CN113637913B

CN113637913B - 一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法及由此生产的钢轨

Info

Publication number: CN113637913B
Application number: CN202110947199.9A
Authority: CN
Inventors: 李晓煜; 汪渊; 陈崇木; 袁俊
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: 2021-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: CN113637913A

Abstract

本发明公开了一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，该方法包括以下步骤：对热轧后余热钢轨进行在线热处理，余热钢轨静置空气中冷却，当钢轨轨底面中心温度达到700～850℃时，对钢轨轨腰和轨底喷吹冷却介质以使轨腰和轨底以不同的冷却速度加速冷却不同的时间，之后停止加速冷却，使钢轨在空气中继续冷却至室温。本发明还公开了一种通过上述方法制备出的耐腐蚀钢轨。本发明通过对热轧后余热钢轨进行轨腰和轨底加速冷却热处理来细化钢轨轨底珠光体组织，从而提升钢轨轨底耐腐蚀断裂能力。

Description

一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法及由此生产的钢轨

技术领域

本发明属于钢轨制造技术领域，确切地讲，具体涉及一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法及由此生产的钢轨。

背景技术

不论高速铁路还是重载线路，钢轨腐蚀都是至关重要的一个研究领域。与其他钢轨部位腐蚀相比，钢轨轨底腐蚀引起的钢轨开裂直接影响铁路运输效率和安全性。大气中干湿环境交替、空气中的SO₂、H₂S等污染物质、沿海和隧道中Cl^-以及杂散电流等多种因素均能促进钢轨轨底发生腐蚀，尤其是点蚀。而钢轨轨底一旦形成点蚀坑后在轮轨应力作用下就容易产生疲劳裂纹，随着进一步的裂纹合并和扩展，引发钢轨开裂。目前防止钢轨腐蚀的方法主要有三种，包括优化钢轨成分组织、表面涂层和阴极保护法。其中涂层和阴极保护法因为工艺和成本等问题无法实现广泛应用，但在钢轨成分组织优化方面，已有宝武钢U68CuCr耐蚀轨产品试用于客运海底隧道高速铁路。

珠光体钢轨微观组织与耐腐蚀性能存在一定的对应关系。钢轨成分不变时，钢轨组织越细化，钢轨耐点蚀和抗裂纹扩展能力越强。而细化钢轨组织最常用两种手段即为成分优化和热处理工艺。热处理工艺主要是使钢轨在奥氏体状态下采用加速冷却通过珠光体相变区，增大相变过冷度来实现细化钢轨组织的方法。通过热处理后钢轨片层组织得到细化，提升了钢轨耐腐蚀断裂的能力。

下面对相关现有技术作简单介绍。

中国专利CN112501417A公开了一种重载铁路用钢轨及其制备方法，该方法利用对热轧余热钢轨轨头下颚进行加速冷却，通过细化珠光体片层间距来实现提高钢轨下颚部位强韧性的效果，该方法生产的钢轨在热轧后开展热处理，开冷温度650～800℃，加速冷却速率1.5～2.5℃/s，温度降至380～420℃后停止冷却。该发明主要针对的是提升钢轨下颚部位的强韧性，但线路腐蚀涉及最多的为钢轨轨底。

中国专利CN111607738A公开了一种耐腐蚀高强度珠光体钢轨及其制备方法。该方法生产的钢轨成分为：C：0.65～0.80％，Si：0.45～0.85％，Mn：1.0～1.5％；S≤0.020％，P≤0.020％，Cr：0.68～0.95％，Nb：0.03～0.06％，Cu：0.8～1.6％，B：0.002～0.006％，余量为Fe及杂质。钢轨经过铁水预处理、转炉冶炼、精炼、真空处理、连铸、轧制、在线热处理等工艺制得，该方法通过细化钢轨片层间距至90～120nm来提升钢轨耐腐蚀性能。然而，该方法针对特定钢轨成分设计热处理工艺，该钢轨合金含量高，生产成本高，不具有普遍适用性。

中国专利CN111172357A公开了一种提高钢轨表面氧化膜中Fe₃O₄比例的方法。该发明通过热处理工艺控制，提升钢轨表面氧化膜中Fe₃O₄比例，所得Fe₃O₄成分比例高达59％以上，从而显著提升钢轨耐腐蚀性能。但该方法无法保证氧化膜与基体贴合度，容易产生脱落引发局部腐蚀。

中国专利CN111020378A公开了一种耐隧道环境腐蚀钢轨，该钢轨成分要求：C：0.62～0.74％，Si：0.35～0.65％，Mn：0.80～1.00％，Cu：0.38～0.48％，Cr：0.20～0.45％，Ni：0.15～0.25％，Mo≤0.20％，S≤0.025％，P≤0.035％，Al≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢轨经过特定生产工艺后具有良好的强度和耐腐蚀性能。该方法主要通过钢轨成分优化实现钢轨耐蚀性提升，但该钢轨合金含量高，成本相对高。

