CN112063826B - 一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路钢轨制造技术领域，公开了一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法。该方法包括：(1)将焊接形成的余温为900‑1100℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却，使焊接接头表面温度降至650‑720℃；(2)将钢轨焊接接头进行第二阶段冷却，使焊接接头表面温度降至480‑550℃；(3)将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使焊接接头表面温度降至10‑30℃。本发明利用焊接余热进行热处理，热处理过程中不需要再加热，简化了热处理工艺，降低了成本；能够将钢轨焊接接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤1％范围内，同时，钢轨接头疲劳寿命可达300万次，有助于保证铁路运行安全。

Description

一种1300MPa级低合金热处理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，具体涉及一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法。
背景技术
我国是一个以铁路运输为主的国家。国民经济的快速发展要求铁路通过进一步提高行车速度、增加机车轴重以及缩短行车间隔来提高运输密度，进而对钢轨提出了更高要求，而普通碳素钢轨已难以满足铁路提速、重载运输的需要。
强化钢轨通常可采用热处理和合金化两种途径。热处理是提高钢轨性能最经济而有效的途径。合金化的优点是生产工艺简单，一般在热轧状态下交货，节约热能。现有研究表明，单纯利用合金强化可以生产强度更高的钢轨，但塑韧性较低。采用低合金与热处理相结合的方法，能够生产出强度高、塑韧性好的高强韧性钢轨。基于在线热处理技术，配比低含量的合金元素，可生产出抗拉强度在1300MPa的低合金热处理钢轨，此种钢轨韧塑性良好，具有耐磨损、抗接触疲劳等优势，适用于大轴重重载铁路。
钢轨钢中合金元素的加入增大了过冷奥氏体稳定性，使CCT曲线右移，淬透性明显提高。因此，当钢轨生产工艺控制不严或冷却速度控制不当时，按通常冷却速度冷却甚至空冷时，对于成分偏析区域而言也超过了临界冷却速度而形成马氏体，这是合金钢轨生产中不容忽视的问题。受限于炼钢工艺及钢质均质度、洁净度不达标等因素，导致钢轨钢局部偏析在所难免，由于偏析的存在，各微观区域的化学成分不同，导致Ms点不同，造成马氏体转变出现不同时性，部分区域生成马氏体。同时，这些偏析又会导致钢轨局部在焊接热循环作用下因偏析而生成马氏体。即使当钢轨焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度高于钢轨钢Ms(马氏体转变开始温度)温度时，由于局部偏析的存在使CCT曲线右移，导致形成马氏体。对于存在成分偏析的钢轨，合理控制钢轨焊后热处理冷却过程中的冷却速度和终冷温度有助于减轻甚至避免偏析马氏体对钢轨接头服役性能的影响。
现阶段，钢轨移动闪光焊已成为国内外铁路施工现场的主流钢轨在线焊接技术，而对于强度等级与材质均不相同的两种钢轨，母材性能之间的差异给其焊接带来了巨大挑战。同时，钢轨受焊接热循环作用后，焊接区域的淬硬层消失并在焊缝两侧形成宽度较大的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。钢轨在线路服役过程中，易优先在焊接接头的轨头踏面形成“鞍型”磨耗，不仅增加了轮轨冲击，还严重影响到钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因而，如何恢复钢轨因焊接而降低的力学性能就成了钢轨得以应用的前提。
中国专利CN106544933A公开了一种过共析钢轨和PG4热处理共析珠光体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括将焊接得到的待冷却的钢轨焊接接头进行第一冷却至400℃以下，然后将第一冷却后的钢轨焊接接头加热至860～930℃，随后进行第二冷却至钢轨焊接接头的踏面温度为 410～450℃。采用该方法获得的异种钢轨焊接接头可满足国内现行铁道行业标准TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中对于疲劳、拉伸、冲击以及静弯试验的测试要求；但上述发明中涉及到了钢轨焊后正火热处理过程，需要采用钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头进行局部加热，不仅操作与实施过程复杂，而且成本偏高。需要指出的是该专利涉及到了钢轨的焊后正火热处理过程，由于加热过程中钢轨焊接区域被重新加热至奥氏体化温度以上，因此不需要考虑焊接过程对钢轨接头组织性能带来的影响。但需要采用钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头进行局部加热，操作与实施过程复杂、成本偏高。
中国专利CN103898310A公开了一种贝氏体钢轨焊后接头热处理的方法，该方法包括将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨焊接接头进行第一次冷却至不高于450℃的第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃。该方法主要是针对贝氏体钢轨焊接接头进行的焊后热处理工艺，其中，该贝氏体钢轨的冷却起始温度为1300-1380℃，第二冷却后的冷却终止温度为室温。然而，需要说明的是，上述专利涉及的贝氏体钢轨与本申请所涉及的亚共析钢轨具有不同的成分体系，具有截然不同的金相组织及力学性能特征。此外，上述专利还涉及到了钢轨的焊后正火热处理过程，需要采用钢轨焊后热处理设备对钢轨焊接接头实施局部加热及冷却，不仅操作与实施过程复杂，而且成本偏高。
