CN112322973A - 潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法 - Google Patents

潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铁路用钢轨生产技术领域，具体涉及一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法。针对现有铁路用钢轨的耐腐蚀性能无法满足长期在潮湿环境中的运行要求，需要提高钢轨的耐腐蚀性能的问题，本发明提供了一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.82％，Si：0.1～0.6％，Mn：0.5～1.1％，P≤0.030％，S≤0.025％，Cr：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了上述钢轨的制备方法，通过采用喷丸等操作，制备了一种耐腐蚀性钢轨，钢轨表面形成了一层0.5～1.5μm的蓝色氧化膜，能够有效的提高钢轨抗腐蚀能力，适宜用在潮湿环境下提高钢轨的耐腐蚀性。

Description

潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法
技术领域
本发明属于铁路用钢轨生产技术领域，具体涉及一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法。
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，由于铁路地下水和地表水丰富：有孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水、断层带水等，包括高温热水以及低温融雪。川藏铁路全线水资源丰富，具有空气潮湿、夏季高温和长隧道多的特点，在此条件下钢轨表层的腐蚀速率将会显著增加，因此川藏铁路要求钢轨具有更高的耐腐蚀性能。目前市面上的钢轨在耐腐蚀性能上还难以达到要求，急需开发新的耐腐蚀性能更好的钢轨。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有铁路用钢轨的耐腐蚀性能无法满足长期在潮湿环境中的运行要求，需要提高钢轨的耐腐蚀性能的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨。所述钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.82％，Si：0.1～0.6％，Mn：0.5～1.1％，P≤0.030％，S≤0.025％，Cr：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨中，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.76％，Si：0.5～0.6％，Mn：0.9～1.1％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cr：0.1～0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，包括以下步骤：
a、利用轧制余热进行在线热处理后，钢轨冷却至30～60℃时，经平立复合矫直工艺对上下和左右进行矫直，矫直变形量采用～2至+22mm范围内反复矫直；
b、对钢轨全断面进行喷丸处理，钢丸直径采用0.2～0.6mm，喷丸角度为60～80°，喷丸速度为70～90m/s；
c、采用高频感应加热对钢轨表面快速加热至450～550℃，保温3～5s，快速冷却，钢轨表面经发蓝处理形成致密的氧化皮物质，得到耐腐蚀性好的钢轨。
其中，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法中，步骤c钢轨经高频感应加热时，钢轨表面施加3～5kPa的强制冷却风压，停留3～5s。
其中，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法中，步骤c钢轨经高频感应加热后，钢轨表面施加20～30kPa的强制冷却风压。
其中，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法中，步骤c所述的快速加热的具体操作为：在30s内将钢轨温度由10～40℃加热到450～550℃。
其中，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法中，步骤c所述的快速冷却速度为45～55℃/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨及其生产方法，通过对钢轨成分进行设计，生产时采用喷丸操作等，制备了一种耐腐蚀性钢轨，钢轨表面形成了一层0.5～1.5μm的蓝色氧化膜，能够有效的提高钢轨抗腐蚀能力。本发明生产的钢轨，对于高温潮湿隧道环境，具有良好的耐腐蚀性能，钢轨使用2年后，钢轨轨底腐蚀坑≤0.5mm。在采用盐雾加速试验时，一般铁路钢轨的耐盐雾性(35℃±2℃)5h后出现的缺陷数量评级为3～4级，本发明的钢轨的耐盐雾性(35℃±2℃)、50h后出现的缺陷数量评级为1～2级，耐腐蚀性能提高90％，显著的优于现有钢轨，适宜用在潮湿环境下提高钢轨的耐腐蚀性。
具体实施方式
本发明提供了一种潮湿环境耐腐蚀性钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.82％，Si：0.1～0.6％，Mn：0.5～1.1％，P≤0.030％，S≤0.025％，Cr：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨中，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.76％，Si：0.5～0.6％，Mn：0.9～1.1％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cr：0.1～0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的钢轨成分中，0.70～0.82％高碳配合一定量的合金后，钢轨组织全为珠光体组织，组织更为均匀，在大气或是特殊环境下，更易均匀腐蚀，不易出现腐蚀坑，应力更集中。