中国专利CN110527910A公开了一种含稀土Ce和Nb元素的耐腐蚀纳米珠光体钢轨制备方法，该方法包括冶炼、轧制、冷却步骤；珠光体基体脱氧后添加合金元素进行精炼，添加稀土元素进行真空脱气后连铸，铸坯加热后进行轧制，轧后采用热处理加速冷却后空冷，所得钢轨具有优良强韧性、硬度及耐腐蚀性。但该方法在钢轨中添加稀土及大量合金Cu、Cr元素，生产成本高，工艺控制难度大。

中国专利CN109023126A公开了耐腐蚀高速铁路用钢轨生产方法；该方法利用钢轨轧制余热，对钢轨施加1～3℃/s的加速冷却操作，再利用钢轨热处理余热，对钢轨表面喷涂热熔铝液，通过铝液的涂层保护提升钢轨耐蚀性。但铝的硬度低，难以保证与钢轨基体的结合度。

基于此可知，目前如何提高钢轨耐腐蚀断裂能力仍有一定的改进空间。

发明内容

本发明针对钢轨轨底易发生点蚀引起钢轨开裂失效的问题，提供了一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法。该方法通过对余热钢轨轨腰和轨底进行加速冷却，降低轨底热处理后回温温度，实现细化钢轨轨底珠光体组织，从而提升钢轨轨底耐腐蚀断裂能力。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，该方法包括以下步骤：

对热轧后余热钢轨进行在线热处理，余热钢轨静置空气中冷却，当钢轨轨底面中心温度达到700～850℃时，对钢轨轨腰和轨底喷吹冷却介质以使轨腰和轨底以不同的冷却速度加速冷却不同的时间，之后停止加速冷却，使钢轨在空气中继续冷却至室温。

根据本发明的一个实施例，轨腰加速冷却的冷却速度小于轨底加速冷却的冷却速度，轨腰加速冷却的冷却时间小于轨底加速冷却的冷却时间。

根据本发明的一个实施例，轨腰加速冷却的冷却速度为2.0～3.0℃/s，轨底加速冷却的冷却速率为4.0～6.0℃/s。

根据本发明的一个实施例，轨腰加速冷却的冷却时间为60～75s，轨底加速冷却的冷却时间为100～110s。

根据本发明的一个实施例，余热钢轨是由钢坯通过轧机多道次轧制而形成的，终轧温度为850～950℃。

根据本发明的一个实施例，钢坯是通过铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸工艺制成的。

根据本发明的一个实施例，钢坯的成分按质量百分比含量计包括：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

根据本发明的一个实施例，钢坯在轧制之前进行再加热和保温工艺，再加热温度为1230～1300℃，保温时间为2～5h。

根据本发明的一个实施例，加速冷却阶段喷吹的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过上述方法制备出的耐腐蚀钢轨，其成分按质量百分比含量计包括：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

与现有技术相比，本发明的技术方案通过对余热钢轨轨腰和轨底进行加速冷却，细化了钢轨轨底珠光体组织，从而提升了钢轨轨底耐腐蚀断裂能力。本发明中，对钢轨轨腰和轨底以不同的冷却速度加速冷却不同的时间，有助于在保证提高轨腰轨底冷却过程中相变过冷度的同时，降低钢轨轨腰轨底因快速冷却带来异常组织的可能性。

此外，本发明的有益效果还包括：

1、在钢轨热轧后增加轨腰和轨底热处理工艺，只需热处理机组改造，无需额外添置设备，降低了生产成本；

2、对钢轨成分没有严格要求，因此无需添加大量高成本的耐蚀合金元素，整体成本可控；

3、该方法生产的钢轨由于轨底经过热处理工艺组织得到细化后，具有较好的耐腐蚀断裂能力，适用于隧道、沿海以及工业污染严重的铁路线，可有效降低铁路运营维护成本。

附图说明

图1为钢轨的示意性截面图；

图2为测定裂纹扩展速率的钢轨取样位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。

本发明的第一方面提供了一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸工艺制备钢轨钢坯。钢坯成分需满足：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

(2)对步骤(1)所得钢坯进行再加热和保温工艺，再加热温度为1230～1300℃，保温时间2～5h。

(3)使步骤(2)所得保温后钢坯进入轧机经过多道次轧制得到余热钢轨，终轧温度850～950℃。

(4)对步骤(3)所得余热钢轨进行在线热处理，余热钢轨静置空气中冷却，当钢轨轨底面中心温度达到700～850℃的开冷温度时进入热处理机组，对钢轨轨腰和轨底通过喷吹冷却介质方式进行加速冷却，轨腰冷却速度为2.0～3.0℃/s，冷却时间为60～75s，轨底冷却速率为4.0～6.0℃/s，冷却时间为100～110s。之后停止加速冷却，并使钢轨在空气中冷却至室温。在上述步骤中，喷吹的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。

