CN112689541A - 制造具有改善的耐磨性和接触强度的铁路轨道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用轧制加热的余热对铁路轨道进行轧制的方法。该方法包括在二辊可逆式机座和连续可逆组的万能机座中分别加热轧制坯料，进行多道次粗轧和中间道次轧制，然后沿轨头和轨座进行差示冷却使温度从720℃‑870℃降至450℃‑600℃。粗轧在950℃至1100℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.12至1.30，中间轧制在850℃至1000℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.07至1.18，然后在分开的万能不可逆机座中进行精轧，精轧的温度范围为820℃至880℃，延伸率范围为1.07至1.10。轨道具有平衡综合的强度和塑性性质以及硬度和韧性。

Description

制造具有改善的耐磨性和接触强度的铁路轨道的方法

技术领域

本发明涉及涉及钢铁工业领域，尤其涉及利用轧制加热的余热对铁路轨道进行轧制和热处理的方法，可用于制造具有改善的耐磨性和接触强度的铁路轨道。

背景技术

已知一种对由含0.90-1.20％碳的高碳钢制成的轨道进行热处理的方法，该方法可在轧制结束后≤60s内，将轨座的边缘部分从≥650℃以5-20℃/s的速度加速冷却，然后以1-10℃/s的速度对轨头、轨腰和轨座的中央部分进行冷却(JP 4267334C21D9/04)。

所述热处理方法的主要缺点如下：1)没有调节轧制加热和精轧的温度，不能提供奥氏体晶粒的有效磨削和高的冲击韧性、相对延伸率和收缩率；2)以相同的速度冷却轨头和轨座，因此，矫直之前的轨道会产生较大的曲率，因此需要使用对残余应力大小有不利影响的方式对轨道进行冷矫直。

已知一种制造具有珠光体组织的轨道的方法，该珠光体组织由钢制成，所述钢包含0.65-1.20％的碳、0.05-2.00％的硅和0.05-2.00％的锰，其余为铁和附带的杂质，用于在不超过900℃的温度下进行轨道的精轧，并以2-30℃/s的速度冷却至不超过550℃(EP2045341(A1)C21D8/00，C21D 9/04)。

该方法的主要缺点如下：1)在钢轨的化学成分中没有铬、镍和钒，而铬、镍和钒对钢轨的显微组织和机械性能产生积极影响；2)没有调节轧制加热的温度，这实际上增加了原始奥氏体晶粒的尺寸，降低故障机座中轧制模的效率，无法提供必要的冲击硬度、延展性和强度；3)轨座和轨头没有进行差示冷却，这导致在热处理之后其曲率增加，残余应力高。

还已知对碳或低合金钢制成的轨道进行热处理的方法，用于加速冷却轨道，从奥氏体区域温度750-650℃(JP 4267267，С21D9/04)，以5-15℃/s的速度加速冷却至650-500℃(RU NO.2113511，C21D 9/04)，以10-30℃/s的速度加速冷却至750-600℃(RU号97121881，C21D 9/04，C22C 38/04)，以5-15℃/s的速度快速冷却至650-500℃(RU96123715，C21D9/04)，在≥20mm的深度下，以1-10℃/s和2-20℃/s的速度从Ar1温度加速冷却轨头的表面层(JP 3731934，С21D9/04)。

这些对轨道进行热处理的方法的主要缺点如下：1)在粗轧和精轧机座中进行轧制的过程中没有调节轧制加热和精轧的温度以及延伸率，这导致不能有效地磨削奥氏体晶粒，不能提供较高的机械性能；2)没有调节轨座的冷却，这实际上会对轨座的曲率产生不利影响。

还已知一种制造轨道的方法，该方法分两个步骤完成轨道的精轧。第一步，轧制钢坯，每道次至少减少15％的面积；在精轧的后半段中，在800-950℃的温度范围内，一道次或多道次轧制完成轧制，每道次轧制面积减少不超过10％。精轧结束后，立即以至少6℃/s的速度冷却0.1-30秒，将轨道的表面温度迅速降低至500-600℃，然后以至少3℃/s的速度进行加速冷却(JP 3625224(B2)8332501(A))。

