CN113564454A - 一种辙叉心轨用钢及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成本低、回火温度低、时间短、耗能少、热处理加热、冷却时热应力和组织应力小，辙叉心轨在普通箱式炉中平放进行热处理时的单边变形量小于1.5mm的辙叉心轨用钢及其热处理方法，合金成分质量百分比为：C：0.22%‑0.31%、Si：1.86%‑2.04%、Mn：1.81%‑2.00%、P≤0.025%、S≤0.010%、Cr：1.32%‑1.45%、Ni：0.26%‑0.33%、Mo：0.28%‑0.34%、V：0.07%‑0.14%、Al：0.01%‑0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。优点：一是热处理工艺简单；二是不含稀土元素，容易取材，成本低；三是回火温度低、时间短，耗能少；四是材料的强度和塑韧性结合优良；五是热处理加热、冷却时热应力和组织应力小，可使辙叉心轨在普通箱式炉中平放进行热处理时的单边变形量小于1.5mm，进而可减小粗毛坯的加工留量，减小了机加工量。

Description

一种辙叉心轨用钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及一种成本低、回火温度低、时间短、耗能少、热处理加热、冷却时热应力和组织应力小，辙叉心轨在普通箱式炉中平放进行热处理时的单边变形量小于1.5mm的辙叉心轨用钢及其热处理方法，属辙叉心轨用钢制造领域。

背景技术

CN102899471B、“贝氏体钢轨的热处理方法”，该贝氏体钢轨的热处理方法包括：将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460-490℃；将钢轨以2.0-4.0℃/s 的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250-290℃；使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；将钢轨置于炉膛温度为300-350℃的加热炉内回火处理2-6h；将钢轨空冷至室温。得到的钢轨在获得稳定残余奥氏体组织的同时具有良好的综合力学性能。

CN105385938B、名称“一种合金体系及其贝氏体钢轨的热处理方法以及贝氏体钢轨”，其特征在于：所述贝氏体钢轨的合金体系的成分以质量百分比计如下：C：0.22～0.27；Si：1.65～1.85；Mn：1.60～1.80；Cr：1.30～1.90；Mo：0.25～0.85；Ni：0.25～0.95；V：0.040～0.060或Nb：0.020～0.040、P：≤0.015、S：≤0.015；余量为Fe和不可避免的杂质元素；其中对杂质元素进行严格控制：(1)气体含量：钢水[H]≤2.0ppm，铸坯[H]≤1.5ppm，[O]≤25ppm，[N]≤70ppm；(2)残余元素：Al≤0.006％，Cu≤0.15％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％；所述的热处理方法具体如下：正火+调整处理：正火温度为900-940℃奥氏体温区加热，炉内保温超过8小时，出炉空冷到室温；淬火：在Ac3+50～70℃奥氏体温区范围内保温7小时后，水冷直接淬火至320-350℃之间；等温相变：然后在320-350℃将钢轨堆垛放入保温坑保温处理，进行超过5小时等温相变处理；回火调质处理：等温相变处理后将贝氏体钢轨进行回火处理，回火温度为320-370℃，保温超过9小时后空冷至室温。该热处理方法的生产特点是，有效控制奥氏体组织的细化及元素和微观组织的偏析和不均现象，以利于冷却相变后获得细小的均匀的下贝氏体组织，保证有效控制钢轨完全发生下贝氏体组织的相变，从而获得高性能的贝氏体钢轨。

CN109023096A、名称“一种用于制造铁路叉心的高性能的低合金钢及其制备方法”，该低合金钢主要包括如下质量份的组分：C:0.1-0.2%，Si：0.4-0.9%，Mn：0.8-1.7%，V：0.02-0.15%，Nb：0.015-0.06%，La：0.085-0.01%，Y：≤0.01%，Ce：0.085-0.01%，Mo：0.25-0.35%，S：≤0.045％，P：≤0.045%，其余为Fe；低合金钢的表面粗糙度控制在0 .5μm以下。制备方法包括：(A)将所有组分混合熔炼后，得到低合金钢的铸锭；(B)将上述铸锭在860-900℃条件下保温，浸入水中淬火，再回火、冷却后，即可。本发明的低合金钢通过添加了微量的稀土元素，通过控制一定加量的稀土元素，切实提高了高温抗氧化性。

上述背景技术存在的不足之处： CN102899471B专利中需要将冷却和回火连续起来，不利于生产排产。且以2-4℃/s的冷速对钢轨实施冷却时对设备的冷却能力要求高。CN105385938B专利中热处理工艺包括：正火+调整处理、淬火+等温相变、回火调质处理，工序步骤多且每个工序至少5小时，不利于节约能源和成本。CN109023096A专利的化学成分中含有Nb和La、Y、Ce稀土元素，稀土价格昂贵。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种成本低、回火温度低、时间短、耗能少、热处理加热、冷却时热应力和组织应力小，辙叉心轨在普通箱式炉中平放进行热处理时的单边变形量小于1.5mm的辙叉心轨用钢及其热处理方法。

