CN113981325A - 一种中等强度钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种中等强度钢轨，中等强度钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70‑0.90％、硅0.08‑0.65％、锰0.69‑1.31％、铬0.10‑0.25％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、以及铁96.85‑98.41％。本发明的中等强度钢轨生产方法，生产的中等强度钢轨的钢轨硬度350‑370HB，磨损量≤0.40g，接触疲劳寿命≥50000次，610mm长钢轨轨腰张开度≤3.0mm/400mm。

Description

一种中等强度钢轨及其生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理领域，特别是涉及一种中等强度钢轨及其生产方法。
背景技术
随着国内外铁路运量的增加、轴重的加大、速度的提高，对钢轨质量或是性能的要求越来越高。同时，随着国内外钢轨厂家产能的扩大，技术的革新，钢轨供大于求局面进一步扩大，低成本高性能钢轨成为主流铁路的首选。
铁路依据运输条件分为客运专线铁路、货运专线铁路和客货混运铁路。国内外铁路以客运专线和客货混运线路为主流线路，占比达到90％以上。客运专线线路和客货混运铁路用钢轨需综合考虑钢轨强度级别、运量和成本经济性等方面。通过提高钢轨性能，降低钢轨单重，缩减钢轨使用量成为经济高效钢轨发展趋势。通常，客运专线线路和客货混运铁路用钢轨单重≤60kg/m。通过国内外钢轨服役跟踪，钢轨强度级别选择H350-H370级完全能满足客运专线和客货混运线路用钢轨使用要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种中等强度钢轨及其生产方法，在保证钢轨强度的同时提高钢轨的韧性，生产单重≤60kg/m、强度级别为H350-H370级钢轨。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种中等强度钢轨，中等强度钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅0.08-0.65％、锰0.69-1.31％、铬0.10-0.25％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、以及铁96.85-98.41％。
进一步地，在中等强度钢轨中，硅和锰和铬的重量百分比的和小于等于1.9％。
进一步地，中等强度钢轨硬度为350-370HB。
进一步地，中等强度钢轨磨损量为≤0.40g。
一种中等强度钢轨生产方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼浇铸上述中等强度钢轨的钢坯；
步骤2，钢坯经过加热，轧制中等强度钢轨；
步骤3，利用轧制余热对中等强度钢轨进行热处理；
步骤4，对热处理后的中等强度钢轨全断面施加加速冷却。
进一步地，在步骤2中，钢坯加热温度为1200-1250℃，均热段保温时间为150-240min。
进一步地，在步骤3中，轧制余热温度为620-780℃。
进一步地，在步骤3中，对中等强度钢轨轨头踏面宽度50-60mm施加1-4℃/s冷却强度。
进一步地，在步骤3中，对中等强度钢轨轨头两侧宽度20-30mm施加2-6℃/s冷却强度。
进一步地，在步骤4中，对中等强度钢轨全断面施加1-3℃/s加速冷却。
钢轨中常用的元素为碳、硅、锰、磷、硫、铬。其中，碳为影响最大元素，也是最经济的元素，铬能提高钢轨的淬硬层深度，保证钢轨良好的使用性能。
碳(C)：碳是钢中最重要的合金元素，其含量、分布形态对钢的显微组织和力学性能具有重要影响。碳元素是奥氏体稳定元素，随着碳含量的増加，过冷奥氏体稳定性增大，C曲线的位置向右移动，马氏体相变的临界开始温度降低，贝氏体的孕育期变长。碳还是很强的间隙固溶强化元素，能强烈提高钢的强度。