同时，为了使钢轨的耐腐蚀性更好，添加硅和锰来调节基体性能和组织，保证钢轨应有的强度和耐磨性能，满足铁路用钢轨基本需求。为了保证钢轨的强度和韧性指标，添加磷和硫为钢轨冶炼中不可避免的元素。为了提高钢轨的耐蚀性和淬透性，添加一定量的铬。
本发明还提供了上述潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，包括以下步骤：
a、利用轧制余热进行在线热处理后，钢轨冷却至30～60℃时，经平立复合矫直工艺对上下和左右进行矫直，矫直变形量采用-2至+22mm范围内反复矫直；
b、对钢轨全断面进行喷丸处理，钢丸直径采用0.2～0.6mm，喷丸角度为60～80°，喷丸速度为70～90m/s；
c、采用高频感应加热对钢轨表面快速加热至450～550℃，保温3～5s，快速冷却，钢轨表面经发蓝处理形成致密的氧化皮物质，得到耐腐蚀性好的钢轨。
本发明主要是设计一种针对类似川藏线铁路等环境恶劣的地区使用的钢轨，在相关成分设计后，通过采用特殊的工艺，在钢轨表面形成致密的氧化物来达到防腐蚀的效果。
工艺上，首先采用钢轨室温往复大压下量矫直工艺，室温能够保证钢轨氧化皮的正常松动和矫直不反弹工艺要求。往复大压下量矫直工艺，既保证钢轨高平直度和高表面质量要求，同时去除钢轨表面的松垮的氧化皮物质。
进一步的，本发明还首次在钢轨制备中进行了喷丸操作，并通过大量试验确定了喷丸的相关参数。喷丸去除矫直未除尽的氧化皮物质，同时采用高速喷丸工艺，强化钢轨表面硬化层，达到后期致密氧化层的要求。喷丸直径采用0.2～0.6mm，既保证钢丸处理时的完整率，同时对钢轨复杂断面不同位置具有良好的喷丸效果。喷丸角度采用60～80°进行处理，主要考虑到去除钢轨表层氧化物，同时保证钢轨表层的硬化处理要求。喷丸角度太小，无法有效硬化钢轨表层。喷丸角度太大，无法有效去除表层氧化层物质。
钢轨表面经喷丸处理后，经高频感应生成致密的氧化层物质。高频感应加热因工作频率高，表层升温速率快，加热厚度较薄，可以有效满足表层发蓝处理要求，同时有效满足基体心部不因温度升高而产生过大的加热变形及残余应力，保证钢轨经表层加热后仍具有较高的平直度和低残余应力要求。表层加热温度定为450～550℃，既可以保证致密氧化物的生成，同时保证钢轨基体不会因相变产生马氏体或是贝氏体等硬质组织。表面感应加热时，施加3～5kPa的强制冷却风压，既可以提供充足的氧气，保证致密氧化物的生成，同时抑制因高频感应加热产生的尖端效应。加热时间停留3～5s，则是保证有效表层厚度和表层处理均匀化要求，时间过短表层存在未处理区域，时间过长基体会因温度升高变形。加热后，采用大风压快速冷却，保证钢轨表层不会因温度的缓慢降低而产生松垮的氧化皮物质，同时大风压可有效去除松动的氧化物。
通过上面的方法调整，本发明能够在得到的钢轨表面形成一层蓝色氧化膜，该氧化膜厚度为0.5～1.5μm，外层膜为四氧化三铁，内层为氧化亚铁。将其用于高温潮湿隧道环境中时，具有良好的耐腐蚀性能。在目前的钢轨制备技术中，还没有通过形成致密氧化物质的方式来提高钢轨抗腐蚀能力的报道，本发明首次在钢轨表面生成了致密的四氧化三铁，相比氧化铁和三氧化二铁而言，致密度更高，能更有效的阻止基体的腐蚀氧化。因此，采用本发明方法可以有效提高钢轨表面的防腐效果，满足川藏铁路高温潮湿隧道环境下的防腐效果。
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实施例钢轨化学成分/％
编号 C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cr％
实施例1 0.71 0.30 0.70 0.015 0.009 0.1
实施例2 0.74 0.40 0.80 0.014 0.008 0.1
实施例3 0.78 0.50 0.85 0.012 0.009 0.2
实施例4 0.82 0.6 0.95 0.014 0.010 0.3
对比例1 0.65 0.65 0.45 0.012 0.009 0.05
对比例2 0.85 0.65 1.12 0.012 0.009 0.35
对比例3 0.96 0.66 1.13 0.012 0.009 0.40
实施例加热采用步进式加热炉加热，均热段加热温度为1220～1300℃，总加热时间100～400min；轧制采用七机架轧制，开轧温度为1000～1150℃；
本发明中的对比例采用与实施例相同的加热、轧制及在线热处理工艺。
实施例的矫直：经平立复合矫直工艺对上下和左右进行矫直，矫直变形量采用-2至+22mm范围内反复矫直。通过反复矫直和喷砂，除去表面原有的氧化皮；通过高频感应加热方式，将钢轨表面快速加热到450～550℃，然后通过喷风快速冷区，在表层生成致密的四氧化三铁。实施例与对比例钢轨表面处理的具体方式如表2所示。
表2实施例及对比例钢轨表面处理
Figure BDA0002731094490000041
按照TB/T 2344～2012要求，分别对6支钢轨试样进行轨头金相组织检验，检验结果如表3所示。
表3实施例及对比例钢轨脱碳层深度
编号 表层组织 表层氧化铁厚度
实施例1 四氧化三铁 0.1
实施例2 四氧化三铁 0.5
实施例3 四氧化三铁 0.2
实施例4 四氧化三铁 0.3
对比例1 四氧化三铁和三氧化二铁 0.5
对比例2 四氧化三铁和三氧化二铁 0.4
对比例3 四氧化三铁和三氧化二铁 0.3
分别按照GB/T 19746和TB/T 2375标准在实施例和对比例钢轨中进行周期浸润加速腐蚀试验，腐蚀剂为2％的NaCl溶液，腐蚀时间200h，试验结果见表4所示。
表4本发明实施例及对比例钢轨轨头磨损
编号 试验时间/h 腐蚀率(g/m<sup>2</sup>·h)
实施例1 200 2.0
实施例2 200 1.0
实施例3 200 2.3
实施例4 200 2.3
对比例1 200 4.0
对比例2 200 4.5
对比例3 200 5.0
本发明同时选取了相同化学成分的钢轨进行对比，在实施例中，所采用的3种处理方式均为本发明中的方法。表1至表4的对比结果表明，通过对矫直后的钢轨进行喷砂除鳞，感应快速加热，钢轨表面生成0.1～0.5mm厚的致密四氧化三铁物质，钢轨耐蚀性能提高。

