CN111172357A - 一种提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法 - Google Patents

一种提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法，属于冶金、热处理技术领域。该方法基于Fe‑O平衡相图中FeO的共析反应的基本原理，通过热处理工艺控制，对钢轨表面氧化膜中的Fe3O4比例进行控制，获得一种具有高比例的Fe3O4成分钢轨表面氧化膜，在获得的氧化膜中Fe3O4成分比例高达59％以上，显著提高了钢轨的耐腐蚀性能。

Description

一种提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法
技术领域
本发明属于冶金、热处理技术领域，具体涉及一种提高钢轨表面氧化膜Fe3O4比例的方 法，尤其涉及一种提供U75V材质钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法。
背景技术
防止钢轨表面腐蚀的措施基本包括以下几种方式：其一，提高电极电位，通过添加合金元素Cr、Ni、Cu等元素；其二，通过表面附加钝化层或附加涂层。提高电极电位的 方法抗腐蚀是从钢轨材质提高腐蚀性能的方法；表面附加涂层往往通过金属表面形成致 密的氧化膜，形成天然的“抗氧化涂层”，这种钝化膜中抗腐蚀能力取决于Fe3O4的比 例，只有高比例的Fe3O4氧化膜，才能在金属表面形成致密的氧化膜结构，阻止大气对 钢轨进一步氧化，进而起到耐腐蚀的效果。
金属表面氧化层结构一般分为三层，从基体到氧化层外表面分别为：FeO、Fe3O4和Fe2O3，各个层份比例为95:4:1，钢轨表面氧化层具有钝化效果，只有提高氧化层结构中Fe3O4的成份比例，才能使表面的氧化层结构致密达到耐腐蚀的目的。通常钢轨表面氧化 膜中Fe3O4比例在30～35％之间，尚不能达到满足生产需要的耐腐蚀的目的。
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提高钢轨表面氧 化膜中Fe3O4比例的方法，包括以下步骤：
1)将钢轨连铸坯在1180-1220℃温度条件的加热炉中加热3.5～4.0h；
2)连铸坯出加热炉后经高压水除磷，其中所述高压水的压力不小于200MPa；
3)经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制，其中CCS轧制除鳞压力不小于120MPa，连铸坯的终轧温度为930～950℃，获得钢轨；
4)将终轧后的钢轨空冷130～150s，随后入淬火线，淬火时间为90～100s，淬火温度为 800～850℃；进入淬火线之后的钢轨冷却110～120s，出淬火线温度为400～420℃；
5)出淬火线后的钢轨依靠内部反温，控制钢轨表面温度范围为540～560℃，并在此温度 下维持90～100s；
6)将钢轨空冷至室温。
上述步骤1)中所述加热炉中的温度为1200℃。
上述方法获得的钢轨表面氧化膜中Fe3O4的比例不低于59％。
上述钢轨为U75V材质钢轨。
本发明另一方面还提供一种钢轨表面氧化膜，所述氧化膜中Fe3O4的比例不低于59％。
上述氧化膜的厚度为20-60μm。
本发明又一方面还提供一种耐腐蚀钢轨，所述钢轨表面的氧化膜中Fe3O4的比例不低于 59％。
基于以上技术方案提供的提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法基于Fe-O平衡相图中 FeO的共析反应的基本原理，通过热处理工艺控制，对钢轨表面氧化膜中的Fe3O4比例进行 控制，进而提高Fe3O4成分在氧化膜中的比例，获得一种具有高比例的Fe3O4成分钢轨表面氧 化膜。另外，还提供一种具有高比例Fe3O4成分的氧化膜的耐腐蚀钢轨，尤其提供一种具有 高比例Fe3O4成分的氧化膜的耐腐蚀U75V材质钢轨，充分满足了钢轨在使用过程中的耐腐 蚀性能要求和力学性能要求。
附图说明
图1为对比例1获得的钢轨表面的氧化膜的XRD物相检测结果图像；
图2为实施例1获得的钢轨表面的氧化膜的XRD物相检测结果图像。
具体实施方式
本发明通过热处理工艺控制，对钢轨表面氧化膜中的Fe3O4比例进行控制，从而提高Fe3O4成分在氧化膜中的比例。
