CN112239831A - 高韧高寒铁路钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐疲劳钢轨技术领域，具体涉及一种高韧高寒铁路钢轨及其生产方法。针对类似高原等恶劣的地理环境钢轨的需求，本发明提供了一种韧性更高、同时抗接触疲劳伤损能力更强的高韧高寒铁路钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.40～0.65％，Si：0.10～0.60，Mn：0.5～1.10％，Cr：0.1～0.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，V：0.004～0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明还提供了一种上述钢轨的生产方法，LF加热过程中使用发泡剂，全程保护浇注，本发明的钢轨滚动接触疲劳性能和耐磨损性能良好，提高了高寒高海拔区域低温环境下，钢轨需要承受的冲击载荷和抵抗低温冲击裂纹扩展的能力，特别适宜铺设在川藏线冻融循环线。

Description

高韧高寒铁路钢轨及其生产方法
技术领域
本发明属于耐疲劳钢轨技术领域，具体涉及一种高韧高寒铁路钢轨及其生产方法。
背景技术
目前，铁路用钢轨主要是碳含量为0.7～1.1％高碳钢轨，其主要要求的性能有强度≥880MPa的高强钢轨以及耐磨性能优良等。但现有的铁路用钢轨主要针对的是平原地区，针对高原地区，如川藏铁路线，由于因其长上坡和长下坡的地形条件、全年温差和昼夜温度大等特殊的自然条件，对钢轨耐疲劳性能提出更高要求。长上坡大牵引力状态下的高耐疲劳性能和长下坡大制动条件的高耐疲劳性能，最大坡度达到3％。列车在长期的牵引力和制动力条件下，钢轨表层会形成局部升温，钢轨表层金相组织能否具备足够的稳定性和具有足够的耐疲劳性能，以及在此条件下曲线钢轨能否具有足够的耐疲劳性能。川藏线全年60℃温差、昼夜35℃温差的气候条件，使钢轨需在拉、压循环应力条件下具有更高的耐疲劳性能。部分单线双向行车条件也对钢轨提出了更高的耐疲劳性能要求。目前，针对川藏线等地理环境恶劣、复杂的线路对钢轨提出的更高的性能要求，还没有一种钢轨能够完全满足。本发明拟提供一种针对高原恶劣环境的冻融循环线路耐疲劳性能钢轨及其生产方法，以弥补市场空缺。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对类似高原等恶劣的地理环境钢轨的需求，提供一种韧性更高、同时抗接触疲劳伤损能力更强的高韧高寒铁路钢轨。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种高韧高寒铁路钢轨，所述钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.40～0.65％，Si：0.10～0.60，Mn：0.5～1.10％，Cr：0.1～0.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，V：0.004～0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨中，所述钢轨中P≤0.010％，S≤0.010％，[H]≤0.8ppm，[O]≤15ppm，[N]≤40ppm。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨中，所述钢轨中H/S<400。
H代表钢中的氢含量，本发明限定了H(ppm)/S(wt％)<400，保证钢中不会出现过多的氢含量，避免氢致裂纹降低钢轨韧性，发生脆断风险。即使钢中氢含量偏高，只要钢中的硫含量也高，硫会形成硫化物起到氢陷阱的作用，降低氢致裂纹敏感性。
本发明还提供了一种上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法，包括以下步骤：铁水预处理～转炉冶炼～LF+RH精炼～连铸～钢坯加热～钢轨轧制～热处理～矫直～探伤～加工。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的转炉冶炼采用低S铁水入炉，S含量为0.006～0.012％，全程保护下浇注。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的LF+RH精炼阶段LF加热过程中使用发泡剂，全程保护下浇注。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的钢坯加热的均热温度为1000～1230℃，均热保温时间为120～240min。