CN110951943B

CN110951943B - 一种贝马复相钢轨及其热处理方法

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Publication number: CN110951943B
Application number: CN201911089998.6A
Authority: CN
Inventors: 李智丽; 何建中; 梁正伟; 张凤明; 杨维宇; 达木仁扎布; 王亚男; 刘岩军
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2039-11-08
Also published as: CN110951943A

Abstract

本发明公开了一种贝马复相钢轨及其热处理方法，提供的贝马复相钢轨的合金体系为C‑Si‑Mn‑Cr‑Ni‑Mo系，其化学成分范围为：C：0.15％～0.30％、Si：0.70％～1.20％、Mn：1.80％～2.50％、Cr：0.60～1.20％、Ni≤0.70％、Mo：0.15％～0.60％、Nb≤0.06％、V≤0.15％、Al≤0.004％、RE≤30PPm、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.0080％、O≤0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质。提供的热处理方法通过准确控制贝马复相钢轨在冷却过程中的相变及形变，使得钢轨具有高的强韧性匹配、同时平直度较好，不易矫直开裂，经最终低温回火后，同时使得钢轨轨底残余拉应力不大于250MPa，提高钢轨的使用安全性。

Description

一种贝马复相钢轨及其热处理方法

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，具体涉及一种贝马复相钢轨及其热处理方法，尤其涉及一种重载铁路用贝马复相钢轨及其热处理方法，更具体地讲，涉及一种轨头显微组织为下贝氏体+低碳马氏体+残余奥氏体的高性能钢轨及其热处理方法。

背景技术

随着铁路轴重和通过总重的不断提高，对钢轨的综合性能提出了更高的要求。钢轨和列车承受的应力增加，运行条件恶化，现有珠光体型钢轨由于磨损、疲劳等导致的剥离、隐伤甚至断裂等伤损频率大幅增加，铁路维护费用显著上升。现有的研究和试铺表明，贝氏体钢轨以及贝马复相钢轨具有高强韧性匹配特点，因而具有巨大的开发潜力。各国学者在贝氏体钢轨的研制、应用方面开展了大量研究工作。目前，国内贝氏体钢轨按照其显微组织可分为贝氏体和贝马复相两类，按照生产工艺分为热轧、热轧+低温回火工艺以及热轧+在线快冷+低温回火工艺。

文献CN102534403采用在线热处理,钢轨轧制成形以后，当钢轨轨头温度冷至700～890℃温度范围时，以0.4～8℃/s的冷速对轨头实施加速冷却，冷至200℃时停止加速冷却，然后空冷至室温，获得的贝氏体钢轨硬度为340～370HB，室温冲击为81～87J。

文献CN102021481A以低成本不含Mo为出发点进行成分设计，钢轨以1100～900℃终轧结束后，以0.5～10℃/s的冷速冷至200～350℃，随后空冷至室温，抗拉强度1285MPa，室温冲击为42～52J。

文献CN105385938A采用正火+淬火+贝氏体区等温相变+回火调质处理的热处理工艺，最终获得完全下贝氏体显微组织，综合性能良好，但经历四次热处理工序，特别是贝氏体区等温相变工艺控制复杂不利于工业推广。

经本发明人研究，发现上述文献均未考虑实际生产过程中百米钢轨在冷却过程的相变形变控制问题，按照上述方法，钢轨在线热处理后变形严重，不易矫直，容易出现矫直开裂、钢轨内部残余应力大，直接影响钢轨的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明的一个方面提供一种贝马复相钢轨，所述贝马复相钢轨的合金体系为C-Si-Mn-Cr-Ni-Mo系，其化学成分范围为：C：0.15％～0.30％、Si：0.70％～1.20％、Mn：1.80％～2.50％、Cr：0.60～1.20％、Ni≤0.70％、Mo：0.15％～0.60％、Nb≤0.06％、V≤0.15％、Al≤0.004％、RE≤30PPm、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.0080％、O≤0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质。

上述贝马复相钢轨的金相组织为贝氏体+马氏体+残余奥氏体组织，所述贝马复相钢轨的抗拉强度≥1420MPa、延伸率≥15％、面缩≥55％、常温冲击≥110J，踏面硬度为HBW420～440，钢轨轨底的残余应力值在250MPa以下，钢轨轨头横断面硬度分布均匀为HRC 43～47。