因此，铁路工程领域亟需一种能够有效提高低合金热处理钢轨焊接接头纵断面硬度的焊后热处理方法，以提高轨焊接接头的服役性能，保证铁路运行安全。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的钢轨焊后接头热处理方法操作过程复杂，成本偏高，且热处理后焊接接头力学性能较差，钢轨接头的实物疲劳寿命不长的问题，提供一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法，该方法成本较低且热处理后焊接接头力学性能良好，适用于 1300MPa级低合金热处理钢轨的焊后热处理。
为了实现上述目的，本发明提供了一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法，该方法包括以下步骤：
(1)将焊接形成的余温为900-1100℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却，使焊接接头表面温度降至650-720℃，所述第一阶段冷却的方式为空气中自然冷却，冷却速度为4-6℃/s；
(2)将钢轨焊接接头进行第二阶段冷却，使焊接接头表面温度降至 480-550℃，所述第二阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为2-3.5℃/s；
(3)将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使焊接接头表面温度降至10-30℃，所述第三阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为0.2-0.8℃/s；
其中，所述钢轨焊接接头的钢轨母材的抗拉强度为1300MPa，所述钢轨母材的化学成分包括0.75-0.84重量份％的C、0.6-0.85重量份％的Si、0.8-1 重量份％的Mn、0.5-0.8重量份％的Cr、≤0.02重量份％的P、≤0.02重量份％的S、≤0.01重量份％的V、余量的Fe和不可避免的杂质。
优选地，在步骤(1)中，所述钢轨焊接接头通过钢轨移动闪光焊机焊接形成。
优选地，在步骤(1)中，将焊接得到的余温为1000-1080℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却。
优选地，在步骤(1)中，所述第一阶段冷却的冷却速度为5.5-6℃/s。
优选地，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm。
优选地，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.2-0.4MPa。
优选地，在步骤(2)中，所述第二阶段冷却的冷却速度为2.5-3℃/s。
优选地，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm。
优选地，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.04-0.15MPa。
更为优选地，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.08-0.12MPa。
优选地，在步骤(3)中，所述第三阶段冷却的冷却速度为0.55-0.6℃/s。
与现在技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明利用钢轨焊接接头的焊接余热进行热处理，热处理过程中不需要再加热，因此简化了热处理工艺，降低了成本。
(2)本发明可保证在距焊缝中心±20mm区域内的钢轨接头纵向平均硬度满足所对应钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)，且接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15mm，能够改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的钢轨接头“鞍型”磨耗。同时，能够将钢轨焊接接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤1％范围内，有助于控制因合金元素偏析而形成的马氏体。同时，钢轨接头疲劳寿命可达300万次，有助于保证铁路运行安全。
另外，本发明与中国专利CN110016544A中均涉及到了在钢轨闪光焊后进行三步冷却的冷却方式。但需要指出的是，本申请与中国专利 CN110016544A形成显著差异，具体对比情况见表A。
表A本申请与中国专利CN110016544A的对比情况
Figure GDA0003579831270000051
Figure GDA0003579831270000061
由表A的结果可以看出，本发明与中国专利CN110016544A均是针对焊接残留温度较高的钢轨接头以焊接余热作为热源对钢轨接头实施热处理的过程，但钢轨材质不同，冷却工艺不同，导致钢轨接头微组织变化及性能也不相同，即实施效果不同。因此，本发明与中国专利CN110016544A形成显著差异。
附图说明
图1为采用实施例1中的方法得到的焊后热处理条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图2为采用实施例2中的方法所得到的焊后热处理条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图3为采用对比例1中的方法所得到的焊后空冷条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图4为采用对比例2中的方法所得到的焊后热处理条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图5为采用对比例3中的方法所得到的焊后热处理条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图6为采用对比例4中的方法所得到的焊后热处理条件下的低合金热处理钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度效果图；