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的钢坯加热后，待奥氏体均匀后，利用18MPa～23MPa的高压水枪进行全断面高效除磷。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的钢轨轧制中开轧温度为1000～1150℃，终轧温度≤950℃。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法中，所述的热处理过程为：当钢轨表面温度降至700～800℃时，对钢轨踏面中心、轨头两侧和轨底施加1～5℃/s的加速冷却，冷却时间80～130s，当钢轨表面温度降至400～600℃时，停止加速冷却，空冷至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种高韧高寒铁路钢轨，通过控制磷、硫、氢、氧、氮等有害物质含量，提高钢质纯净度，降低夹杂物，利用轧制余热进行加速冷却细化组织，加热、轧制和矫直工艺，提高钢轨耐低温韧性指标。碳含量达到中碳钢成分，在保证耐磨性的同时，具备良好的韧塑性指标。本发明合金成分设计合理，Si+Mn+Cr≤1.8％，利用轧制余热进行加速冷却，充分细化组织，在提高强度的同时，韧性也随之提高。其中，抗拉强度≥980MPa，延伸率≥15％。常温冲击韧性≥30J，-20℃低温断裂韧性≥42MPa·m1/2，轨底残余应力≤150MPa。采用本发明方法生产的钢轨，强度适中，延伸率和韧性为珠光体类钢轨中最高的，屈服强度和屈强比高，使用过程中滚动接触疲劳性能和耐磨损性能良好，提高了高寒高海拔区域低温环境下，钢轨需要承受的冲击载荷和抵抗低温冲击裂纹扩展的能力，特别适宜铺设在川藏线冻融循环线。
具体实施方式
本发明提供了一种高韧高寒铁路钢轨，所述钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.40～0.65％，Si：0.10～0.60，Mn：0.5～1.10％，Cr：0.1～0.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，V：0.004～0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。
其中，上述高韧高寒铁路钢轨中，所述钢轨中P≤0.010％，S≤0.010％，[H]≤0.8ppm，[O]≤15ppm，[N]≤40ppm。
进一步的，上述高韧高寒铁路钢轨中，所述钢轨中H/S<400。本发明限定了H(ppm)/S(wt％)<400，保证钢中不会出现过多的氢含量，避免氢致裂纹降低钢轨韧性，发生脆断风险。即使钢中氢含量偏高，只要钢中的硫含量也高，硫会形成硫化物起到氢陷阱的作用，降低氢致裂纹敏感性。
本发明还提供了一种上述高韧高寒铁路钢轨的生产方法，包括以下步骤：铁水预处理～转炉冶炼～LF+RH精炼～连铸～钢坯加热～钢轨轧制～热处理～矫直～探伤～加工。
由于硫含量偏高，会破坏钢轨基体组织的连续性，降低钢轨的韧性指标，本发明转炉冶炼采用低S铁水入炉，S含量为0.006～0.012％。为了防止过多的氧气和氮气进入钢液中，形成大颗粒的夹杂物，降低钢轨的韧性指标，本发明还全程都在保护下浇注。
其中，为了防止精炼过程中与空气接触，吸入过多的N，LF加热过程中使用发泡剂，全程保护浇注。浇注后的铸坯钢坯，进行表面清理后进行加热处理。
其中，所述的钢坯加热的均热温度为1000～1230℃，均热保温时间为120～240min。本发明特别的采用了较低的钢坯加热温度，当温度处于为1000～1230℃时，奥氏体晶粒相对细小，对应抵抗裂纹扩展能力越大，韧性越好。
本发明在钢坯加热后，待奥氏体均匀后，利用18MPa～23MPa的高压水枪进行全断面高效除磷。本发明的除磷步骤增加了高压水枪的强度，普通的压力为16MPa～18MPa，本发明采用更大的压力，既可以高效除磷，同时适当减低钢坯开轧温度，提高过冷度，细化晶粒。
其中，所述的钢轨轧制中开轧温度为1000～1150℃，终轧温度≤950℃。
本发明的钢轨经轧制后，当钢轨表面温度降至700～800℃时，对钢轨踏面中心、轨头两侧和轨底施加1～5℃/s的加速冷却，冷却时间80～130s，当钢轨表面温度降至400～600℃时，停止加速冷却，空冷至室温。