本发明另一方面提供一种贝马复相钢轨的热处理方法，包括以下步骤：

1)在线热处理：将终轧后的钢轨输送至热处理线，钢轨轨头表层温度降至750～800℃进入在线热处理线，对所述钢轨进行在线控冷；

2)回火热处理：经在线热处理后的钢轨置于温度为200℃～400℃的保温炉内回火处理，处理时间不低于8小时，空冷至室温。

上述步骤1)中所述在线控冷分为两阶段，其中第一阶段中轨头表面冷却速度为2～4℃/s，冷却时间不小于120s，目的是使轨头内部的热量得到充分释放，保证钢轨轨头横向面的硬度均匀性；第二阶段中轨头表面冷却速度为6～15℃/s，冷却时间不小于50s，使钢轨轨头表面温度控制在不大于220℃，该方法能够保证钢轨轨头部位返温不大于300℃，有效控制热处理线内的相变过程。其中冷速和时间可以根据不同轨型适当调节。

上述第一阶段和第二阶段的冷却介质为压缩空气和水雾混合介质。

上述热处理方法中，在热处理线出口位置，控制钢轨轨头表面温度不大于200℃，且轨头返温温度不大于300℃。在热处理线出口位置，当钢轨轨头表面温度控制在不大于200℃，且轨头返温温度不大于300℃时，钢轨可以保持较好的平直度。当钢轨轨头表面温度高于200℃，钢轨在随后冷床上的返温温度高于300℃时，钢轨会产生较大的弯曲乃至扭转变形，表明轨头内部相变未完成。

上述贝马复相钢轨为60AT、60kg/m、75kg/m的百米贝马复相钢轨。

上述终轧后的钢轨的获得方法为：将具有权利要求1提及的化学成分的钢坯送至加热炉中加热，采用1200℃～1300℃的加热温度和不小于2h的均热时间，然后轧制成所需断面的钢轨，终轧温度为900℃～950℃。

基于以上技术方案提供的一种贝马复相钢轨及其采用在线冷却的热处理方法，通过准确控制贝马复相钢轨在冷却过程中的相变及形变，使得钢轨具有高的强韧性匹配、同时平直度较好，不易矫直开裂，经最终低温回火后，同时使得钢轨轨底残余拉应力不大于250MPa，提高钢轨的使用安全性。

本发明的有益效果是，通过本发明的热处理方法，满足现场生产条件，在保证钢轨综合力学性能的前提下，能够使钢轨在热处理线内完成相变，从而有效控制钢轨的变形，使得热处理后的钢轨平直度好，减少了后续矫直工艺对钢轨的损伤，同时，通过后续回火保温处理，提高了钢轨的组织稳定性，延伸率和冲击韧性进一步稳定和提高，极大提高了钢轨的使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例1#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的硬度分布；

图2为本发明实施例1#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的显微组织形貌；

图3为本发明实施例2#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的硬度分布；

图4为本发明实施例2#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的显微组织形貌。

具体实施方式

本发明人发现，合金体系为C-Si-Mn-Cr-Ni-Mo系，化学成分范围为“C：0.15％～0.30％、Si：0.70％～1.20％、Mn：1.80％～2.50％、Cr：0.60～1.20％、Ni≤0.70％、Mo：0.15％～0.60％、Nb≤0.06％、V≤0.15％、Al≤0.004％、RE≤30PPm、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.0080％、O≤0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质”的钢轨在冷却过程中先后发生贝氏体和马氏体相变，钢轨在相变过程释放潜热并伴随着体积膨胀，因此，在线热处理过程中除了要考虑钢轨不同部位的形状因素外，还必须考虑在热处理过程中会发生两次相变的特点。

进一步地，本发明人对贝马复相钢轨的相变特点进行了系统分析，发现钢轨在0.04～10℃/s的冷速范围内的相变特性随冷却速度的不同，钢轨在218～408℃区间发生贝氏体相变，在187℃～324℃开始发生马氏体相变，贝氏体转变温度随冷速的加大而降低。具体相变温度见下表1所示。

表1贝马复相钢轨不同冷速下的相变温度和转变时间

冷速(℃/s)	相变开始(℃)	相变结束(℃)	显微组织
				0.04	408B点	293	B+M
0.17	384B点	259	B+M
				0.26	372B点	224	B+M
0.35	344B点	218	B+M
				0.5	323M点	204	M
2	320M点	204	M
				4	320M点	202	M
10	324M点	187	M

