CN110592354B

CN110592354B - 一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法

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Publication number: CN110592354B
Application number: CN201910864211.2A
Authority: CN
Inventors: 高古辉; 白秉哲; 桂晓露; 张敏; 谭谆礼; 翁宇庆
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110592354A

Abstract

本发明涉一种余热淬火‑自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，以低碳Mn‑Si‑Cr为主要合金元素，添加Ni、Mo、N、V、Nb等元素，其余为Fe，将经冶炼、铸造、轧制后的余热钢轨，进行余热淬火，使钢轨踏面以0.2～20℃/秒的冷速加速冷却至一定温度之后，使钢轨踏面自返温至马氏体转变开始温度之下的温度进行配分，之后再将钢轨冷却至室温，经回火后获得1380MPa级别贝氏体钢轨。本发明所得贝氏体钢轨的抗拉强度为1380～1480MPa，屈服强度为980～1300MPa，延伸率大于12％，冲击韧性大于100J，耐磨性显著改善。

Description

一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法

技术领域

本发明涉及铁路用钢技术领域，具体涉及一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法。

背景技术

目前我国大宗、长途货物的运输主要依靠货运铁路承担，铁路的货运能力直接影响着我国国民经济的发展。重载铁路是提升货运能力的最有效的途径，也是我国铁路发展的重要方向。重载铁路具有轴重大、运量大、发车密度高等特点，对钢轨材料的强韧性、耐磨性和抗疲劳性能提出了更苛刻的要求，我国现有钢轨性能已无法完全满足，成为制约我国重载铁路发展的瓶颈环节，研发新一代重载钢轨势在必行。

与普通珠光体钢轨相比，贝氏体钢轨具有更高的强韧性、更优的抗接触疲劳性能和焊接性。在此背景下，很多科技工作者开始关注贝氏体钢轨的研制与生产。例如，北京特冶工贸有限责任公司提出了“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN 101921971A)，但由于采用风冷以冷速为10～20℃/分钟冷却，获得钢轨的强度低，仅为1200～1300MPa，不能满足日益发展的重载铁路建设。鞍钢股份有限公司提出了“具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法”(公开号为CN 1978690A)，但是采用“热轧后在空气中自然冷却”，必然会引起季节变化对冷速的影响，造成性能和组织不均匀。钢铁研究总院提出了“一种合金体系及其贝氏体钢轨的热处理方法”(公开号为CN105385938 A)，但是由于需要将钢轨再进行重新奥氏体化和正火处理，没有采用余热热处理，不利于节能减排。攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司提出了“一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN 104087852 A)；虽然采用余热热处理工艺，但是没有自配分和回火步骤，马氏体比较脆，不利于钢轨的服役性能改善。

贝氏体/马氏体/残余奥氏体/碳化物复相组织是高强度级别(大于1380MPa)贝氏体钢轨的理想组织，必要的马氏体组织和碳化物有助于提高贝氏体钢轨的强度和耐磨性；利用碳配分促进马氏体中碳向奥氏体中扩散，有助于提高马氏体的韧性，增加复相组织的稳定性。例如，北京交通大学提出了“一种无碳化物贝/马复相钢的BQ&P热处理工艺”(公开号为CN 106893832A)，引进配分工艺提高了复相钢的综合力学性能；但是该专利中配分阶段需要重新加热，一方面不利于节能减排；另一方面，对于百米定尺钢轨，再重新加热很难实现。因此发明一种适用于百米定尺贝氏体钢轨工业化生产的方法十分必要。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，一方面解决目前重载铁路用钢轨强韧性差、耐磨性、抗疲劳性能不足的问题，延长重载钢轨的使用寿命；另一方面，适用于百米定尺重载钢轨的工业化生产，有利于节能减排。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将包含C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、N、V、Nb、Fe的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯，缓冷至室温；

2)将方坯再次加热，经轧制，得到余热钢轨；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面加速冷却至一定温度之后，使钢轨踏面自返温至马氏体转变开始温度之下的温度进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

优先地，所述步骤1)中贝氏体钢的各合金元素含量，按质量百分比，包括：C：0.12～0.22wt.％；Mn：2.0～2.4wt.％；Si：0.6～1.2wt.％；Cr：0.5～1.0wt.％；Ni：0.2～0.6wt.％；Mo：0.2～0.4wt.％；N：0.001～0.005wt.％；V：0～0.2wt.％；Nb：0～0.04wt.％；剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