设计方案：为了实现本发明的设计目的。本发明在成分设计上，适当提高Si、Cr含量，C、Ni含量控制在较低水平，合金成分质量百分比为：C：0.22%-0.31%、Si：1.86%-2.04%、Mn：1.81%-2.00%、P≤0.025%、S≤0.010%、Cr：1.32%-1.45%、Ni：0.26%-0.33%、Mo：0.28%-0.34%、V：0.07%-0.14%、Al：0.01%-0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。

关键技术要点：

Si是非碳化物形成元素，在冷却过程中固溶到贝氏体铁素体中起固溶强化作用，提高合金强度。适量的Si还能有效抑制碳化物析出促使形成粒状贝氏体，提高钢的冲击功。

C含量保持在较低水平，将强度控制在合理范围，如果C含量过高，则强度过高，在滚动摩擦下容易发生剥落掉块。

Cr含量高，可以提高其淬透性，使材料在冷却过程中表面和心部都完全转变为贝氏体组织，内外组织均匀。

Ni含量大于0.85%可以明显提高冲击功，但是增加成本，将Ni含量控制在较低范围内，通过合金材料在冷却时形成的粒状贝氏体来提高其冲击功，可以降低生产成本。

Mn和Mo合理配合可以推迟珠光体转变，在合适的冷速下就可以得到贝氏体组织。降低对设备的冷却速度要求。Mn具有溶质拖拽作用，在相界面的富集降低了相界附近奥氏体基体内碳的活度及活度梯度，降低碳在奥氏体中的扩散速度，进一步抑制先共析铁素体的生长。使材料在低冷却速度下不会产生先共析铁素体。Mn含量高一些可以减少昂贵元素Mo的含量，降低成本。少量V能起到细化晶粒作用。

回火温度低、时间合适，残余奥氏体的机械稳定性高，在外加荷载作用下不会转变成马氏体，提高了材料的使用寿命。

工件热处理时的变形是受组织应力和热应力共同作用的结果，在普通箱式炉或台车炉中平放热处理时为减小心轨变形，一是在热处理的正火加热过程采用在670-690℃保温1h，可使心轨内外温度均匀，减小加热过程中的热应力，此温度低于钢铁材料的A1线，在此温度保温组织不会发生转变；二是合理的化学成分设计使心轨在低的冷却速度下也能得到粒状贝氏体组织，减小了冷却时的热应力及组织应力，进而减小心轨的变形量。

工艺方法：

（1）正火：工件随炉加热至670-690℃，保温1h，然后随炉加热至860-950℃，保温1-6小时至完全奥氏体化。

（2）风冷：出炉后采用风冷，其冷却速率在5-30℃/min，冷却至心轨表面210-400℃，然后空冷或者缓冷，冷速控制在1-4 ℃/min。

（3）回火：将工件从室温升温加热至230-350℃保温1.5-5h进行回火，出炉后空冷或者采用工业风扇降温，降温速率在1-20℃/min。

本发明与背景技术相比，一是热处理工艺简单；二是不含稀土元素，容易取材，成本低；三是回火温度低、时间短，耗能少；四是材料的强度和塑韧性结合优良；五是热处理加热、冷却时热应力和组织应力小，可使辙叉心轨在普通箱式炉中平放进行热处理时的单边变形量小于1.5mm，进而可减小粗毛坯的加工留量，减小了机加工量。

对比对象

稀土

淬火方式

回火温度/℃

回火时间/h

能耗/KWh

热应力和组织应力

加变形量/mm

背景技术

有

水淬

300-370

2-9

1700-2100

大

4-5mm

本发明

无

风冷

230-350

1.5-5

1100-1300

小

＜1.5mm

附图说明

图1是辙叉心轨用钢实施例1后的金相示意图。

图2是辙叉心轨用钢实施例2后的金相示意图。

图3是辙叉心轨用钢实施例3后的金相示意图。

图4是辙叉心轨用钢实施例4后的金相示意图。

具体实施方式

实施例1：参照附图1。一种辙叉心轨用钢，C：0.24%、Si：1.86%、Mn：1.85%、P：0.020%、S：0.007%、Cr：1.32%、Ni：0.31%、Mo：0.31%、V：0.11%、Al：0.12%，余量为Fe及不可避免的杂质。

正火一段加热温度680℃，保温1h，淬火加热温度：900℃，保温250min，冷却速率：25℃/min，冷至335℃后以2℃/min冷至室温；回火温度280℃，保温3h，出炉以8℃/min冷却至室温。

