CN112501417A - 一种重载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，公开了一种重载铁路用钢轨及其制备方法。该方法包括以下步骤：(1)将保温处理后的钢坯进行热轧得到余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为650‑800℃，加速冷却的冷却速度为1.5‑2.5℃/s，当温度下降至380‑420℃时停止加速冷却；(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨冷却至室温。该方法通过加速冷却处理可以在一定程度上细化珠光体片间距，提高钢轨下颚部位的强度及韧性。

Description

一种重载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，具体涉及一种重载铁路用钢轨及其制备方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，铁路运输日益繁忙，货运重载铁路是我国经济发展的大动脉。我国铁路货运具有大轴重、运量大、地理环境复杂等特点，例如大秦铁路列车轴重达到25t，单列列车最大运量达2万吨，单日运量达137万吨，年运量接近5亿吨。随着列车轴重和行车密度的增加，重载铁路钢轨的服役条件愈加恶劣。
重载线路上常发生因轨底锈蚀、冷伤等引起的钢轨断裂。这类断裂通常裂纹由钢轨轨底萌生，在车轮碾压钢轨弯动应力的作用下，向上发展贯穿至轨头，钢轨彻底断裂；此时钢轨断为两段，电信号中断，铁路工务系统能及时发现断轨，进行处置，安全隐患较小。然而部分钢轨断裂形式特殊，裂纹由钢轨轨底萌生，在车轮碾压钢轨弯动应力的作用下，向上发展至轨头下颚位置时，裂纹不再向轨头发展，转而沿钢轨纵向发展，最终导致钢轨断裂。此时钢轨断裂后仍有接触，电信号未中断，铁路工务系统不能发现断轨，容易造成轨头脱轨，引发列车出轨事故，安全隐患极大。
轨头下颚纵向断裂韧性是抵抗裂纹沿钢轨纵向发展的重要指标，而现有重载铁路用钢轨轨头下颚纵向断裂韧性较低，只有约35MPa×m0.5，因此需要对钢轨性能进行优化，提高轨头下颚纵向断裂韧性，降低裂纹沿钢轨纵向发展的机率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的重载铁路用钢轨轨头下颚纵向断裂韧性较低的问题，提供一种重载铁路用钢轨及其制备方法，该方法通过加速冷却处理可以在一定程度上细化珠光体片间距，提高钢轨下颚部位的强度及韧性。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种重载铁路用钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将保温处理后的钢坯进行热轧得到余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为650-800℃，加速冷却的冷却速度为1.5-2.5℃/s，当温度下降至380-420℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨冷却至室温；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.75-0.95重量％的C，0.45-0.6重量％的Si，0.8-1.1重量％的Mn，0.05-0.2重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，在步骤(1)中，所述钢坯的制备方法包括将含有相应化学成分的钢水进行转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸。
优选地，在步骤(1)中，所述保温操作在步进式加热炉中进行。
优选地，在步骤(1)中，所述保温的温度为1250-1300℃。
优选地，在步骤(1)中，所述保温的时间≥2h。
进一步优选地，在步骤(1)中，所述保温的时间为2-4h。
优选地，在步骤(1)中，所述热轧的方法为孔型法或万能法。
优选地，在步骤(1)中，所述余热钢轨的单重为75kg/m。
优选地，在步骤(2)中，将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温。
本发明第二方面提供由上述方法制备得到的重载铁路用钢轨。
本发明所述的重载铁路用钢轨的制备方法，通过加速冷却处理可以在一定程度上细化珠光体片间距，提高钢轨下颚部位的强度及韧性。制备得到的钢轨轨头下颚纵向断裂韧性优良。
附图说明
图1是测试例1中实施例和对比例轨头下颚断裂韧性试样取样位置及尺寸示意图。
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。
本发明一方面提供一种重载铁路用钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将保温处理后的钢坯进行热轧得到余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为650-800℃，加速冷却的冷却速度为1.5-2.5℃/s，当温度下降至380-420℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨冷却至室温；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.75-0.95重量％的C，0.45-0.6重量％的Si，0.8-1.1重量％的Mn，0.05-0.2重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
碳(C)是重载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。为了提升重载铁路用钢轨的下颚纵向断裂韧性，本发明将碳的含量限制为0.75-0.95重量％。当碳的含量低于0.75重量％时，强化作用不够，导致钢轨强度硬度过低，耐磨性能不佳，无法满足重载铁路服役需求；当碳的含量高于0.95重量％时，在本发明所述方法下，钢轨强度过高，韧性降低，达不到提高钢轨轨头下颚断裂韧性的目的。