该方法的主要缺点是，没有粗轧和精轧的调节温度模式，粗轧道次中没有调节轧制的延伸率，这实际上并不能有效地对结构进行磨削，轨头没有高强度、塑性、硬度和冲击强度，无法在运行过程中提供高耐磨性和接触强度的轨道。

最接近的技术方案是一种制造轨道的方法，该方法是在具有万能串联机座组的轧机上进行轧制，在加热温度为1100℃至1200℃的范围内轧制坯料，在850-950℃的温度范围内进行精轧，以1.5-6.0℃/s的速度沿轨头和轨座，用空气或掺有水的空气，分别进行加速差示冷却，从720-850℃冷却至温度不超过620℃，其中，在每种特定情况下，轨头的冷却速度与轨座的冷却速度不同。钢含有如下重量分数的成分：0.72-0.78wt％的碳，必要时还包含：0.15-0.60wt％的铬、0.10-0.60wt％的镍、0.05-0.15wt％的钒、0.007-0.020wt％的氮(RU 2601847C1)。

这种制造轨道的方法的主要缺点是，没有调节温度模式，没有调节粗轧和精轧的延伸率，因此，不可能获得强度和塑性，硬度和冲击强度平衡的复合物，不能在操作过程中提供耐磨性和接触强度高的轨道。

本发明的目的是提供一种利用预轧制加热的余热来进行差示热强化的铁路轨道，具有机械性能平衡的复合物，尤其是：极限抗拉强度不小于1300N/mm²，屈服强度不小于870N/mm²，伸长率不小于8.0％，面积收缩率不小于20％，轨头踏面硬度不小于400HB，在测试温度+20℃下的冲击强度不小于15J/cm²。

发明内容

本发明的目的是通过如下方法来实现的，即，制造具有改善的耐磨性和接触强度的铁路轨道的方法，该方法包括在二辊可逆式机座和具有连续可逆组的万能机座中分别加热轧制坯料，进行多道次粗轧和精轧，然后沿轨头和轨座进行差示冷却使温度从720℃-870℃降至450℃-600℃，根据本发明，粗轧在950℃至1100℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.12至1.30，精轧在850℃至1000℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.07至1.18，然后在分开的万能机座中进行精轧，精轧的温度范围为820℃至880℃，延伸率范围为1.07至1.10。其中，所述坯料由钢制成，所述钢包含如下重量分数的成分：0.85wt％至1.2wt％的碳、0.2wt％至1.25wt％的锰、0.2wt％至0.9wt％的硅、0.001wt％至0.06wt％的铌，以及必要时还包含一种或多种如下重量分数的元素：0.1wt％至0.8wt％的铬、0.05wt％至0.6wt％的镍、0.01wt％至0.15wt％的钒、0.005wt％至0.015wt％的氮。

本发明的另一个目的是用于制造铁路轨道的钢，包含如下重量分数的成分：0.85wt％至1.2wt％的碳、0.2wt％至1.25wt％的锰、0.2wt％至0.9wt％的硅，根据本发明，成分还补充有0.001wt％至0.06wt％的铌。

根据一个可行的实施方案，钢组合物还补充有一种或多种如下重量分数的元素：0.1wt％至0.8wt％的铬、0.05wt％至0.6wt％的镍、0.01wt％至0.15wt％的钒、0.005wt％至0.015wt％的氮。

具体实施方式

轧制后立即使用预轧制加热的余热对轨道进行热处理。以每秒1.5-6℃/s的速度冷却轨道，以得到性能平衡的复合物，其中，轨头、轨腰和轨座以不同的速度冷却，以确保轨道元件必要的平直度。热处理的初始温度为720-870℃，最终温度为450-600℃。

根据对过共析钢制成的轨道的硬度、机械性能、冲击强度和微观结构的要求，通过实验选择了特定的技术参数范围。

所要求的加热轧制温度的选择取决于以下事实：当轧制CCB的加热温度超过1200℃时，不能有效抑制故障机座第一道次轧制过程中的重结晶过程；当温度低于1150℃时，大大降低了钢的延展性，导致轧辊上的负荷增加，磨损增加，形成凹痕，增加表面缺陷形成的风险。