以下实施例中以U75V材质钢轨为例进行说明，本发明提供的方法仅涉及连铸坯之后的 热处理工艺，因此对U75V材质钢轨的原料成分不做限制，只要按照常规的生产U75V材质 钢轨的原料化学成分准备铁水进行生产即可。本领域技术人员也应当理解，本发明并不限于 U75V材质钢轨，其他材质的钢轨或钢材也同样适用于本发明的方法，以在钢轨或钢材的表 面产生具有高比例Fe3O4成分的氧化膜。
对比例1：
U75V热处理钢轨化学成分见TB/T2344-2012标准所示，将连铸坯(280×380(mm))在温度1200℃的加热炉中加热温度大于2.5h，出加热炉后经高压水除磷压力150～200MPa；经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制，其中CCS轧制除鳞压力不大于100MPa，连铸坯的终轧温度为930℃～950℃，获得钢轨。
钢轨出轧制机后，在走钢轨道停留空冷时间较长，在180～240s之间，增加了高温下FeO 厚度，进入淬火线温度720～780℃，出淬火线温度430～450℃，钢轨平均反温温度在550℃左 右维持较短，在60s左右。钢轨冷却过程对钢轨自由度限制较少，钢轨出淬火线弯曲、扭转 变形较大，矫直过程钢轨表面氧化膜易脱落。
对生产获得的钢轨表面的氧化膜中的各相比例进行分析，通过XRD物相检测结果如图1 所示，可见该对比例获得的钢轨表面的氧化膜中Fe3O4比例仅为33％。
实施例1：
该实施例与对比例1的不同之处在于以下步骤：
(1)将连铸坯(280×380(mm))在温度1200℃的加热炉中加热3.5h，出加热炉后经高压水除磷压力不小于200MPa；经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制， 其中CCS轧制除鳞压力不小于120MPa，连铸坯的终轧温度为930℃，获得钢轨。
(2)钢轨出终轧机后，进入淬火线前空冷时间130～150s，严格控制此空冷过程的停留 时间，使钢轨表面生成高温FeO的厚度适中，促进FeO共析反应增加Fe3O4所占比例，减少 氧化膜中FeO的比例。
(3)钢轨入淬火线温度800℃，淬火时间90～100s，进入淬火线之后的钢轨冷却110～120s， 出淬火线温度400℃，在淬火过程中对钢轨弯曲和扭转进行导卫限制，在钢轨相变的同时， 对钢轨平直度进行控制，使钢轨在出淬火线保持平直，进而减小钢轨后期矫直过程的变形量， 对钢轨进行弱矫直，减少钢轨表面氧化膜的脱落。
(4)钢轨出淬火线后依靠内部反温，钢轨表面温度控制范围550℃，此温度为FeO的共 析反应温度，在此温度下维持90～100s使共析反应有充分的反应时间。钢轨经过反温维持后， 空冷到室温，获得具有高比例Fe3O4成分的高钢轨表面氧化膜。
对生产获得的钢轨表面的氧化膜中的各相比例进行分析，结果如图2所示，可见该实施 例获得的钢轨表面的氧化膜中Fe3O4比例高达59％，相对于对比例1的方法获得的钢轨表面 氧化膜中的Fe3O4比例提高了将近一倍，将显著提高该实施例获得的钢轨的耐腐蚀性能。
对该实施例获得的钢轨的力学性能进行测定，测定结果如下表1和表2所示。可见该实 施例获得的钢轨的力学性能(洛氏硬度)也均符合要求。
表1：钢轨轨头踏面硬度
Figure RE-GDA0002426518360000031
表2：钢轨轨头洛氏硬度
Figure RE-GDA0002426518360000041
实施例2：
该实施例与对比例1的不同之处在于以下步骤：
(1)将连铸坯(280×380(mm))在温度1200℃的加热炉中加热4h，出加热炉后经高压水除磷压力不小于200MPa；经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制，其 中CCS轧制除鳞压力不小于120MPa，连铸坯的终轧温度为950℃，获得钢轨。
(2)钢轨出终轧机后，进入淬火线前空冷时间130～150s，严格控制此空冷过程的停留 时间，使钢轨表面生成高温FeO的厚度适中，促进FeO共析反应增加Fe3O4所占比例，减少 氧化膜中FeO的比例。