硅(Si)：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，硅置换固溶体形式存在于铁素体或高温奥氏体中，缩小奥氏体相区，硅的添加减缓碳原子的扩散，阻碍碳化物的析出。提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，较锰、镍、铬、钨、铝和钒更强，显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比，并提高疲劳性能。
锰(Mn)：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，锰能够提高钢的淬透性，改善其热加工性能。锰作为弱碳化物形成元素和奥氏体稳定元素，虽然在基体中对碳化物的扩散阻碍能力较弱，但是其强烈的溶质“类拖曳”作用会阻碍富碳奥氏体的进一步分解。
磷(P)：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
硫(S)：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
铬(Cr)：铬能够提高奥氏体相变温度，推迟高温相变反应。铬对相变的具体影响如下：铬是铁素体稳定元素，能够缩小奥氏体区，提高奥氏体的相变温度；铬能够降低碳原子在奥氏体中的扩散速率。铬在奥氏体中的扩散速率比碳低3-5个数量级。在较高温度下进行的贝氏体转变过程中合金元素的重新分配，因为铬与碳的扩散速度差异，使过冷奥氏体向受扩散机制控制的贝氏体相变过程被推迟；铬能够提高自主扩散铁原子的激活能，降低铁原子扩散的协调性，因此能够推迟超快冷奥氏体的高温相变；铬是强碳化物形成元素，铬原子和碳原子结合倾向强烈，这使连贯相界向前推移的难度增大，因此推迟了贝氏体的转变过程。
因此，通过成分和性能数据回归分析，本发明的中等强度钢轨成分为0.70-0.90％的碳，0.08-0.65％的硅，0.69-1.31％的锰，0.10-0.25％的铬，≤0.020％的磷，≤0.020％的硫，以及98.41-96.85％重量的铁。
本发明的有益效果为：
本发明的中等强度钢轨及其生产方法，提出了低成本成分设计和高效长尺钢轨生产。同时，利用轧制余热进行热处理，在提高钢轨性能的同时，结合线路使用条件，降低踏面硬度，保证轨头踏面和轨底冷却统一性，降低钢轨残余应力，以满足低成本高性能钢轨使用要求。本发明的中等强度钢轨的钢轨硬度350-370HB，磨损量≤0.40g，接触疲劳寿命≥50000次，610mm长钢轨轨腰张开度≤3.0mm/400mm，是一种低成本、免维护、长寿命铁路用钢轨。
中等强度钢轨主要应用于客运专线或是客货混运铁路，解决了国际绝大部分铁路线路需求，采用本发明方法生产的中等强度钢轨，特别适宜年运量介于2000-5000万吨运量的低成本高人工偏僻铁路线路用钢轨，具有良好的经济效益和市场前景。
中等强度因其强度适中，耐磨性和疲劳性能优异，成本低廉，未来必将在北美、南美及澳洲等国家铺设使用，也是攀钢未来出口钢轨主力产品，具有良好的经济效益和市场前景。根据国贸公司2020年12月统计数据，钢轨边际效益达1000元/吨，以成功推广后年产3万吨计算，可至少新增经济效益3000万元以上。同时，将带动攀钢钢轨全系列产品的推广和应用。
附图说明
图1显示本发明的中等强度钢轨的热处理位置的示意图；
图2显示磨耗与接触疲劳裂纹扩展速率平衡示意图；
图3显示滚动接触疲劳试样取样位置示意图；
图4A显示滚动接触疲劳试样尺寸的截面图；
图4B显示滚动接触疲劳试样尺寸的俯视图。
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，下面结合实施例及附图，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。
本发明提供的中等强度钢轨，其中中等强度钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅0.08-0.65％、锰0.69-1.31％、铬0.10-0.25％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、以及铁96.85-98.41％。在中等强度钢轨中，硅和锰和铬的重量百分比的和小于等于1.9％。