图7为本发明的钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度检测点位置示意图；
图8为本发明所述的钢轨焊接接头的轨头踏面金相试样取样位置示意图；
图9为本发明所用的钢轨轨头仿型冷却装置示意图；
图10为本发明所用的钢轨轨头仿型冷却装置底部示意图。
附图标记说明
1介质通道；2顶部喷嘴；3介质通道；4侧面喷嘴；a再结晶区； b轨头踏面；c焊缝；d金相试验检验面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
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。
前期研究中发明人发现本发明涉及的1300MPa级低合金热处理钢轨钢连续冷却转变过程中的马氏体转变的临界冷速为1.0-2.0℃/s，Ms温度(马氏体组织形成的开始温度)为170-220℃。通常为避免钢轨焊接接头出现马氏体、贝氏体等异常组织，当对钢轨焊接接头进行焊后热处理时，需将钢轨焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在钢轨Ms温度以上。其中，包括采用高于钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度将奥氏体化温度以上的钢轨接头实施快速冷却，终冷温度需控制在钢轨钢Ms温度以上，随后的冷却速度应低于钢轨钢马氏体转变临界冷速。否则，接头将会由于大量淬硬的马氏体导致过早疲劳断裂。在不考虑成分偏析的前提下，当采用低于钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度将奥氏体化温度以上的钢轨接头实施快速冷却至Ms以下温度时，钢轨接头中不会形成马氏体。因此，钢轨焊接标准如澳洲钢轨焊接标准AS1085.20-2012中规定：对于某些高强度等级、高含碳量及高合金含量的钢轨，在金相显微镜100X的观察倍率下，对于钢轨焊接接头中马氏体出现的最严重区域，马氏体组织的百分含量不得高于5％，否则接头将会由于大量淬硬的马氏体而导致过早疲劳断裂，严重影响铁路运行安全。因此，严格控制钢轨焊接组织中的马氏体含量对于铁路线路的稳定运行而言至关重要。基于上述发现，发明人完成了本发明。
需要说明的是，钢轨轨腰及轨底厚度较薄，冷却过程中温度下降的较快，当热处理冷速控制不当时易形成马氏体组织。同时，钢轨轨腰区域也通常为钢轨偏析最严重的区域，马氏体组织也最容易在钢轨轨腰形成。为避免因大量脆硬的马氏体组织导致钢轨焊接接头服役性能恶化，故钢轨焊后热处理仅针对钢轨接头轨头踏面及与其相邻的轨头侧面进行，而对钢轨接头轨腰和轨底实施自然冷却。
本发明提供的1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法，包括以下步骤：
(1)将焊接形成的余温为900-1100℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却，使焊接接头表面温度降至650-720℃，所述第一阶段冷却的方式为空气中自然冷却，冷却速度为4-6℃/s；
(2)将钢轨焊接接头进行第二阶段冷却，使焊接接头表面温度降至 480-550℃，所述第二阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为2-3.5℃/s；
(3)将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使焊接接头表面温度降至10-30℃，所述第三阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为0.2-0.8℃/s。
在本发明中，所述钢轨焊接接头的钢轨母材的抗拉强度为1300MPa，所述钢轨母材的化学成分包括0.75-0.84重量份％的C、0.6-0.85重量份％的Si、 0.8-1重量份％的Mn、0.5-0.8重量份％的Cr、≤0.02重量份％的P、≤0.02 重量份％的S、≤0.01重量份％的V、余量的Fe和不可避免的杂质。
在本发明所述的方法中，步骤(2)和步骤(3)中所述的钢轨轨头仿型冷却装置的结构如图9-10所示，包括介质通道1、顶部喷嘴2、介质通道3 和侧面喷嘴4，介质通道1与顶部喷嘴2连接，介质通道3与侧面喷嘴4连接。该装置仅对钢轨轨头踏面及轨头侧面实施冷却，其孔径的形状和尺寸可根据实际需求进行设计加工及修改，从而实现不同的冷却强度。流经介质通道1和介质通道3的介质压力可通过相关压力检测装置监控，且介质压力可根据实际需要进行调节。
本发明中，采用红外测温仪采集钢轨轨头踏面的温度信号，所述钢轨轨头踏面为车轮与钢轨的接触部分；钢轨接头纵向硬度曲线中的软化区宽度测量线所对应的硬度值为钢轨母材平均硬度Hp减去25HV后的硬度；硬度曲线中的软化区宽度为硬度曲线与软化区宽度测量线的截距。
本发明中，在未作相反说明的情况下，所述“钢轨焊接接头”为经焊接得到的包含焊缝和/或热影响区在内的长度为60-80mm范围的区域，该区域的中心为钢轨的焊缝。
本发明所述的方法对1300MPa级低合金热处理钢轨焊接接头进行热处理，该方法采用三阶段冷却过程对焊接接头进行处理，将每一阶段冷却过程中钢轨焊接接头的表面温度降至合适的温度，合理控制每一阶段冷却过程的冷却速度，并采用恰当的冷却装置以及恰当的冷却方式，从而有效提高低合金热处理钢轨焊接接头纵断面硬度，提高轨焊接接头的服役性能，保证铁路运行安全。
本发明针对焊接余温较高的钢轨接头实施焊后快速冷却，以降低接头轨头由奥氏体向珠光体转变的相变温度，提高奥氏体再结晶区的硬度。基于金属学原理，钢轨接头在焊后高温快速冷却条件下存在一定的动态过冷度，致使非平衡状态下奥氏体向珠光体转变的相变温度下移，且随着过冷度的增大，相变温度逐渐降低。需要指出的是，红外线测温仪的测温过程仅在钢轨轨头踏面表面进行，而钢轨芯部的温度通常较表面高出50-80℃。即使当钢轨表面温度低于相变温度时，由于芯部温度较高，相变过程也依然能够发生。因此，即使在开冷温度相对较低的第二阶段冷却，接头轨头仍能发生由奥氏体向珠光体的组织转变。本发明中，所述第一冷却为在空气中进行的自然冷却，可通过调节试验环境温度(如采用中央空调控温等)实现对第一阶段冷却速度的控制，并可通过调节焊机设置或人工操作来将钢轨焊接接头第一冷却的终冷温度控制在650-720℃。所述第二冷却的开冷温度为650-720℃。本发明中，所述第二冷却的终冷温度为在钢轨钢Ms温度以上的480-550℃。当对钢轨接头进行第三阶段冷却时，为避免钢轨接头出现大量淬硬的马氏体，本发明选择以低于钢轨钢马氏体转变临界冷速的冷却速度0.2-0.8℃/s对钢轨接头实施冷却。