在串联组的最后道次中，所要求的轧制温度范围选择为820-880℃取决于以下事实：温度高于880℃时，奥氏体晶粒无法得到有效的磨削，而温度低于820℃时，金属的延展性明显降低，轧辊上的负荷增加，由于接触到用于冷却轧辊的水，轨道表面层中存在着淬火应力的风险。

选择所要求的延伸率取决于以下考虑：在选定的轧制温度模式下，粗轧二辊可逆式机座轧辊中坯料的多道次轧制中，每道次的伸长率大于1.3，观察到轧钢与道壁的强烈相互作用，这与金属颗粒从轧辊上的粘附和分离有关，再加上周期性的机械应力和热应力，会导致道次磨损增加。这导致轨道表面的质量降低和轧辊消耗的增加。

当在粗轧二辊可逆式机座的轧辊中轧制坯料的伸长率小于1.12时，必须增加所需的道次，这显然降低了轧机的生产率。

在850-1000℃的温度范围内，在连续可逆组的机座中完成多道次精轧制的过程，每道次的延伸率在1.07-1.18范围内，从而可以获得组织最细和机械性能高的钢轨，实验证明，在此延伸率范围内，金属变形过程中新晶粒中心的形成数量的增加具有相关性。

在高于1000℃的温度下进行的精轧，不会抑制再结晶过程，不能提供有效的晶粒磨削，而在低于850℃的温度下，则观察到钢的延展性降低，轧辊上的负荷增加，存在表面缺陷的风险增加。

在850-1000℃的温度范围内延伸率小于1.07不能有效地磨削轨头的结构，考虑到在该温度范围内，万能四辊道次的延伸率大于1.18，会导致轨头的机械性能的各向异性，这会恶化轨道的质量。

为了确保导轨道轮廓在其整个长度上的平直度和所需的几何尺寸在给定的公差范围内，在分开的万能不可逆机座中，在820-880℃的温度范围内进行精轧，其伸长率范围为1.07-1.10。

在精轧温度不低于820℃且不高于880℃时，元件的伸长率大于1.1，会导致接触载荷增加，轧辊磨损增加，以及获得精确轮廓几何形状的恶化。元件的伸长率小于1.07导致型材腹板上的压花标记高度不符合GOST规定的要求。

要求保护的钢的化学成分是根据以下前提选择的：

根据本发明主题的技术，事实上，在轨道的轧制和热处理过程中，金属中的碳含量在0.85-1.20％之间，得到了机械性能和硬度平衡的复合物。随着碳含量降低到小于0.85％，碳化物的量减少，轨道的强度和硬度劣化，而没有达到所要求的大于400HB的硬度极限。随着碳含量增加到1.20％以上，以晶界网格形式出现的无结构渗碳体数量增加，轨道的冲击强度和延展性降低。

将硅含量提高至0.9％，可以提高轨道的屈服强度和强度，这是由于珠光体组分中的固溶铁素体硬化所致，如果硅含量降低至小于0.20％，则其影响不明显。随着硅含量增加到0.90％以上，延展性和冲击强度降低的可能性增加。

锰提高了钢轨的淬透性，当锰的浓度达到1.25％时，就达到了所需的硬度和强度。如果锰含量低于0.20％，则其影响不明显，而如果锰含量高于1.25％，则马氏体形成的可能性更大。

由于合金渗碳体的形成，铬增加了钢轨的淬透性，并增加了珠光体的强度。当铬含量低于0.10％时，其效果不明显，而铬含量增加至大于0.80％时，会形成马氏体。

镍可强化铁素体，同时保持粘度并降低钢的冷脆性阈值。镍含量低于0.05％，其效果不明显，镍含量增加至高于0.60％时导致钢成本的明显增加。

引入氮与钒和/或铌的结合，可以获得压碎的奥氏体晶粒，这提供了更高的抗脆性断裂能力。碳化钒和氮化钒和/或铌的存在使氮在化合物中具有必要的溶解度成为可能。如果氮含量低于0.005％，则其效果不明显，不能保证晶粒的磨削，而如果氮含量高于0.015％，则可以观察到斑点状偏析和“氮气”沸腾(钢中冒泡)的情况。由于碳氮化物的硬化，所选择的钒和铌的含量可提供所需的冲击强度。当钒的浓度低于0.05％且铌的浓度低于0.001％时，其效果不明显。向钢中引入高于0.15％的钒和/或高于0.06％的铌导致粗碳氮化物的数量增加，这些碳氮化物装饰晶界，并导致冲击硬度降低，同时导致钢价大幅上涨。