硅(Si)在重载铁路用钢轨钢中通常固溶在铁素体中，可以提高材料强度、耐磨性能并能更好的保证性能的稳定性。为了提升重载铁路用钢轨的下颚纵向断裂韧性，本发明将硅的含量限制为0.45-0.6重量％。当硅含量低于0.45重量％时，固溶强化效果不明显，钢轨强度、耐磨性无法满足重载铁路服役需求，并且性能稳定性较差；含量高于0.6重量％时，在本发明所述方法下，钢轨强度过高，韧性不足，达不到提高钢轨轨头下颚断裂韧性的目的。
锰(Mn)在重载铁路用钢轨钢中起到提高淬透性作用。为了提升重载铁路用钢轨的下颚纵向断裂韧性，本发明将锰的含量限制为0.8-1.1重量％。当锰的含量低于0.8重量％时，钢轨淬透性不足，热处理后无法有效提高轨头下颚钢轨韧性，达不到提高钢轨轨头下颚断裂韧性的目的；钢轨轨头下颚尺寸较小、热容量小，当锰的含量高于1.1重量％时，钢轨淬透性过强，会导致轨头下颚出现马氏体异常组织，达不到重载钢轨使用要求。
V(钒)在重载铁路用钢轨钢中起到细化晶粒、提高强韧性作用。为了提升重载铁路用钢轨的下颚纵向断裂韧性，本发明将钒的含量限制为0.05-0.2重量％。当钒的含量低于0.05重量％时，强韧性提高不足，钢轨的强度、韧性无法满足重载铁路服役需求；含量高于0.2重量％时，钢轨强度过高，韧性反而降低，达不到提高钢轨轨头下颚断裂韧性的目的。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，所述余热钢轨为热轧后带有余热的钢轨。利用热轧的余热来进行热处理，减少了将其重新加热的操作，节约了能源。
在本发明中，在步骤(1)中，所述钢坯可以通过本领域的常规制备方法获得。优选地，将含有相应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钢坯，将连铸钢坯送至步进式加热炉中进行加热保温，最后将钢坯热轧成所需断面的余热钢轨。
在本发明中，在步骤(1)中，所述热轧的方法为孔型法或万能法，对于所述热轧的条件没有特殊的要求，可以为本领域的常规选择。在优选情况下，所述余热钢轨的单重为75kg/m。
在本发明中，在步骤(1)中，所述保温的温度以钢坯适于热轧的温度进行设置。优选地，所述保温的温度为1250-1300℃。在具体实施方式中，所述保温的温度可以为1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃。
在本发明中，在步骤(1)中，所述保温的时间≥2h。优选地，所述保温的时间为2-4h。具体地，所述保温的时间可以为2h、2.25h、2.5h、2.75h、3h、3.25h、3.5h、3.75h或4h。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，所述加速冷却的开冷温度为650-800℃。在具体实施方式中，所述加速冷却的开冷温度可以为650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，所述加速冷却的冷却速度为1.5-2.5℃/s。冷却速度过慢韧性提升不足，达不到提高钢轨轨头下颚断裂韧性的目的；冷却速度过快，轨头下颚容易出现异常马氏体组织，达不到重载钢轨使用要求。具体地，所述加速冷却的冷却速度可以为1.5℃/s、1.6℃/s、1.7℃/s、1.8℃/s、1.9℃/s、2℃/s、2.1℃/s、2.2℃/s、2.3℃/s、2.4℃/s或2.5℃/s。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，当温度下降至380-420℃时停止加速冷却。具体地，所述停止加速冷却的温度可以为380℃、385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃或420℃。
在本发明中，在步骤(2)中，所述冷却至室温的方式可以为本领域的常规选择。在优选情况下，将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温。
本发明第二方面提供由上述方法制备得到的重载铁路用钢轨。
本发明所述的重载铁路用钢轨的制备方法，在钢轨含有碳、硅、锰等合金的基础上，通过加速冷却处理可以在一定程度上细化珠光体片间距，提高钢轨下颚部位的强度及韧性。制备得到的钢轨轨头下颚纵向断裂韧性优良，能降低裂纹沿钢轨纵向发展的机率，适用于大轴重、大运量的重载铁路。
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局限于此。
实施例1-5和对比例1-2所述的钢坯按照本领域的常规方法进行制备，具体步骤包括将含有相应化学成分的钢水依次进行转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸后得到钢坯。
实施例1
(1)将钢坯送入步进式加热炉中进行加热保温，保温的温度为1250℃，保温的时间为4h，然后采用万能法将保温处理后的钢坯进行热轧得到单重为75kg/m的余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为677℃，加速冷却的冷却速度为1.97℃/s，当温度下降至404℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温，得到钢轨A1；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.85重量％的C，0.57重量％的Si，0.97重量％的Mn，0.13重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
(1)将钢坯送入步进式加热炉中进行加热保温，保温的温度为1300℃，保温的时间为2h，然后采用万能法将保温处理后的钢坯进行热轧得到单重为75kg/m的余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为703℃，加速冷却的冷却速度为2.21℃/s，当温度下降至398℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温，得到钢轨A2；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.85重量％的C，0.59重量％的Si，0.96重量％的Mn，0.15重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例3