金属学原理中，钢中马氏体组织为钢在奥氏体化温度以上，以高于马氏体转变临界冷速的冷却速度冷却至(马氏体组织形成的开始温度)Ms温度以下的产物。本发明中为避免钢轨接头中产生大量脆硬的马氏体，当对钢轨接头进行焊后热处理时，在第二冷却阶段将焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在钢轨钢Ms温度以上。当在第二冷却阶段采用高于钢轨钢马氏体形成临界冷速的冷却速度对接头实施热处理时，由于该阶段的终冷温度高于钢轨钢Ms温度且第三冷却阶段的冷却速度又在钢轨钢马氏体形成临界冷速以下。钢轨焊接过程中虽存在不可避免的元素偏析，但由于焊后热处理冷却过程中终冷温度较高，也仅会生成少量的马氏体，当马氏体百分含量低于 5％且弥散分布时(金相显微镜100X观察条件下)，不会对钢轨接头疲劳寿命造成明显影响。同时，焊后热处理第二冷却阶段的冷却速度相对较大，较大的过冷度有助于接头韧性的提升，因此本发明中钢轨接头疲劳寿命较高。
在优选实施方式中，在步骤(1)中，所述钢轨焊接接头通过钢轨移动闪光焊机焊接形成。
本发明利用焊接接头的焊接余热进行热处理。在具体实施方式中，在步骤(1)中，将焊接形成的余温为900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃或1100℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却。
在优选实施方式中，在步骤(1)中，将焊接得到的余温为1000-1080℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却。
在本发明所述的方法中，需要合理控制每一阶段冷却时的冷却温度和冷却速度，从而提高1300MPa级低合金热处理钢轨焊接接头纵断面硬度，能够将钢轨焊接接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤1％范围内，同时，使钢轨接头疲劳寿命达到300万次。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，第一阶段冷却后，可以使焊接接头表面温度降至650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
在优选实施方式中，在步骤(1)中，第一阶段冷却后，使焊接接头表面温度降至680-710℃。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述第一阶段冷却的冷却速度可以为4℃/s、4.2℃/s、4.4℃/s、4.6℃/s、4.8℃/s、5℃/s、5.2℃/s、5.4℃/s、5.6℃/s、 5.8℃/s或6℃/s。
在优选实施方式中，在步骤(1)中，所述第一阶段冷却的冷却速度为 5.5-6℃/s。
在本发明所述的方法中，在步骤(2)中，第二阶段冷却时，可以使焊接接头表面温度降至480℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、 550℃以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
在本发明所述的方法中，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm；具体地，例如可以为 18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值；优选情况下，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为25-30mm。
在本发明所述的方法中，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.2-0.4MPa；具体地，例如可以为0.2MPa、0.22MPa、0.24MPa、0.26MPa、0.28MPa、0.3MPa、 0.32MPa、0.34MPa、0.36MPa、0.38MPa、0.4MPa以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值；优选情况下，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.3MPa。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，冷却速度可以为2℃/s、2.3℃/s、 2.5℃/s、2.7℃/s、3℃/s、3.2℃/s或3.5℃/s。
在优选实施方式中，在步骤(2)中，所述第二阶段冷却的冷却速度为 2.5-3℃/s。
在具体实施方式中，在步骤(3)中，将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却时，可以使焊接接头表面温度降至10℃、14℃、18℃、22℃、24℃、26℃或30℃。
在优选实施方式中，在步骤(3)中，将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却时，使钢轨焊接接头的表面温度降至20-25℃。
在本发明所述的方法中，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm；具体地，例如可以为 18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm或30mm。