本发明的中等强度钢轨硬度为350-370HB，磨损量≤0.40g，接触疲劳寿命≥50000次，610mm长钢轨轨腰张开度≤3.0mm/400mm。特别适宜年运量介于2000-4000万吨运量的低成本高人工偏僻铁路线路用钢轨。
本发明提供的中等强度钢轨生产方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼浇铸本发明的中等强度钢轨的钢坯，中等强度钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅0.08-0.65％、锰0.69-1.31％、铬0.10-0.25％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、以及铁96.85-98.41％；
步骤2，钢坯经过加热，钢坯加热温度为1200-1250℃，均热段保温时间为150-240min，轧制中等强度钢轨；
步骤3，利用轧制余热对中等强度钢轨进行热处理，其中轧制余热温度为620-780℃，对中等强度钢轨轨头踏面宽度50-60mm施加1-4℃/s冷却强度，对中等强度钢轨轨头两侧宽度20-30mm施加2-6℃/s冷却强度；
步骤4，对热处理后的中等强度钢轨全断面施加加速冷却，对中等强度钢轨全断面施加1-3℃/s加速冷却。
硬度与磨耗直接相关，磨耗与接触疲劳性能成交互作用。通过合理设计钢轨轨头踏面硬度区间，合理设计钢轨磨耗，匹配良好的接触疲劳性能，促进钢轨综合的服役性能。
钢轨强度较低时，磨损量提高，耐磨性不足。当钢轨强度较高时，耐磨性提高，轨面表层不能被及时磨掉，在接触应力的反复作用下，塑性耗竭，导致产生裂纹并扩展。要使磨损寿命与接触疲劳寿命有一综合的良好匹配，就应将磨耗速率控制在图2中点“B”这一理想位置。要达到此目的，就应该合适设计钢轨强度。
在下面描述本发明的中等强度钢轨生产方法的实施例。
实施例中等强度钢轨和对比例钢轨的化学成分及重量百分比如表1所示。实施例中化学成分重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅0.08-0.65％、锰0.69-1.30％、铬0.10-0.25％、磷0.013-0.017％、硫0.008-0.012％、其余为铁，硅和锰和铬的重量百分比的和为0.87-1.90％，吨钢合金成本为42-92元/吨。对比例中化学成分重量百分比为：碳0.76％、硅0.5-0.8％、锰0.9-1.1％、铬0.05-0.30％、磷0.012-0.018％、硫0.010-0.011％、其余为铁，硅和锰和铬的重量百分比的和为1.55-2.15％，吨钢合金成本为74-104元/吨。
表1化学成分
Figure BDA0003335274760000061
Figure BDA0003335274760000071
实施例中等强度钢轨和对比例钢轨按照表1的化学成分及重量百分比经冶炼浇铸为钢坯。钢坯经过加热，钢坯加热温度为1200-1250℃，均热段保温时间为150-240min，轧制为中等强度钢轨。轧制后的中等强度钢轨，利用轧制余热采用不同的热处理工艺进行热处理，热处理工艺在表2中显示。
表2热处理工艺
Figure BDA0003335274760000072
Figure BDA0003335274760000081
实施例中等强度钢轨中轧制终冷温度为620-780℃，轨头踏面宽度为50-60mm，轨头踏面冷速为1-4℃/s，轨头两侧宽度为20-30mm，轨头两侧冷速为2-6℃/s，如图1所示；对比例中钢轨轧制终冷温度为600-800℃，轨头踏面宽度为40-70mm，轨头踏面冷速为0.9-5℃/s，轨头两侧宽度为15-35mm，轨头两侧冷速为1.5-6.5℃/s。
检测实施例中等强度钢轨和对比例钢轨的氧含量和氮含量，如表1中所显示。实施例中等强度钢轨中氧含量为7-12ppm，氮含量为30-51ppm，对比例钢轨中氧含量为6-15ppm，氮含量为34-42ppm。
按照TB/T 2344-2012标准，对实施例和对比例钢轨轨头踏面位置进行HBW10/3000布氏硬度检验。检验结果如表3所示。实施例中等强度钢轨中踏面硬度平均值为350.4-369.2HBW10/3000；对比例钢轨中踏面硬度平均值为330.8-383.8HBW10/3000。