(1)将钢坯送入步进式加热炉中进行加热保温，保温的温度为1275℃，保温的时间为3h，然后采用万能法将保温处理后的钢坯进行热轧得到单重为75kg/m的余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为650℃，加速冷却的冷却速度为1.5℃/s，当温度下降至380℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温，得到钢轨A3；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.75重量％的C，0.6重量％的Si，0.8重量％的Mn，0.2重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
(1)将钢坯送入步进式加热炉中进行加热保温，保温的温度为1250℃，保温的时间为4h，然后采用万能法将保温处理后的钢坯进行热轧得到单重为75kg/m的余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为800℃，加速冷却的冷却速度为2.5℃/s，当温度下降至420℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温，得到钢轨A4；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.95重量％的C，0.45重量％的Si，1.1重量％的Mn，0.05重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
按照实施例1的方法进行实施，与之不同的是，在步骤(1)中，保温的时间为5h，得到钢轨A5。
对比例1
使用现有技术制备重载铁路用钢轨，即将钢坯送入步进式加热炉中进行加热保温，保温的温度为1250℃，保温的时间为2h，然后采用万能法将保温处理后的钢坯进行热轧得到单重为75kg/m的余热钢轨，不对余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却处理，直接在空气中冷却至室温，得到钢轨D1；
其中，所述钢坯的钢种为U78CrV，所述钢坯含有0.79重量％的C，0.72重量％的Si，0.77重量％的Mn，0.07重量％的V，0.33重量％的Cr，余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例2
按照实施例1的方法进行实施，与之不同的是，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.78重量％的C，0.72重量％的Si，0.8重量％的Mn，0.08重量％的V，0.32重量％的Cr，余量为Fe和不可避免的杂质，得到钢轨D2。
测试例1
测试实施例1-5和对比例1-2制备得到的钢轨的轨头下颚纵向断裂韧性。分别在钢轨A1-A5，D1-D2的轨头下颚取断裂韧性试样，取样位置及尺寸如图1所示，试样大小为沿钢轨纵向方向试样高22mm，沿钢轨横向方向试样宽16mm，沿钢轨高度方向试样长95mm。在试样长度方向的中间位置预制疲劳裂纹，疲劳裂纹深11mm，在万能疲劳试验机上进行试验。按照《GB/T4161-2007金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法》测试轨头下颚纵向断裂韧性。结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002780770530000091
通过表1的结果可以看出，采用本发明所述的方法制备得到的重载铁路用钢轨具有优良的轨头下颚纵向断裂韧性，抵抗裂纹沿钢轨纵向扩展的能力较强，适用于大轴重、大运量的重载铁路。
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 (10)

1.一种重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将保温处理后的钢坯进行热轧得到余热钢轨，对所述余热钢轨的轨头下颚部位进行加速冷却，加速冷却的开冷温度为650-800℃，加速冷却的冷却速度为1.5-2.5℃/s，当温度下降至380-420℃时停止加速冷却；
(2)将步骤(1)停止加速冷却的钢轨冷却至室温；
其中，在步骤(1)中，所述钢坯含有0.75-0.95重量％的C，0.45-0.6重量％的Si，0.8-1.1重量％的Mn，0.05-0.2重量％的V，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述钢坯的制备方法包括将含有相应化学成分的钢水进行转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸。
3.根据权利要求1所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保温操作在步进式加热炉中进行。
4.根据权利要求1或3所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保温的温度为1250-1300℃。
5.根据权利要求4所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保温的时间≥2h。
6.根据权利要求5所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保温的时间为2-4h。
7.根据权利要求1所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述热轧的方法为孔型法或万能法。
8.根据权利要求1所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述余热钢轨的单重为75kg/m。
9.根据权利要求1所述的重载铁路用钢轨的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，将步骤(1)停止加速冷却的钢轨在空气中冷却至室温。
10.由权利要求1-9所述的任意一项方法制备得到的重载铁路用钢轨。
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