在本发明所述的方法中，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.04-0.15MPa；具体地，例如可以为0.04MPa、0.06MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.12MPa、0.14MPa 或0.15MPa；优选情况下，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.08-0.12MPa。
在具体实施方式中，在步骤(3)中，所述第三阶段冷却的冷却速度可以为2℃/s、2.3℃/s、2.5℃/s、2.8℃/s、3℃/s、3.2℃/s、3.5℃/s以及这些点值中任意两个所构成范围中的任意值。
在优选实施方式中，在步骤(3)中，所述第三阶段冷却的冷却速度为 0.55-0.6℃/s。
关于本发明，需要说明的是，热处理技术本身就是控制加热和冷却过程中各因素的过程，热处理技术中各步骤相互关联，相互影响。本申请可能与其它专利文件存在不可避免的工艺参数重合，但各专利之间的适用对象、热处理实施装备等均不相同，因此不可简单的进行数据套用及对比。世界各国研制的钢轨化学成分及热处理工艺等不可避免的存在交叉重叠，受冶炼能力、热处理设备、人员操作水平等因素的影响，各发明专利的适用对象不同 (包括钢轨力学性能、温度分布等)，采用的冷却装置及实施过程也不相同，产生本质区别，导致这些工艺之间不可简单套用。此外，本申请根据低合金热处理钢轨钢连续冷却特点，采用三步冷却的冷却方式(无需焊后正火热处理)，限制各冷却阶段的冷却速度和冷却温度，改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的钢轨接头“鞍型”磨耗，故本申请与其它专利申请相比具有显著的进步。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明实施例和对比例中，钢轨焊接接头的轨头踏面金相试样取样位置如图8所示。钢轨焊接接头的轨头踏面以下3-5mm位置的纵向硬度检测点位置如图7所示，图中a为再结晶区，b为轨头踏面，c为焊缝，d为金相试验检验面。
本发明中，用于焊接1300MPa级低合金热处理钢轨的规格为60-75kg/m，所述钢轨焊接接头为采用同一焊接工艺由钢轨移动闪光焊机焊接而成的焊接接头。
本发明采用脉动弯曲疲劳试验。载荷频率5Hz，载荷比0.2。根据 TB/T1632.1-2014确定最大载荷和最小载荷。采用MTS-FT310型疲劳试验机对钢轨焊接接头进行三点弯曲疲劳试验，以循环载荷加载300万次时焊接接头不发生疲劳断裂为试验目标。
实施例1
规格为68kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1080℃的钢轨接头以5.5℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至710℃，接着使钢轨接头以2.2℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至530℃，最后使钢轨接头以0.55℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到经焊后热处理的钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一阶段冷却为在空气中自然冷却；第二阶段冷却和第三阶段冷却过程中采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面30mm；第二阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.3MPa；第三阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.08MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表1，接头纵向硬度的分布效果如图1所示。
表1
Figure GDA0003579831270000151
Figure GDA0003579831270000161
由表1和图1可知，母材平均硬度为431HV。对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±20mm区域内的钢轨接头纵向平均硬度为402HV，满足钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝左侧的软化区宽度为9.0mm，接头焊缝右侧的软化区宽度为9.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。结果表明，在金相显微镜100X观察倍率下，对于接头热影响区中出现马氏体最严重的区域，统计表明仅生产了少量点状马氏体且马氏体的百分含量仅为0.5％。同时，钢轨接头的疲劳寿命可达300万次，有助于保证铁路运行安全。
实施例2
规格为60kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1000℃的钢轨接头以5.8℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至680℃，接着使钢轨接头以2.5℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至490℃，最后使钢轨接头以0.6℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到经焊后热处理的钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一冷却为在空气中自然冷却；第二阶段冷却和第三阶段冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以水雾混合气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面30mm；第二冷却过程中，冷却装置喷射的水雾混合气的气体压力为0.3MPa；第三冷却过程中，冷却装置喷射的水雾混合气的气体压力为0.1MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表2，接头纵向硬度的分布效果如图2所示。