在本发明中，考虑重载钢轨横截面积大，且为异型截面，轨头踏面位置的冷速和其他位置很难一致，因此需要采用以Mn-Si-Cr为主合金，抑制高温铁素体转变，促进贝氏体转变，并辅以Ni-Mo等元素降低马氏体转变开始温度，扩大贝氏体转变区间，使钢轨在2～20℃/秒的冷速范围内均可获得贝氏体/马氏体复相组织。C含量采用低碳，兼顾高强韧和焊接性。同时，在本发明中，采用了V、Nb微合金化，形成细小的析出物，提高钢轨的耐磨性；为了使V和Nb尽可能的发挥作用，本发明通过控制N的含量，形成适量的VN析出。

优先地，步骤2)中余热钢轨是：将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为850～1000℃。适当的轧制温度有利于获得均匀的细小的原奥氏体晶粒，若过高，不利于晶粒细化；若过低，可能出现不完全再结晶，造成混晶现象。

优先地，步骤3)中钢轨踏面加速冷却的冷速为0.2～20℃/秒。在该冷速范围内，均可获得贝氏体/马氏体复相组织，若冷速过低，在钢轨心部可能出现粗大的粒状贝氏体，若冷速过快，在钢轨表面可能出现大量的马氏体，均不利于性能的改善。

优先地，步骤3)中将钢轨踏面加速冷却至一定温度是根据钢轨的规格而定，为(150～280℃)×(75÷X)，其中X为钢轨每米的公斤数。重载钢轨为异型大截面结构，不同规格的钢轨在冷却过程中横截面温度场不完全一样，这就需要根据钢轨的规格确定最终的冷却温度。本发明提出冷却温度的公式中X即为钢轨的规格，例如重载钢轨中以75kg/m和60kg/m最为常见；按照公式，对于75kg/m的钢轨，冷却温度为150～280℃，对于60kg/m的钢轨，冷却温度为(150～280℃)×(75÷60)，即为187.5～350℃。同时，冷却温度不能过高，否则获得的马氏体含量偏低，强度低于1380MPa；冷却温度也不能过低，否则获得的马氏体含量偏高，韧性降低。

优先地，步骤3)是使钢轨踏面自返温至马氏体转变开始温度之下10～80℃的温度进行配分。本发明中采用自返温使钢轨踏面的温度升高，不需要额外加热，适用于百米定尺重载钢轨的工业化生产，有利于节能减排。采用配分促进马氏体中的碳向奥氏体中扩散，形成贫碳的马氏体，有利于韧性和疲劳性能的改善；另一方面选择在马氏体转变开始温度(Ms)以下进行配分，可以细化在配分阶段形成的贝氏体组织。同时，Ms以下的温度不宜过高，否则难以形成细小的贝氏体；也不宜过低，否则碳扩散的速度减慢，不利于形成贫碳的马氏体。Ms点的测定参考YB/T5128-1993《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法(膨胀法)》。

优先地，步骤4)中将钢轨回火是：将钢轨在260～350℃保温10～60小时，之后自然冷却至室温。本发明中采用的回火的目的，一是进一步促进马氏体和贝氏体铁素体中的碳向残余奥氏体中扩散，降低马氏体的内应力，提高残余奥氏体的稳定性；二是在回火过程中形成细小的微合金化元素的碳化物，提高钢轨的耐磨性。

优先地，步骤4)中获得的1380MPa级别贝氏体钢轨是根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》取拉伸试样，抗拉强度大于1380MPa，具体为1380～1480MPa。抗拉强度不宜过低，否则钢轨的耐磨性不足；也不宜过高，否则钢轨的服役稳定性变差。

本发明的优点：

本发明采用精确的合金元素组成，同时考虑重载钢轨轨型，精确地控制余热淬火、自配分、回火的温度、冷却速度和时间参数，精确地获得具有合理的贝氏体、马氏体、残余奥氏体、碳氮化物比例的复相组织，使钢轨的抗拉强度控制在1380～1480MPa；可有效地提高重载贝氏体钢轨的耐磨性和抗疲劳性能，延长钢轨的服役寿命；钢轨的力学性能可达到：抗拉强度为1380～1480MPa，屈服强度为980～1300MPa，延伸率大于12％，冲击韧性大于100J；依据《GB/T 1244.1-90金属磨损试验方法MM型磨损试验》标准，与热处理型U75V珠光体钢轨相比，本发明获得的1380MPa级别贝氏体钢轨的失重率降低1倍以上，即耐磨性提高1倍以上。

同时，本发明采用余热淬火和自配分的工艺，一方面适用于百米定尺重载钢轨的工业化生产，缩短工艺流程，避免再次加热，节约能源和资源，符合我国节能减排的战略需求。

附图说明

图1示出一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法的步骤2)、3)和4)。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

表1是不同规格重载贝氏体钢轨的合金组分及质量百分比、Ms温度(℃)

实施例1

一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，包括如下步骤：

1)将包含表1所示实施例1合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为850℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以8℃/秒的冷速加速冷却至350℃之后，使钢轨踏面自返温至365℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在350℃保温10小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1380MPa，屈服强度为980MPa，延伸率为16％，冲击韧性为160J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低1.2倍。

