CN112342467A

CN112342467A - 高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法

Info

Publication number: CN112342467A
Application number: CN202011164336.3A
Authority: CN
Inventors: 袁俊; 邹明; 邓勇; 陈崇木
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-09

Abstract

本发明属于道岔钢轨的生产技术领域，具体涉及高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法。本发明所要解决的技术问题是提供高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法。该钢轨的化学成分为：C0.70～0.82％，Si0.1～0.6％，Mn0.6～1.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr≤0.20％，Nb0.007～0.013％，N0.002～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。方法是将入炉铁水依次进行转炉冶炼→小平台→LF精炼→RH真空处理→浇铸得钢坯→缓冷坑缓冷→奥氏体均匀化→轧制得钢轨→热处理；所述转炉冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb。本发明钢轨韧性更高，深硬化层更深。

Description

高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法

技术领域

本发明属于道岔钢轨的生产技术领域，具体涉及高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法。

背景技术

道岔作为铁路轨道连接和列车导向的关键部件和核心枢纽，在以高速和重载为主要特征的新的铁路运输环境下，必须进行全面更新和升级换代，开发出用于制造道岔的关键基础材料的道岔钢轨成为其中的首要任务之一。

对于高速铁路用道岔来说，其质量优劣直接影响列车运行速度和安全性。针对道岔轨在制作道岔存在“尖轨和心轨转换不足、位移大、转换阻力大”等突出问题，满足我国高速铁路发展对高速道岔钢轨的迫切需求，亟需全力开展道岔钢轨的研制工作。

对于重载铁路用道岔来说，由于重载铁路大轴重、高密度和大运量的运输工况构成了道岔极其严酷的运行条件，其磨耗和伤损速度和程度远高于普通线路同型号道岔，导致道岔的频繁更换。道岔的频繁更换不仅显著增加铁路部门的养护量及维护成本，同时还为行车安全带来隐患。道岔的服役性能除制造工艺外，主要取决于道岔钢轨的性能。目前，国内外重载道岔主要采用热轧空冷态供货，由道岔厂完成切铣加工及热处理。

采用二次加热离线热处理工艺，轨头部位硬化层深度较浅且随着深度增加，硬度加速递减，在服役时易产生过快磨耗及接触疲劳伤损；同时，道岔轨热处理过程中将发生弯曲，全长平直度难以保证；而且还显著增加了能源消耗，降低了道岔制造效率并带来环境污染。因此，研制强韧性更高、服役寿命更长、节能环保的高性能道岔轨迫在眉睫。

道岔钢轨，特别是尖轨，通常在转换轨端部加工为极薄的尖轨。为保证道岔钢轨的安全性和耐用性，道岔钢轨通常需要较高的韧性，以抵抗列车的冲击载荷。

同时，道岔钢轨还需要有较高的深硬化层硬度，满足耐磨和耐接触疲劳伤损。

因此，现有轧制的普通碳素道岔钢轨难以满足国内外重载线路的发展需求，亟需一种高韧性深硬化层道岔钢轨的生产方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高韧性深硬化层道岔钢轨及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是提供了高韧性深硬化层道岔钢轨。该钢轨的化学成分按重量百分比计为：C0.70～0.82％，Si0.1～0.6％，Mn0.6～1.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr≤0.20％，Nb0.007～0.013％，N0.002～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明还提供了上述高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，该方法包括如下步骤：入炉铁水依次进行转炉冶炼→小平台→LF精炼→RH真空处理→浇铸得钢坯→缓冷坑缓冷→奥氏体均匀化→轧制得钢轨→热处理；所述转炉冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb。

进一步地，所述奥氏体均匀化的温度为1000℃～1300℃，时间为200～500min。

进一步地，所述入炉铁水中S的质量含量为0.008～0.015％。

进一步地，所述轧制经13道次，第1～7道次的压缩比为1:6；第8～10道次的压缩比为1:3；第11～13道次的压缩比为1:4。

进一步地，所述第11～13道次轧制前将钢轨冷却至900～950℃；轧制过程的终轧温度≤800℃。

进一步地，所述热处理是将轧制后的钢轨利用余热进入热处理机组进行冷却，进入热处理机组的温度为700～800℃。

进一步地，轧制后的钢轨在1～3℃/s进行冷却，待钢轨的轨头和轨底中心部位冷却至在650～900℃时，施加冷却介质，使轨头踏面、轨头与轨底中心冷速为1.0～5.0℃/s。