表2
Figure GDA0003579831270000171
由表2和图2可知，母材平均硬度为431HV。对于经本发明处理的钢轨焊接接头，在距焊缝中心±20mm区域内的钢轨接头纵向平均硬度为405HV，满足钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头左侧的软化区宽度为8.0mm，右侧的软化区宽度为8.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。结果表明，在金相显微镜100X观察倍率下，对于接头热影响区中出现马氏体最严重的区域，仅生产了少量点状马氏体且马氏体的百分含量仅为0.7％。同时，钢轨接头的疲劳寿命可达300万次，有助于保证铁路运行安全。
对比例1
规格为68kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，将余温在1100℃的钢轨接头直接空冷至室温(约25℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的钢轨焊接接头。
取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表3，接头纵向硬度的分布效果如图3所示。
表3
Figure GDA0003579831270000181
Figure GDA0003579831270000191
由表3和图3可知，母材平均硬度为431HV。对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，与焊缝两侧的钢轨母材硬度相比，整个焊接区域呈现为软化状态。在距焊缝中心±20mm区域内的钢轨接头纵向平均硬度为375HV，不能满足所对应的钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)。接头焊缝左侧的软化区宽度为18.0mm，接头焊缝右侧的软化区宽度为18.0mm。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中，易优先在接头软化区形成钢轨轨头踏面低塌，造成“鞍型”磨耗，影响线路平顺性及行车安全。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。结果表明，接头金相组织正常，无马氏体、贝氏体等异常组织。该对比例下，钢轨接头疲劳寿命仅为150万次。
对比例2
规格为75kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1200℃的钢轨接头以6.0℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至720℃，接着使钢轨接头以3℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至180℃，最后使钢轨接头以0.2℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至30℃的室温，从而得到经焊后热处理的钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一阶段冷却为在空气中自然冷却；第二阶段冷却和第三阶段冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面30mm；第二阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.4MPa；第三阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.1MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。
取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。硬度检验数据见表4，接头纵向硬度的分布效果如图4所示。
表4
Figure GDA0003579831270000201
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的钢轨焊接接头，所得到的接头左侧的软化区宽度为9.0mm，右侧的软化区宽度为9.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。金相检验表明，接头焊缝左右两侧的热影响区中均出现了大量淬硬的马氏体组织。结果表明，在金相显微镜100X观察倍率下，对于马氏体组织出现的最严重的区域，其马氏体组织的百分含量达到了8％。该对比例下，钢轨接头疲劳寿命仅为180万次，不利于铁路运行安全。
对比例3
规格为75kg/m的钢轨完成移动闪光焊接过程中的顶锻和推瘤后，对焊接得到的接头进行焊后热处理。首先，将焊接得到的余温在1100℃的钢轨接头以7℃/s的第一冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至680℃，接着使钢轨接头以4℃/s的第二冷却速度进行第二阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至350℃，最后使钢轨接头以3℃/s的第三冷却速度进行第三阶段冷却以将钢轨接头的轨头表层温度降至25℃的室温，从而得到经焊后热处理的钢轨焊接接头。焊后热处理过程中，第一阶段冷却为在空气中进行的自然冷却；第二阶段冷却和第三阶段冷却过程中，采用钢轨轨头仿型冷却装置以压缩空气作为冷却介质对钢轨接头的轨头踏面及轨头侧面进行冷却，冷却装置距离钢轨轨头踏面30mm；第二阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.6MPa；第三阶段冷却过程中，冷却装置喷射的压缩空气的气体压力为0.5MPa。采用红外测温仪监控钢轨轨头踏面温度。
取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照 GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用 HV标尺。硬度检验数据见表5，接头纵向硬度的分布效果如图5所示。