本发明采用低温轧制，细化晶粒，提高韧性，同时采用适宜的热处理方式，能够保证全部组织为珠光体组织，略低于临界冷速，片层间距细化最显著，强度和韧性最优。本发明方法生产出来的钢轨抗拉强度≥980MPa，延伸率≥15％。常温冲击韧性≥30J，-20℃低温断裂韧性≥42MPa·m1/2，轨底残余应力≤150MPa，性能优异，适宜用在高韧高寒的条件下做铁路钢轨。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但并不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例与对比例
本发明实施例、对比例选用如下表1所示的钢轨化学成分。
表1实施例和对比例钢轨化学成分/％
Figure BDA0002731557690000031
Figure BDA0002731557690000041
对上述实施例和对比例分别施加不同加热工艺，具体的加热工艺处理如表2所示。
表2实施例和对比例加热工艺
Figure BDA0002731557690000042
在钢轨轨头圆角处，各加工相同尺寸拉伸试样进行检测。检测参照GB/T 228.1圆形金属拉伸试样测试方法进行。在轨头两拉伸试样之间，加工常温冲击试样，拉伸和冲击检验结果如表3所示。
表3实施例和对比例拉伸和常温冲击试验结果
Figure BDA0002731557690000043
按照TB/T 2344～2012要求，在一米长钢轨轨底采用贴片法测残余应力。同时在钢轨中取断裂韧性试样。检验结果如表4所示。
表4实施例和对比例kic和轨底残余应力试验结果
Figure BDA0002731557690000051
在实验室中，加工接触疲劳试样，对磨试验钢采用与列车车轮硬度相当的U75V热轧钢轨。滚动接触疲劳试样在轨头位置加工。在TIME M8123滚动接触疲劳磨损试验机上，对磨样采用U75V热轧钢轨试样，接触应力为1350MPa，转速为1000rpm，滑差为5％，采用干磨方式。检验结果如表5所示。
表5本发明实施例及对比例钢轨接触疲劳
Figure BDA0002731557690000052
由实施例和对比例可看出，采用本发明的方法，钢轨的拉伸、冲击、-20℃断裂韧性等指标，明显高于对比例，处于目前现有珠光体钢轨的最高性能。

Claims (10)

1.高韧高寒铁路钢轨，其特征在于，所述钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.40～0.65％，Si：0.10～0.60，Mn：0.5～1.10％，Cr：0.1～0.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，V：0.004～0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高韧高寒铁路钢轨，其特征在于：所述钢轨中P≤0.010％，S≤0.010％，[H]≤0.8ppm，[O]≤15ppm，[N]≤40ppm。
3.根据权利要求1所述的高韧高寒铁路钢轨，其特征在于：所述钢轨中H/S<400。
4.权利要求1～3任一项所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：铁水预处理～转炉冶炼～LF+RH精炼～连铸～钢坯加热～钢轨轧制～热处理～矫直～探伤～加工。
5.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：所述的转炉冶炼采用低S铁水入炉，S含量为0.006～0.012％，全程保护下浇注。
6.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：所述的LF+RH精炼阶段LF加热过程中使用发泡剂，全程保护下浇注。
7.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：所述的钢坯加热的均热温度为1000～1230℃，均热保温时间为120～240min。
8.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：所述的钢坯加热后，待奥氏体均匀后，利用18MPa～23MPa的高压水枪进行全断面高效除磷。
9.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：所述的钢轨轧制中开轧温度为1000～1150℃，终轧温度≤950℃。
10.根据权利要求4所述的高韧高寒铁路钢轨的生产方法，其特征在于：当钢轨表面温度降至700～800℃时，对钢轨踏面中心、轨头两侧和轨底施加1～5℃/s的加速冷却，冷却时间80～130s，当钢轨表面温度降至400～600℃时，停止加速冷却，空冷至室温。
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