本发明的示例性实施例

将钢轨(表1)在100吨电弧炉DSP-100I7中熔炼，然后浇铸在CCM上。将所得的钢坯加热至1150-1200℃，并在铁轨结构钢轧机上轧制以制造长度为100m的P65型钢轨。表2示出了在二辊可逆式机座和连续可逆机座组中轧制时钢轨件的伸长率，表3示出了轨件的温度，从该表中可以看出，二辊可逆式机座中的轧制在950-1100℃下进行，连续可逆开坯组机座中的轧制在850-1000℃的温度范围内进行。精轧机座中完成的轧制在820℃-880℃的温度范围内内进行，延伸率为1.08。

表1钢轨化学成分

表2

表3

完成轧制后，将轨道安装在“在轨座上”的位置，并且将其逐一地供应至冷却装置中并进行差异化淬火(即，以不同的速度对型材元件进行加速冷却)。以1.5-6℃/s的速度对轨头和轨座进行冷却，使温度从720-880℃降至450-600℃。冷却后，将温度为450-600℃的轨道从冷却装置中输出并转移到冰箱中。

轨道冷却的技术参数如表4所示。

表4

冷却和矫直后，研究了金属的微观结构，确定了拉伸、轧制表面和横截面上的硬度机械性能，以及在测试温度为+20℃时的冲击强度。

表5示出了测试金属的拉伸、硬度和冲击强度的机械测试结果。

表5拉伸、硬度和冲击强度的机械测试结果

注：НВ_rsh是轨头运行表面上的硬度；

HB₁₀、HB₂₂分别是指距离沿着导轨的垂直对称轴的工作表面分别为10mm和22mm的硬度；

НB_10fl、НB_10fr分别指距离左圆角和右圆角10毫米处的硬度；

НВ_w是轨腰的硬度；

HB_b是轨座硬度。

来自所有轨道的样品都经受了跌落测试，没有破裂和破坏迹象。

本发明的用于制造轨道的方法使得在运行表面上的硬度大于400НВ，在测试温度为+20℃时获得的冲击强度大于15J/cm²，加上高的机械性能的复合物具有令人满意的珠光体微结构和跌落工作强度，满足对改善的耐磨性和接触强度的轨道的要求。

Claims (4)

1.一种制造具有改善的耐磨性和接触强度的铁路轨道的方法，包括在二辊可逆式机座和连续可逆组的万能机座中分别加热轧制坯料，进行多道次粗轧和精轧，然后沿轨头和轨座进行差示冷却使温度从720℃-870℃降至450℃-600℃，其特征在于，粗轧在950℃至1100℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.12至1.30，精轧在850℃至1000℃的温度范围内进行，每道次的延伸率范围为1.07至1.18，然后在分开的万能不可逆机座中进行精轧，精轧的温度范围为820℃至880℃，延伸率范围为1.07至1.10。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯料由钢制成，所述钢包含如下重量分数的成分：0.85wt％至1.2wt％的碳、0.2wt％至1.25wt％的锰、0.2wt％至0.9wt％的硅、0.001wt％至0.06wt％的铌，和一种或多种如下重量分数的元素：0.1wt％至0.8wt％的铬、0.05wt％至0.6wt％的镍、0.01wt％至0.15wt％的钒、0.005wt％至0.015wt％的氮。

3.用于制造铁路轨道的钢，包含如下重量分数的成分：0.85wt％至1.2wt％的碳、0.2wt％至1.25wt％的锰、0.2wt％至0.9wt％的硅，其特征在于，成分还补充有0.001wt％至0.06wt％的铌。

4.根据权利要求3所述的钢，其特征在于，所述成分还补充有一种或多种如下重量分数的元素：0.1wt％至0.8wt％的铬、0.05wt％至0.6wt％的镍、0.01wt％至0.15wt％的钒、0.005wt％至0.015wt％的氮。