实施例2

1)将包含表1所示实施例2合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为900℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以10℃/秒的冷速加速冷却至230℃之后，使钢轨踏面自返温至280℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在280℃保温20小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1420MPa，屈服强度为1160MPa，延伸率为14％，冲击韧性为120J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低1.8倍。

实施例3

1)将包含表1所示实施例3合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为960℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以20℃/秒的冷速加速冷却至188℃之后，使钢轨踏面自返温至278℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在260℃保温40小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1430MPa，屈服强度为1230MPa，延伸率为13％，冲击韧性为110J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低2.5倍。

实施例4

1)将包含表1所示实施例4合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为980℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以0.2℃/秒的冷速加速冷却至280℃之后，使钢轨踏面自返温至320℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在300℃保温60小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1410MPa，屈服强度为1300MPa，延伸率为14％，冲击韧性为110J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低4.0倍。

实施例5

1)将包含表1所示实施例5合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为1000℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以2℃/秒的冷速加速冷却至150℃之后，使钢轨踏面自返温至265℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在260℃保温48小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1480MPa，屈服强度为1260MPa，延伸率为17％，冲击韧性为150J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低3.0倍。

实施例6

1)将包含表1所示实施例6合金组分的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为940℃；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面以5℃/秒的冷速加速冷却至200℃之后，使钢轨踏面自返温至300℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨在300℃保温36小时进行回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨。

根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》检验，所得实施例1的钢轨抗拉强度为1400MPa，屈服强度为1120MPa，延伸率为16％，冲击韧性为140J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量降低2.0倍。

对比例1

与实施例1相同，区别在于：使钢轨踏面以8℃/秒的冷速加速冷却至400℃之后，使钢轨踏面自返温至450℃进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

所得钢轨的抗拉强度为1220MPa。

对比例2

与实施例2相同，区别在于：使钢轨踏面以0.1℃/秒冷却至375℃之后，没有配分过程，之后再将钢轨冷却至室温；

所得钢轨的抗拉强度为1300MPa，冲击韧性为80J。

对比例3

与实施例3相同，区别在于：将钢轨在400℃保温40小时进行回火；

所得钢轨的抗拉强度为1390MPa，冲击韧性为30J。

对比例4

与实施例4相同，区别在于：使钢轨踏面以50℃/秒的冷速加速冷却至280℃之后，使钢轨踏面自返温至380℃进行配分；

所得钢轨的抗拉强度为1320MPa，冲击韧性为70J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量增加1.4倍。

对比例5

与实施例5相同，区别在于：Mn含量为2.5％，Mo含量为0.5％；

所得钢轨的抗拉强度为1550MPa，冲击韧性为50J，与U75V热处理钢轨相比，50万转失重量增加1.6倍。

对比例6

与实施例6相同，区别在于：将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为1200℃；

所得钢轨的抗拉强度为1390MPa，冲击韧性为40J。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将包含C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、N、V、Nb、Fe的贝氏体钢经冶炼、铸造制备成方坯；

2)将方坯再次加热，经轧制，得到余热钢轨；

3)将余热钢轨淬火，使钢轨踏面加速冷却，使钢轨踏面自返温至马氏体转变开始温度之下10～80℃的温度进行配分，之后再将钢轨冷却至室温；

4)将钢轨回火，得到1380MPa级别贝氏体钢轨；其中，将钢轨回火具体为：将钢轨在260～350℃保温10～60小时，之后自然冷却至室温；所述1380MPa级别贝氏体钢轨是：根据《TB/T 2344-2012：43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》取拉伸试样，抗拉强度为1380～1480MPa。

2.根据权利要求1所述的一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特征在于，所述步骤1)中贝氏体钢的各合金元素含量，按质量百分比，包括：

C：0.12～0.22wt.％；Mn：2.0～2.4wt.％；Si：0.6～1.2wt.％；Cr：0.5～1.0wt.％；Ni：0.2～0.6wt.％；Mo：0.2～0.4wt.％；N：0.001～0.005wt.％；V：0～0.2wt.％；Nb：0～0.04wt.％；剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特征在于，所述步骤2)中余热钢轨是：将方坯轧制，轧制后钢轨踏面的余热温度为850～1000℃。

4.根据权利要求1所述的一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特征在于，所述步骤3)中钢轨踏面加速冷却的冷速为0.2～20℃/秒。

5.根据权利要求1所述的一种余热淬火-自配分制备1380MPa级别贝氏体钢轨的方法，其特征在于，所述步骤3)中将钢轨踏面加速冷却所至的温度需根据钢轨的规格而定，为(150～280℃)×(75÷X)，其中X为钢轨每米的公斤数。