进一步地，所述冷却介质为压缩空气或水和空气的混合物；当冷却介质为水和空气的混合物时，空气和水的压缩比≤1:3。

进一步地，所述热处理过程中，钢轨冷却的终冷温度为400～600℃。

本发明的有益效果是：

本发明在转炉冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb，在Nb元素的作用下，结合本发明的轧制、冷却工艺，使制备得到的道岔钢轨韧性更高，深硬化层更深，

轨头冲击韧性≥25J，表面硬度与表层下30mm硬度差值≤5HRC，低温断裂韧性＞37MPa·m^0.5。采用本发明方法制得的钢轨的抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。

具体实施方式

具体的，本发明提供了高韧性深硬化层道岔钢轨，该钢轨化学成分按重量百分比计为：C0.70～0.82％，Si0.1～0.6％，Mn0.6～1.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr≤0.20％，Nb0.007～0.013％，N0.002～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明高韧性深硬化层道岔钢轨韧性更高，深硬化层更深，钢轨的轨头冲击韧性≥25J，表面硬度与表层下30mm硬度差值≤5HRC，低温断裂韧性＞37MPa·m^0.5。

具体的，本发明还提供了上述高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法。该方法包括如下步骤：入炉铁水依次进行转炉冶炼→小平台→LF精炼→RH真空处理→浇铸得钢坯→缓冷坑缓冷→奥氏体均匀化→轧制得钢轨→热处理；所述转炉冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb。

针对国内外道岔钢轨线路服役的特点，本发明以高碳碳素钢轨为基础，降低钢中氮含量至0.002～0.003％，同时添加0.007～0.013％的Nb元素，形成Nb(N，C)化合物，利用析出强化提高钢轨硬度。同时，结合本发明的轧制过程，第1～7道次的压缩比为1:6；第8～10道次的压缩比为1:3；第11～13道次的压缩比为1:4。其中，第1～7道次为主要的高温变形过程；第8～10道次为中高温成型阶段；第11～13道次，通过喷水主要是降低轧件温度，促进Nb(N，C)化合物析出，防止奥氏体晶粒再次长大，细化晶粒，并辅以轧制余热加速冷却过程，充分提高道岔钢轨的综合性能，使制得的道岔钢轨满足国内外道岔钢轨的使用要求。

具体的，本发明在冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb元素；冶炼过程采用0.008％～0.015％的S入炉铁水，铁水氮含量控制在0.002～0.003％，全程保护浇注；经连铸浇注后的铸坯冷却后的钢坯再次加热奥氏体均匀后，利用七机架万能线轧机对含Nb道岔钢坯进行轧制；轧制共进行13道次轧制，前7道次压缩比为1：6，中间3道次道次压缩比1：3，最后3道次轧制前喷水冷却至900～950℃，压缩比1：4。轧制后带有余热的钢轨的轨头和轨底中心部位在900℃～650℃范围内施加一定的冷却介质；其中，轨头踏面、轨头与轨底中心冷速为1.0-5.0℃/s，当轨头踏面温度降至400～550℃时停止加速冷却并空冷至室温。采用该方法制造的道岔钢轨，轨头冲击韧性≥25J，表面硬度与表层下30mm硬度差值≤5HRC，低温断裂韧性＞37MPa·m^0.5。该道岔钢轨相对传统轧制的普通碳素热处理道岔钢轨而言，韧性更高，深硬化层更深，尤其是在Nb合金元素作用下，采用轧制，奥氏体晶粒尺寸更小，钢轨韧性更高，抗接触疲劳性能更优，同时兼顾良好的耐磨性能。

Nb的加入可使奥氏体晶粒尺寸细化，尽管在钢坯加热温度下溶解的Nb量低，但对奥氏体调节和随后的珠光体转变产生强烈影响。因而从方坯加热炉出钢进入轧机时的奥氏体晶粒尺寸细小。

Nb在钢中主要与位错相互作用阻止奥氏体晶粒迁移，因而推迟了再结晶。同时，在轧制过程中，Nb的化合物钉扎在奥氏体晶粒，使亚晶界难以移动，从而细化奥氏体晶粒，提高韧塑性和疲劳强度。