注：B-贝氏体、M-马氏体

本发明提供的贝马复相钢轨的热处理方法包括以下步骤：

将具有以下成分的钢坯送至加热炉中加热：C：0.15％～0.30％、Si：0.70％～1.20％、Mn：1.80％～2.50％、Cr：0.60～1.20％、Ni≤0.70％、Mo：0.15％～0.60％、Nb≤0.06％、V≤0.15％、Al≤0.004％、RE≤30PPm、P≤0.025％、S≤0.015％、N≤0.0080％、O≤0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质；通常采用1200℃～1300℃的加热温度和不小于2h的均热时间，然后轧制成所需断面的钢轨，终轧温度通常为900℃～950℃，之后钢轨通过辊道送至热处理线内进行冷却，通常入口温度控制为750～800℃。向钢轨施加先慢后快的分段式冷却方法进行冷却，第一段以2～4℃/s的冷却速度冷却不少于120s，第二段以冷却速度6～15℃/s冷却不少于50s，使钢轨轨头表面的温度降至200℃以下，冷却介质可以为压缩空气和水雾混合气体。经在线热处理后的钢轨置于温度为200～400℃的加热炉内回火处理8h及以上，空冷至室温。在热处理线出口位置，控制钢轨轨头表面温度不大于200℃，且轨头返温温度不大于300℃。本发明人发现，其中在热处理线出口位置，当钢轨轨头表面温度控制在不大于200℃，且轨头返温温度不大于300℃时，钢轨可以保持较好的平直度。当钢轨轨头表面温度高于200℃，钢轨在随后冷床上的返温温度高于300℃时，钢轨会产生较大的弯曲乃至扭转变形，表明轨头内部相变未完成。

通过以下具体实施例详细说明本发明。

实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，实施例将有助于理解本发明，但不作为对本发明内容的限制。

本发明实施例贝马复相钢轨的化学成分见表2。经本发明热处理方法处理，钢轨的抗拉强度≥1420MPa、延伸率≥15％、面缩≥55％、常温冲击≥110J，踏面硬度HBW 420～440，经回火处理后钢轨轨底的残余应力值显著降低至250MPa以下，详见表3本发明实施例贝马复相钢轨的热处理方法工艺参数及获得的贝马复相钢轨的性能。经回火处理后的钢轨轨头横断面硬度分布均匀为HRC 43～47，组织为超细的贝氏体+马氏体+残余奥氏体组织，详见图2，示出了实施例1#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的显微组织形貌。另外图1示出了实施例1#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的硬度分布，图3和图4分别示出了实施例2#-1的贝马复相钢轨在线热处理及回火后轨头横断面的硬度分布和显微组织形貌。

表2本发明实施例钢轨的化学成分

表3本发明实施例钢轨的不同热处理工艺参数及性能对比

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种贝马复相钢轨，其特征在于，所述贝马复相钢轨的合金体系为C-Si-Mn-Cr-Ni-Mo系，其化学成分范围为：C：0.15%~0. 30%、Si：0.70%~1.20%、Mn：1.80%~2.50%、Cr：0.60~1.20%、Ni≤ 0.70%、Mo：0.15%~0.60%、Nb≤0.06%、V≤0.15%、Al≤0.004%、RE≤30PPm、P≤0.025%、S≤0.015%、N≤0.0080%、O≤0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述贝马复相钢轨的金相组织为贝氏体+马氏体+残余奥氏体组织，所述贝马复相钢轨的抗拉强度≥1420MPa、延伸率≥15%、面缩≥55%、常温冲击≥110J，踏面硬度为HBW 420~440，钢轨轨底的残余应力值在250MPa以下，钢轨轨头横断面硬度分布均匀为HRC 43~47；

所述贝马复相钢轨的热处理方法包括以下步骤：

1）在线热处理：将终轧后的钢轨输送至热处理线，钢轨轨头表层温度降至750~800℃进入在线热处理线，对所述钢轨进行在线控冷；

2）回火热处理：经在线热处理后的钢轨置于温度为200℃~400℃的保温炉内回火处理，处理时间不低于8小时，空冷至室温；

步骤1）中所述在线控冷分为两阶段，其中第一阶段中轨头表面冷却速度为2~4℃/s，冷却时间不小于120s；第二阶段中轨头表面冷却速度为6~15℃/s，冷却时间不小于50s，使钢轨轨头表面温度控制在不大于220℃，且轨头返温温度不大于300℃。

2.根据权利要求1所述的贝马复相钢轨，其特征在于，所述第一阶段和第二阶段的冷却介质为压缩空气和水雾混合介质。

3.根据权利要求1或2所述的贝马复相钢轨，其特征在于，在热处理线出口位置，控制钢轨轨头表面温度不大于200℃。

4.根据权利要求1或2所述的贝马复相钢轨，其特征在于，所述贝马复相钢轨为60AT、60kg/m、75kg/m的百米贝马复相钢轨。

5.根据权利要求1所述的贝马复相钢轨，其特征在于，所述终轧后的钢轨的获得方法为：将具有权利要求1提及的化学成分的钢坯送至加热炉中加热，采用1200℃~1300℃的加热温度和不小于2h的均热时间，然后轧制成所需断面的钢轨，终轧温度为900℃~950℃。