力学性能：其屈服强度1080MPa，抗拉强度在1321MPa，断面硬度39-44HRc，表面硬度388-399HB，伸长率19%，断面收缩率42%，常温（20℃）冲击功99/97/92J，低温（-40℃）冲击功35/45/48J,显微组织为粒状贝氏体+残留奥氏体组织。

实施例2：参照附图2。一种辙叉心轨用钢，C：0.28%、Si：1.92%、Mn：2.00%、P：0.010%、S：0.005%、Cr：1.44%、Ni：0.26%、Mo：0.34%、V：0.14%、Al：0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。

正火一段加热温度685℃，保温1h，淬火加热温度：860℃，保温360min，冷却速率：28℃/min，冷至398℃后空冷至室温；回火温度240℃，保温5h，出炉空冷至室温。

力学性能：其屈服强度1056MPa，抗拉强度在1344MPa，断面硬度38-43HRc，表面硬度395-413HB，伸长率14%，断面收缩率58%，常温（20℃）冲击功77/86/92J，低温（-40℃）冲击功40/52/60J,显微组织为粒状贝氏体+残留奥氏体组织。

实施例3：参照附图3。一种辙叉心轨用钢，C：0.30%、Si：1.88%、Mn：1.90%、P：0.020%、S：0.004%、Cr：1.37%、Ni：0.33%、Mo：0.28%、V：0.07%、Al：0.06%，余量为Fe及不可避免的杂质。

正火一段加热温度675℃，保温1h，淬火加热温度：950℃，保温90min，冷却速率：15℃/min，冷至250℃后以4℃/min冷至室温；回火温度325℃，保温4h，出炉以16℃/min冷却至室温。

力学性能：其屈服强度1120MPa，抗拉强度在1387MPa，断面硬度38-42HRc，表面硬度404-425HB，伸长率12%，断面收缩率47%，常温（20℃）冲击功95/72/78J，低温（-40℃）冲击功53/50/49J,显微组织为粒状贝氏体+残留奥氏体组织。

实施例4：参照附图4。一种辙叉心轨用钢，C：0.22%、Si：2.01%、Mn：1.97%、P：0.006%、S：0.009%、Cr：1.42%、Ni：0.28%、Mo：0.30%、V：0.09%、Al：0.03%，余量为Fe及不可避免的杂质。

正火一段加热温度670℃，保温1h，淬火加热温度：920℃，保温170min，冷却速率：5℃/min，冷至220℃后以3℃/min冷至室温；回火温度350℃，保温1.5h，出炉空冷至室温。

力学性能：其屈服强度1006MPa，抗拉强度在1296MPa，断面硬度39-43.5HRc，表面硬度400-414HB，伸长率15.5%，断面收缩率53%，常温（20℃）冲击功86/93/76J，低温（-40℃）冲击功47/58/39J，显微组织为粒状贝氏体+残留奥氏体组织。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种辙叉心轨用钢，其特征是合金成分质量百分比为：C：0.22%-0.31%、Si：1.86%-2.04%、Mn：1.81%-2.00%、P≤0.025%、S≤0.010%、Cr：1.32%-1.45%、Ni：0.26%-0.33%、Mo：0.28%-0.34%、V：0.07%-0.14%、Al：0.01%-0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的辙叉心轨用钢，其特征是：C：0.24%、Si：1.86%、Mn：1.85%、P：0.020%、S：0.007%、Cr：1.32%、Ni：0.31%、Mo：0.31%、V：0.11%、Al：0.12%，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的辙叉心轨用钢，其特征是：C：0.28%、Si：1.92%、Mn：2.00%、P：0.010%、S：0.005%、Cr：1.44%、Ni：0.26%、Mo：0.34%、V：0.14%、Al：0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的辙叉心轨用钢，其特征是：C：0.30%、Si：1.88%、Mn：1.90%、P：0.020%、S：0.004%、Cr：1.37%、Ni：0.33%、Mo：0.28%、V：0.07%、Al：0.06%，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的辙叉心轨用钢，其特征是：C：0.22%、Si：2.01%、Mn：1.97%、P：0.006%、S：0.009%、Cr：1.42%、Ni：0.28%、Mo：0.30%、V：0.09%、Al：0.03%，余量为Fe及不可避免的杂质。

6.一种辙叉心轨用钢热处理方法，其特征是：（1）正火：工件随炉加热至670-690℃，保温1h，然后随炉加热至860-950℃，保温1-6小时至完全奥氏体化；

（2）风冷：出炉后采用风冷，其冷却速率在5-30℃/min，冷却至心轨表面210-400℃，然后空冷或者缓冷，冷速控制在1-4 ℃/min；

（3）回火：将工件从室温升温加热至230-350℃保温1.5-5h进行回火，出炉后空冷或者采用工业风扇降温，降温速率在1-20℃/min。

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