CN111349862A - 高速铁路用钢轨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢轨材料领域，具体涉及一种高速铁路用钢轨及其制备方法。本发明高速铁路用钢轨，以所述高速铁路用钢轨的钢坯的总重量为基准，钢坯含有0.40～0.60％C，0.15～0.35％Si，0.75～0.95％Mn，余量为Fe及不可避免的杂质；制备方法包括以下步骤：将保温处理后的钢坯进行轧制得到余热钢轨，对余热钢轨的轨头部位开展加速冷却热处理，加速冷却热处理的开冷温度大于800℃，控制冷速为3～5℃/s进行冷却，当温度降至390℃～410℃时停止加速冷却，然后空冷至室温。本发明钢轨具有优良的综合磨耗性能。

Description

高速铁路用钢轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢轨材料领域，具体涉及一种综合磨损性能优良的高速铁路用钢轨及其制备方法。
背景技术
我国高速铁路行业近年来发展迅猛，截止2018年底我国高速铁路运营里程超过了2.9万公里，占全球高铁运营里程的65％以上。高速铁路具有轴重小、曲线半径大、维护良好等特点。钢轨材质方面，目前国内高速铁路用钢轨以U71Mn热轧钢轨为主，其特点为强度较低、韧性较好。对国内高速铁路运行情况的统计显示部分高速铁路钢轨在服役近十年其磨损量还不到1mm。这表明目前高速用U71Mn热轧钢轨在强度与耐磨性能上仍有充分富余。然而，高速列车用ER8车轮在一个镟修周期内存在明显的车轮凹磨和多边型等问题，轮轨综合磨耗性能不佳。因此高速铁路亟待一种综合磨损性能优良的钢轨代替U71Mn热轧钢轨。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种综合磨损性能优良的高速铁路用钢轨及其制备方法。该钢轨具有优良的综合磨耗性能，适用于低轴重、高运行密度、曲线半径大的高速铁路。
本发明高速铁路用钢轨，以所述高速铁路用钢轨的钢坯的总重量为基准，钢坯含有0.40～0.60重量％的C，0.15～0.35重量％的Si，0.75～0.95重量％的Mn，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明还提供了上述高速铁路用钢轨的制备方法，包括以下步骤：将保温处理后的钢坯进行轧制得到余热钢轨，对余热钢轨的轨头部位开展加速冷却热处理，加速冷却热处理的开冷温度大于800℃，控制冷速为3～5℃/s进行冷却，当温度降至390℃～410℃时停止加速冷却，然后空冷至室温。
具体的，上述高速铁路用钢轨的制备方法中，所述保温为将钢坯加热至1250～1300℃并保温3h以上。
进一步的，上述高速铁路用钢轨的制备方法中，所述保温时间为3～5h。
具体的，上述高速铁路用钢轨的制备方法中，所述轧制为轧制成单重为60kg/m的断面钢轨。
本发明通过成分调控和后续冷却方式相配合，制备得到的钢轨具有优良的综合磨损性能，适用于低轴重、高运行密度、曲线半径大的高速铁路。本发明高速铁路用钢轨，进行630MPa接触应力、10％滑差、10万次滚动磨损循环试验时，稳定摩擦系数为0.70～0.75；滚动磨损循环后，该钢轨材料磨损量为0.85～0.95g，ER8车轮材料磨损量为0.90～1.00g，该钢轨材料与ER8车轮材料综合磨损量为1.75～1.95g。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明人在研究过程中发现，目前高速铁路用U71Mn热轧钢轨材料和ER8车轮材料，在磨损试验机上开展630MPa接触应力、10％滑差、10万次滚动磨损循环时，稳定摩擦系数大于0.90；滚动磨损循环后，U7Mn热轧钢轨材料磨损量为0.79g，ER8车轮材料磨损量为1.47g，U71Mn热轧钢轨与ER8车轮材料综合磨损量为2.26g。轮轨摩擦系数大，轮轨磨损量差异大，综合磨损性能不佳。因此需要对钢轨材质性能进行优化，降低轮轨摩擦系数、提高其综合磨损性能。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种综合磨损性能优良的高速铁路用钢轨，所述高速铁路用钢轨的钢坯的化学成分需要满足以下条件：以所述钢坯的重量为基准，所述钢坯含有0.40～0.60重量％的C，0.15～0.35重量％的Si，0.75～0.95重量％的Mn，余量为Fe及不可避免的杂质。
以下说明本发明所述钢坯主要化学元素的含量限定在上述范围的原因。
C是高速铁路用钢轨钢中获得良好强韧性匹配和综合力学性能最重要的元素。当碳含量低于0.40重量％时，强化作用无法充分发挥，导致钢轨强度硬度过低，耐磨性能不佳，无法满足高速铁路服役需求；当碳含量高于0.60重量％时，在本发明所述方法下，钢轨强度和耐磨性能过高，达不到提高钢轨综合磨损性能的目的。因此，本发明将碳含量范围限制在0.40～0.60重量％。
Si在高速铁路用钢轨钢中通常固溶在铁素体中，可以提高材料强度和耐磨性能。当硅含量低于0.15重量％时，固溶强化效果不明显，钢轨强度、耐磨性无法满足高速铁路服役需求；当硅含量高于0.35重量％时，在本发明所述方法下，磨损性能提升明显，达不到提高钢轨综合磨损性能的目的。因此，本发明将硅含量范围限制在0.15～0.35重量％。
