造成钢轨轨头踏面低塌，影响线路平顺性及行车安全。

通过对比图1至图5中的焊接接头轨头踏面纵向硬度分布可以看出：采用本发明提供的工艺方法能够将亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面纵向硬度控制在85-90％钢轨母材平均硬度的水平。同时，钢轨接头金相组织为珠光体+适量的铁素体，无马氏体、贝氏体等异常组织。采用本发明提供的钢轨焊后热处理方法能够使亚共析钢轨焊接接头的疲劳寿命保持在250万次以上，远高于TB1632中规定的200万次的技术要求，达到了保证钢轨服役寿命的目的。

Claims (5)

1.亚共析钢轨焊后热处理方法，其特征在于：包括依次进行的以下步骤：

A、将亚共析钢轨焊接得到的温度为1100～1400℃的焊接接头进行第一冷却至不高于200℃，第一冷却的方式为置于空气中的自然冷却；

B、将焊接接头加热至840～920℃；

C、将焊接接头进行第二冷却，当冷却至320～400℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至5～40℃，得到轨头踏面纵向硬度为钢轨母材平均硬度的85～90％的焊接接头；第二冷却的方式为施以冷却介质的快速冷却，第二冷却的开冷温度为800℃以上；第三冷却的方式为置于空气中的自然冷却。

2.根据权利要求1所述的亚共析钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其特征在于：步骤A中，亚共析钢轨焊接的方法为闪光焊接或气压焊接。

3.根据权利要求1所述的亚共析钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其特征在于：步骤B中，采用中频感应仿型电加热线圈和/或氧-乙炔火焰仿型加热器进行加热。

4.根据权利要求3所述的亚共析钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其特征在于：步骤B中，焊接接头进行加热的方式为全断面加热。

5.根据权利要求1所述的亚共析钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其特征在于：步骤C中，第二冷却的方式为以喷射压缩空气或水雾混合气作为冷却介质的快速冷却。