采用本发明的轧制方法，结合Nb合金元素的作用，对细化奥氏体晶粒形成叠加，提高了钢轨的韧塑性和疲劳强度，略有提高钢轨强度。因此，Nb的添加主要作用于高温态的奥氏体晶粒，即钢轨轧制过程；大压缩比轧制进一步细化奥氏体晶粒。

本专利采用的冶炼工艺，主要降低钢轨夹杂物级别，提高钢质纯净度，保证钢轨韧塑性和低温断裂韧性。利用轧制余热对道岔钢轨进行加速冷却，主要是综合提高钢轨的强韧性。

因此，采用本发明方法在提高道岔钢轨深硬化层硬度的同时，韧塑性也大幅提高。最终，所生产的钢轨提高了耐磨性能，也提高了抗接触疲劳性能。

下面将通过具体的实施例对本发明作进一步地详细阐述。

表1实施例及对比例钢轨的化学成分/％

分别在钢轨轨头的两侧根据标准要求检验实施例和对比例钢轨的断面硬度，在轨头上取冲击试样，测试结果见表2。

表2本发明实施例及对比例拉伸性能及显微组织

项目	表面5mm硬度	表面30mm硬度	冲击韧性/J
				实施例1	37.0	35.0	30
对比例1	37.0	25	20
				对比例2	27.0	27	15
对比例3	32.0	26.0	18

分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取磨损试样，测试结果见表3。

表3本发明实施例及对比例钢轨轨头磨损结果

分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取接触疲劳试样，测试结果见表4。

表4本发明实施例及对比例钢轨接触疲劳结果

项目	接触应力/MPa	滑差/％	转速/rpm	接触疲劳/万次
					实施例1	1350	5	1000	40
对比例1	1350	5	1000	36
					对比例2	1350	5	1000	35
对比例3	1350	5	1000	32

分别在实施例和对比例的钢轨轨头处取断裂韧性试样，测试结果见表5。

表5本发明实施例及对比例钢轨低温断裂韧性结果

由实施例和对比例可知，采用本发明方法制备得到的道岔钢轨通过添加Nb能提高钢轨冲击韧性。采用本发明的轧制工艺，能最大程度的提高Nb元素的作用，提高钢轨的韧塑性。本发明通过Nb微合金化+轧制+轧后热处理工艺，对钢轨强度和韧性均有显著提高，对钢轨的耐磨损性能和抗接触疲劳性能均有明显改善。

Claims

1.高韧性深硬化层道岔钢轨，其特征在于：化学成分按重量百分比计为：C0.70～0.82％，Si0.1～0.6％，Mn0.6～1.3％，P≤0.020％，S≤0.020％，Cr≤0.20％，Nb0.007～0.013％，N0.002～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.权利要求1所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：入炉铁水依次进行转炉冶炼→小平台→LF精炼→RH真空处理→浇铸得钢坯→缓冷坑缓冷→奥氏体均匀化→轧制得钢轨→热处理；所述转炉冶炼过程中添加0.007～0.013％的Nb。

3.根据权利要求2所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述奥氏体均匀化的温度为1000℃～1300℃，时间为200～500min。

4.根据权利要求2或3所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述入炉铁水中S的质量含量为0.008～0.015％。

5.根据权利要求2～4任一项所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述轧制经13道次，第1～7道次的压缩比为1:6；第8～10道次的压缩比为1:3；第11～13道次的压缩比为1:4。

6.根据权利要求5所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述第11～13道次轧制前将钢轨冷却至900～950℃；轧制过程的终轧温度≤800℃。

7.根据权利要求2～6任一项所述的高韧性深硬化层道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述热处理是将轧制后的钢轨利用余热进入热处理机组进行冷却，进入热处理机组的温度为700～800℃。

8.根据权利要求2～7任一项所述的高韧高纯净度道岔钢轨的制备方法，其特征在于：轧制后的钢轨在1～3℃/s进行冷却，待钢轨的轨头和轨底中心部位冷却至在650～900℃时，施加冷却介质，使轨头踏面、轨头与轨底中心冷速为1.0～5.0℃/s。

9.根据权利要求2～8任一项所述的高韧高纯净度道岔钢轨的制备方法，其特征在于：所述热处理过程中，钢轨冷却的终冷温度为400～600℃。