表5
Figure GDA0003579831270000221
由表5和图5可知，母材平均硬度为431HV。对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头焊缝左侧的软化区宽度为10.0mm，接头焊缝左侧的软化区宽度为10.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。金相检验表明，接头焊缝左右两侧的热影响区中均出现了大量淬硬的马氏体组织。结果表明，在金相显微镜100X观察倍率下，对于马氏体组织出现的最严重的区域，其马氏体组织的百分含量达到了10％。该对比例下，钢轨接头疲劳寿命仅为80万次，不利于铁路运行安全。
对比例4
按照实施例1的方法实施，不同的是，第二阶段冷却将钢轨接头的轨头表层温度降至200℃。
取本对比例得到的焊后空冷条件下的钢轨接头加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下4mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照 GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用 HV标尺。硬度检验数据见表6，接头纵向硬度的分布效果如图6所示。
表6
Figure GDA0003579831270000231
由表6和图6可知，母材平均硬度为431HV。对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的钢轨焊接接头，所得到的接头焊缝左侧的软化区宽度为8.0mm，接头焊缝左侧的软化区宽度为8.0mm，接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。
参照图8所示的取样方法，按照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。金相检验表明，接头焊缝左右两侧的热影响区中均出现了大量淬硬的马氏体组织。结果表明，在金相显微镜100X观察倍率下，对于马氏体组织出现的最严重的区域，其马氏体组织的百分含量达到了12％。该对比例下，钢轨接头疲劳寿命仅为70万次，不利于铁路运行安全。
通过对比图1至图6、以及表1-6中的焊接接头轨头踏面纵向硬度及接头软化区宽度可以看出：采用本发明提供的焊后热处理方法针对亚共析钢轨接头实施焊后热处理，可使在距焊缝中心±20mm区域内的钢轨接头纵向平均硬度满足对应钢轨母材平均硬度的±30HV范围(不包括脱碳的焊缝中心线：受钢轨焊接高温影响，焊缝中心脱碳并产生元素烧损，导致硬度偏低)，并且接头焊缝两侧的软化区宽度均不大于15.0mm。同时，能够将钢轨焊接接头金相组织中可能出现的马氏体组织百分含量控制在≤1％范围内。同时，钢轨接头疲劳寿命可达300万次，有助于保证铁路运行安全。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。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，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种1300MPa级低合金热处理钢轨焊后热处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将焊接形成的余温为900-1100℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却，使焊接接头表面温度降至650-720℃，所述第一阶段冷却的方式为空气中自然冷却，冷却速度为5.5-6℃/s；
(2)将钢轨焊接接头进行第二阶段冷却，使焊接接头表面温度降至480-550℃，所述第二阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为2-3.5℃/s，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.2-0.3MPa；
(3)将钢轨焊接接头进行第三阶段冷却，使焊接接头表面温度降至10-30℃，所述第三阶段冷却采用钢轨轨头仿型冷却装置进行冷却，冷却介质为压缩空气或水雾混合气，冷却速度为0.55-0.6℃/s；
其中，所述钢轨焊接接头的钢轨母材的抗拉强度为1300MPa，所述钢轨母材的化学成分包括0.75-0.84重量份％的C、0.6-0.85重量份％的Si、0.8-1重量份％的Mn、0.5-0.8重量份％的Cr、≤0.02重量份％的P、≤0.02重量份％的S、≤0.01重量份％的V、余量的Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述钢轨焊接接头通过钢轨移动闪光焊机焊接形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，将焊接得到的余温为1000-1080℃的钢轨焊接接头进行第一阶段冷却。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中进行第二阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述第二阶段冷却的冷却速度为2.5-3℃/s。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置与钢轨轨头踏面的距离为18-30mm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.04-0.15MPa。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中进行第三阶段冷却时，钢轨轨头仿型冷却装置喷射出的压缩空气或水雾混合气的压力为0.08-0.12MPa。
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