(3)钢轨入淬火线温度850℃，淬火时间90～100s，进入淬火线之后的钢轨冷却110～120s， 出淬火线温度420℃，在淬火过程中对钢轨弯曲和扭转进行导卫限制，在钢轨相变的同时， 对钢轨平直度进行控制，使钢轨在出淬火线保持平直，进而减小钢轨后期矫直过程的变形量， 对钢轨进行弱矫直，减少钢轨表面氧化膜的脱落。
(4)钢轨出淬火线后依靠内部反温，钢轨表面温度控制范围540℃，此温度为FeO的共 析反应温度，在此温度下维持90～100s使共析反应有充分的反应时间。钢轨经过反温维持后， 空冷到室温，获得具有高比例Fe3O4成分的高钢轨表面氧化膜。
对生产获得的钢轨表面的氧化膜中的各相比例进行分析，获得的钢轨表面的氧化膜中 Fe3O4比例高达61％，相对于对比例1的方法获得的钢轨表面氧化膜中的Fe3O4比例提高了将 近一倍，将显著提高该实施例获得的钢轨的耐腐蚀性能。
实施例3：
该实施例与对比例1的不同之处在于以下步骤：
(1)将连铸坯(280×380(mm))在温度1200℃的加热炉中加热4h，出加热炉后经高压水除磷压力不小于200MPa；经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制，其 中CCS轧制除鳞压力不小于120MPa，连铸坯的终轧温度为940℃，获得钢轨。
(2)钢轨出终轧机后，进入淬火线前空冷时间130～150s，严格控制此空冷过程的停留 时间，使钢轨表面生成高温FeO的厚度适中，促进FeO共析反应增加Fe3O4所占比例，减少 氧化膜中FeO的比例。
(3)钢轨入淬火线温度820℃，淬火时间90～100s，进入淬火线之后的钢轨冷却110～120s， 出淬火线温度410℃，在淬火过程中对钢轨弯曲和扭转进行导卫限制，在钢轨相变的同时， 对钢轨平直度进行控制，使钢轨在出淬火线保持平直，进而减小钢轨后期矫直过程的变形量， 对钢轨进行弱矫直，减少钢轨表面氧化膜的脱落。
(4)钢轨出淬火线后依靠内部反温，钢轨表面温度控制范围560℃，此温度为FeO的共 析反应温度，在此温度下维持90～100s使共析反应有充分的反应时间。钢轨经过反温维持后， 空冷到室温，获得具有高比例Fe3O4成分的高钢轨表面氧化膜。
对生产获得的钢轨表面的氧化膜中的各相比例进行分析，获得的钢轨表面的氧化膜中 Fe3O4比例高达61％，相对于对比例1的方法获得的钢轨表面氧化膜中的Fe3O4比例提高了将 近一倍，将显著提高该实施例获得的钢轨的耐腐蚀性能。
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 (7)

1.一种提高钢轨表面氧化膜中Fe3O4比例的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将钢轨连铸坯在1180-1220℃温度条件的加热炉中加热3.5～4.0h；
2)连铸坯出加热炉后经高压水除磷，其中所述高压水的压力不小于200MPa；
3)经高压水除磷之后的连铸坯经过BD1、BD2和CCS轧制，其中CCS轧制除鳞压力不小于120MPa，连铸坯的终轧温度为930～950℃，获得钢轨；
4)将终轧后的钢轨空冷130～150s，随后入淬火线，淬火时间为90～100s，淬火温度为800～850℃；进入淬火线之后的钢轨冷却110～120s，出淬火线温度为400～420℃；
5)出淬火线后的钢轨依靠内部反温，控制钢轨表面温度范围为540～560℃，并在此温度下维持90～100s；
6)将钢轨空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述加热炉中的温度为1200℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法获得的钢轨表面氧化膜中Fe3O4的比例不低于59％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述钢轨为U75V材质钢轨。
5.权利要求1-4中任一项所述的方法获得的钢轨表面氧化膜，其特征在于，所述氧化膜中Fe3O4的比例不低于59％。
6.根据权利要求5所述的钢轨表面氧化膜，其特征在于，所述氧化膜的厚度为20-60μm。
7.权利要求1-4中任一项所述的方法获得的耐腐蚀钢轨，其特征在于，所述钢轨表面的氧化膜中Fe3O4的比例不低于59％。
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