Mn在高速铁路用钢轨钢中起到提高淬透性作用。当锰含量低于0.75重量％时，钢轨淬透性不足，热处理后钢轨强度不足，淬硬层深度过浅，无法满足高速铁路服役需求；当锰含量高于0.95重量％时，钢轨淬透性过强，强度和耐磨性能提升过高，达不到提高钢轨综合磨损性能的目的。因此，本发明将锰含量范围限制在0.75～0.95重量％。
根据本发明的第二方面，本发明还提供了上述高速铁路用钢轨的制备方法，包括以下步骤：将保温处理后的钢坯进行轧制得到余热钢轨，对带有余热的钢轨的轨头部位开展加速冷却热处理，热处理的开冷温度大于800℃，冷速3～5℃/s，当温度降至390℃～410℃时停止加速冷却，然后在空气中冷却至室温。
根据本发明的方法，以所述钢坯的重量为基准，含有0.40～0.60重量％的C，0.15～0.35重量％的Si，0.75～0.95重量％的Mn，余量为Fe及不可避免的杂质。
根据本发明的方法，所述组成的钢坯和余热钢轨可以通过本领域的常规方法获得，例如将含有上述化学成分的钢水经转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理后连铸为一定断面尺寸的连铸坯，将连铸坯送至步进式加热炉中加热保温，最后将钢坯轧制为所需断面的余热钢轨。
根据本发明的方法，所述保温条件以将钢坯加热至适于轧制的温度为准，例如将钢坯加热至1250～1300℃并保温3h以上。优选情况下，将钢坯加热至1250～1300℃并保温3～5h。
根据本发明的方法，采用孔型法或万能法将所述保温处理后的钢坯轧制得到余热钢轨。对所述轧制的条件没有特别的限定。优选情况下，将上述钢坯轧制成单重为60kg/m的断面钢轨。
根据本发明的方法，上述轧制后，对带有余热的钢轨的轨头部位开展加速冷却热处理。热处理开冷温度大于800℃，冷速3～5℃/s，当温度降至390℃～410℃时停止加速冷却，然后再空气中冷却至室温。
采用该热处理工艺的目的在于：钢轨具有在较低碳、硅、锰合金含量的基础上，通过加速冷却热处理可以在一定程度上细的珠光体片间距，使钢轨具有合适的强度与耐磨性能。如果冷速过快或者过慢，都会达不到提高钢轨综合耐磨性能的目的。
实施例
采用本发明一种综合磨损性能优良的高速铁路用钢轨及其制备方法轧制出两支钢轨进行相关成分性能检验，结果如下：
按本发明成分范围轧制的两支钢轨实施例的化学成分及目前高速铁路常用钢轨对比例的化学成分如表1。
表1本发明两支实施例及对比例化学成分
Figure BDA0002448033750000031
将含有上述成分的钢坯轧制为60kg/m钢轨，两支钢轨的热处理工艺，如表2。
表2热处理过程控制参数
Figure BDA0002448033750000041
经过上述工艺处理好的钢轨冷却至室温，在钢轨上轨头上取磨损试样，同时取ER8车轮材料磨损试样，在磨损试验机上开展试验，同时对比例也取相同的试样开展对比试验。测试标准为GB 12444.1-1990。
磨损试验试样尺寸如下：
接触带宽10mm，试样直径36mm。
磨损试验参数如下：
接触应力：630MPa，滑差：10％，循环周次：10万次
本发明两支钢轨实施例与对比例进行磨损试验时稳定摩擦系数对比如表3。
表3本发明2支钢轨实施例及对比例的稳定摩擦系数
编号 1# 2# 对比例
测量值 0.71 0.73 0.93
本发明两支钢轨实施例与对比例进行磨损试验后磨损量对比如表4。
表4本发明2支钢轨实施例及对比例的磨损量/g
编号 1# 2# 对比例
钢轨材料 0.87 0.91 0.79
ER8车轮材料 0.99 0.94 1.47
综合磨磨损量 1.86 1.85 2.26
选取本发明中所述的成分配比和生产工艺的两个实施例与对比例进行试验对比分析。通过对比发现，在相同的接触应力、滑差及循环周次的磨损试验条件下，本发明实施例的稳定摩擦系数在0.70～0.75之间，而对比例摩擦系数达到了0.93；本发明实施例的综合磨损量1.75～1.95g之间，而对比例的综合磨损量达到了2.26g。由此看出，本发明提供的高速铁路用钢轨具有更优良的综合磨损性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.高速铁路用钢轨，其特征在于：以所述高速铁路用钢轨的钢坯的总重量为基准，钢坯含有0.40～0.60重量％的C，0.15～0.35重量％的Si，0.75～0.95重量％的Mn，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.高速铁路用钢轨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将保温处理后的钢坯进行轧制得到余热钢轨，对余热钢轨的轨头部位开展加速冷却热处理，加速冷却热处理的开冷温度大于800℃，控制冷速为3～5℃/s进行冷却，当温度降至390℃～410℃时停止加速冷却，然后空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的高速铁路用钢轨的制备方法，其特征在于：所述保温为将钢坯加热至1250～1300℃并保温3h以上。
4.根据权利要求3所述的高速铁路用钢轨的制备方法，其特征在于：所述保温时间为3～5h。
5.根据权利要求2～4任一项所述的高速铁路用钢轨的制备方法，其特征在于：所述轧制为轧制成单重为60kg/m的断面钢轨。
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