对实施例中等强度钢轨和对比例钢轨试样在MM-200磨损试验机，采用双盘对磨，试验转数为200转/分。以U75V热轧轨试样为对磨样，位于主动轴上，模拟车轮；对实施例中等强度钢轨和对比例钢轨试样为正磨样，位于从动轴上，模拟钢轨。对磨样和正磨样直径均为36mm。在相对滑差为10％的条件下，开展不同载荷、不同转数的磨损试验，如表3，其中表3中的P代表珠光体、M代表马氏体。实施例中等强度钢轨磨损负荷为980N，转数为10万次，磨损量为0.37-0.40g，接触疲劳寿命为42123-72314次；对比例钢轨磨损负荷为980N，转数为10万次，磨损量为0.28-0.50g，接触疲劳寿命为22124-81254次。
按图3在钢轨中加工接触疲劳试验，按图4A和4B进行试样加工。在TIME M8123滚动接触疲劳磨损试验机上，对磨样采用U75V热轧钢轨试样，接触应力为1400Mpa，转速为400rpm，滑差为1％，采用干磨方式。疲劳寿命判定依据振动信号3mm/s。
表3踏面硬度、残余应力、平直度以及磨损和接触疲劳
Figure BDA0003335274760000091
本发明通过低成本铬微合金化成分冶炼、钢坯加热及轧制，利用轧制余热进行热处理，采用碳-铬-冷速关系，系统掌握钢轨临界冷速为6℃/s。通过热处理冷却位置和宽度，提高钢轨轨头强度，保证线路运行要求。结合客运专线铁路和客货混运铁路运行特点，降低轨头顶面硬度，保证钢轨具备良好的轮轨匹配关系。通过轨头顶面和轨低中心相同的冷却方式，保证钢轨热处理过程中，钢轨冷却弯曲变形的一致性，降低钢轨残余应力，保障钢轨安全运行。
本发明按照客运专线和客货混运铁路用钢轨线路条件，结合磨损和接触疲劳关系特点，设计了钢轨最佳强度指标H350-H370级，并设计了钢轨化学成分和相对应的热处理工艺。通过热处理工艺，提高钢轨强度、降低了钢轨残余应力和平直度，保障了线路运行的安全性和平顺性。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中等强度钢轨，其特征在于，所述中等强度钢轨的化学成分的重量百分比为：碳0.70-0.90％、硅0.08-0.65％、锰0.69-1.31％、铬0.10-0.25％、磷≤0.020％、硫≤0.020％、以及铁96.85-98.41％。
2.根据权利要求1所述的中等强度钢轨，其特征在于，在所述中等强度钢轨中，所述硅和锰和铬的重量百分比的和小于等于1.9％。
3.根据权利要求2所述的中等强度钢轨，其特征在于，所述中等强度钢轨硬度为350-370HB。
4.根据权利要求3所述的中等强度钢轨，其特征在于，所述中等强度钢轨磨损量为≤0.40g。
5.一种中等强度钢轨生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，冶炼浇铸权利要求1-4中任一项所述的中等强度钢轨的钢坯；
步骤2，所述钢坯经过加热，轧制中等强度钢轨；
步骤3，利用轧制余热对所述中等强度钢轨进行热处理；
步骤4，对热处理后的所述中等强度钢轨全断面施加加速冷却。
6.根据权利要求5所述的中等强度钢轨生产方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述钢坯加热温度为1200-1250℃，均热段保温时间为150-240min。
7.根据权利要求6所述的中等强度钢轨生产方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述轧制余热温度为620-780℃。
8.根据权利要求7所述的中等强度钢轨生产方法，其特征在于，在所述步骤3中，对所述中等强度钢轨轨头踏面宽度50-60mm施加1-4℃/s冷却强度。
9.根据权利要求8所述的中等强度钢轨生产方法，其特征在于，在所述步骤3中，对所述中等强度钢轨轨头两侧宽度20-30mm施加2-6℃/s冷却强度。
10.根据权利要求9所述的中等强度钢轨生产方法，其特征在于，在所述步骤4中，对所述中等强度钢轨全断面施加1-3℃/s加速冷却。
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