为了便于理解，图1给出了钢轨的示意性截面图，如图所示，钢轨包括轨头1、轨腰2和轨底3。在线热处理过程中，通过对轨腰2和轨底3喷吹冷却介质的方式来使其加速冷却。

本发明的第二方面提供了一种通过上述方法制备出的耐腐蚀钢轨，其成分按质量百分比含量计包括：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明通过加速冷却余热钢轨轨腰和轨底的方法，细化了钢轨轨底珠光体组织，从而提升了钢轨轨底耐腐蚀断裂的能力。本发明中，对钢轨轨腰和轨底以不同的冷却速度加速冷却不同的时间，有助于在保证提高轨腰轨底冷却过程中相变过冷度的同时，降低钢轨轨腰轨底因快速冷却带来异常组织的可能性。如果只冷却轨底而不冷却轨腰的话，由于钢轨轨腰以上冷却速度慢，轨底停止冷却后钢轨轨腰以上心部高温会导致轨底持续回温，抵消加速冷却带来的组织细化作用。另外，由于轨腰厚度最薄，且对应铸坯凝固中心，包含溶质富集区，如果轨底和轨腰冷却速度和冷却时间相同，则容易出现马氏体等异常组织，因此，本发明中，为了避免异常组织出现，对轨腰和轨底采用了不同的冷却速度和冷却时间。

下面通过具体的实施例对本发明进行具体的说明。

本发明同时选取了具有相同化学成分但不同的生产工艺的七组钢轨样本进行对比。其中，实施例1-5采用如上所述的本发明的方法，仅在再加热和保温、轧制以及热处理工艺参数方面有所区别，具体请参见以下的表1。对比例1-2依据常规钢轨要求设计，钢轨成分如同本申请的钢轨成分，生产工艺与本申请类似，仅在具体参数方面有所区别，具体请参见以下的表1。

表1钢轨再加热和保温、轧制以及热处理工艺参数表

为了精确地评价实施例1-5以及对比例1-2中钢轨的耐腐蚀断裂能力，本申请中采用了以下两种方式钢轨耐腐蚀断裂能力进行了测试。

测试例1

测试实施例1-5和对比例1-2制备得到的钢轨的耐腐蚀性能，按照TB/T2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准要求进行检测，在钢轨轨底截取50×50×1.5mm大小的试样进行周期浸润试验，试验时间为100h，通过测量试样腐蚀前后失重计算试样的腐蚀速率。结果如表2所示。

表2钢轨腐蚀速率表

编号	腐蚀速率/g/m<sup>2</sup>h
		1#	7.5254
2#	6.9145
		3#	7.3954
4#	7.7481
		5#	6.5367
D1#	10.2645
		D2#	9.7836

测试例2

测试实施例1-5和对比例1-2制备得到的钢轨抗疲劳裂纹扩展能力，按照GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》标准要求进行检测，在钢轨轨底取三点弯曲试样，取样位置见图2，具体是轨底中心处，沿着钢轨长度方向取，试样尺寸为长宽高200×15×45，下方三角形开口为标准要求的预制裂纹口，用于测量da/dN数值。按照标准进行测量后结果如表3所示。

表3钢轨疲劳裂纹扩展速率表

表2和表3中列出的对比结果表明，普通工艺生产钢轨腐蚀速率快，耐蚀性较差，并且裂纹扩展速率较快，耐腐蚀断裂能力差，而采用本发明工艺生产的钢轨整体耐腐蚀性能有明显提升，且抗裂纹扩展能力较强，综合耐腐蚀断裂性能优良。

应理解的是虽然这样的方法等的步骤描述为按照一定的顺序排列发生，但这样的方法可以采用以这里描述的顺序之外的顺序完成的描述的步骤实施操作。进一步应该理解的是，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略这里所述的某些步骤。换言之，这里的方法的描述提供用于说明某些实施例的目的，并且不应该以任何方式解释为限制要求保护的发明。

上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims

1.一种提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对热轧后余热钢轨进行在线热处理，余热钢轨静置空气中冷却，当钢轨轨底面中心温度达到700～850℃时，对钢轨轨腰和轨底喷吹冷却介质以使轨腰和轨底以不同的冷却速度加速冷却不同的时间，之后停止加速冷却，使钢轨在空气中继续冷却至室温，所述轨腰加速冷却的冷却速度为2.0～3.0℃/s，所述轨底加速冷却的冷却速率为4.0～6.0℃/s，所述轨腰加速冷却的冷却时间为60～75s，所述轨底加速冷却的冷却时间为100～110s。

2.根据权利要求1所述的提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，余热钢轨是由钢坯通过轧机多道次轧制而形成的，终轧温度为850～950℃。

3.根据权利要求2所述的提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，钢坯是通过铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理和连铸工艺制成的。

4.根据权利要求2所述的提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，钢坯的成分按质量百分比含量计包括：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.根据权利要求2所述的提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，钢坯在轧制之前进行再加热和保温工艺，再加热温度为1230～1300℃，保温时间为2～5h。

6.根据权利要求1所述的提高钢轨耐腐蚀断裂能力的方法，其特征在于，加速冷却阶段喷吹的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。

7.一种通过权利要求1-6中任一项所述的方法制备出的耐腐蚀钢轨，其特征在于，成分按质量百分比含量计包括：C：0.65～0.85％，Si：0.35～0.85％，Mn：0.7～1.5％，Cr：0～0.5％，S≤0.025％，P≤0.020％，余量为Fe及不可避免的杂质。