Claims (7)

1.潮湿环境耐腐蚀性钢轨，其特征在于，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.82％，Si：0.1～0.6％，Mn：0.5～1.1％，P≤0.030％，S≤0.025％，Cr：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨，其特征在于，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.70～0.76％，Si：0.5～0.6％，Mn：0.9～1.1％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cr：0.1～0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、利用轧制余热进行在线热处理后，钢轨冷却至30～60℃时，经平立复合矫直工艺对上下和左右进行矫直，矫直变形量采用-2至+22mm范围内反复矫直；
b、对钢轨全断面进行喷丸处理，钢丸直径采用0.2～0.6mm，喷丸角度为60～80°，喷丸速度为70～90m/s；
c、采用高频感应加热对钢轨表面快速加热至450～550℃，保温3～5s，快速冷却，钢轨表面经发蓝处理形成致密的氧化皮物质，得到耐腐蚀性好的钢轨。
4.根据权利要求3所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，其特征在于：步骤c钢轨经高频感应加热时，钢轨表面施加3～5kPa的强制冷却风压，停留3～5s。
5.根据权利要求3所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，其特征在于：步骤c钢轨经高频感应加热后，钢轨表面施加20～30kPa的强制冷却风压。
6.根据权利要求3所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，其特征在于：步骤c所述的快速加热的具体操作为：在30s内将钢轨温度由10～40℃加热到450～550℃。
7.根据权利要求3所述的潮湿环境耐腐蚀性钢轨的生产方法，其特征在于：步骤c所述的快速冷却速度为45～55℃/s。
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