CN113981330A - 耐腐蚀钢轨和耐腐蚀钢轨的检测方法 - Google Patents

耐腐蚀钢轨和耐腐蚀钢轨的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐腐蚀钢轨，按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70‑1.20％、Cu：0.03‑0.70％、P：0.010‑0.030％、Cr：0.10‑0.30％、Mo：0.01‑0.02％、Sn：0.001‑0.02％、As：0.01‑0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。该耐腐蚀钢轨踏面硬度介于350‑380HB，钢轨100‑800h内耐腐蚀速率为2‑5g/m2·h，相比相同等级碳素钢轨耐蚀性能提高10‑40％，钢轨踏面硬度介于350‑380HB之间，特别适宜沿海客货混匀铁路线路。

Description

耐腐蚀钢轨和耐腐蚀钢轨的检测方法
技术领域
本发明涉及一种钢轨制备领域，特别涉及一种耐腐蚀钢轨和耐腐蚀钢轨的检测方法。
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
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀钢轨，该耐腐蚀钢轨踏面硬度介于350-380HB，钢轨100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h，相比相同等级碳素钢轨耐蚀性能提高10-40％，钢轨踏面硬度介于350-380HB之间，特别适宜沿海客货混匀铁路线路。
本发明的目的还在于提供一种耐腐蚀钢轨的检测方法。
为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种耐腐蚀钢轨，按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70-1.20％、Cu：0.03-0.70％、P：0.010-0.030％、Cr：0.10-0.30％、Mo：0.01-0.02％、Sn：0.001-0.02％、As：0.01-0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70％、Cu：0.03％、P：0.010％、Cr：0.10％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.003％；H：1.1ppm、O：8ppm、N：35ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.80％、Cu：0.1％、P：0.015％、Cr：0.15％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.006％；H：1.0ppm、O：7ppm、N：36ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.90％、Cu：0.3％、P：0.020％、Cr：0.2％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.008％；H：1.0ppm、O：6ppm、N：35ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：1.10％、Cu：0.5％、P：0.025％、Cr：0.25％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.010％；H：0.9ppm、O：8ppm、N：34ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：1.20％、Cu：0.7％、P：0.030％、Cr：0.30％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.012％；H：0.8ppm、O：7ppm、N：36ppm；其余为Fe和微量杂质。
根据本发明的一实施方式，其中，100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h；
和/或，踏面硬度介于350-380HB之间，抗拉强度≥1070MPa,延伸率≥10％。
根据本发明的另一方面，提供了一种耐腐蚀钢轨的检测方法包括对C含量为0.70-1.20％的钢轨钢在冶炼过程中，添加0.03-0.70％的Cu、0.010-0.030％的P、0.10-0.30％的Cr和其它化学成分，采用RH真空处理；以及钢轨经保护浇铸、钢坯奥氏体均匀化，轧制及利用轧制余热施加1-4℃/s的强制冷却风压。
根据本发明的一实施方式，其中，钢坯加热温度为1200-1220℃，均热段保温时间为150-240min。
根据本发明的一实施方式，其中，所述耐腐蚀钢轨的检测方法包括在周期浸润腐蚀试验箱上进行周期浸润腐蚀试验；进行100h、200h、300h、400h、500h、600h、700h和800h八个周期的试验，每进行一个周期后取一次试样；每种钢取平行试样4个，从中选取3个利用缓蚀液在室温下进行酸洗除锈，铁锈去除干净后用无水乙醇清洗并吹干称重；以及通过(W0-W1)/Sρ计算腐蚀率，其中，W1为吹干称重的重量，W0为试样腐蚀前的原始重量，S为试样腐蚀面积，ρ为铁的密度。
优选地，所述耐腐蚀钢轨的检测方法的实验条件包括腐蚀试验液为3％NaCl溶液，液槽内温度为42℃±2℃，相对湿度为70±5％，周浸轮转速为1圈/60分钟，单个干湿循环进行80分钟，浸湿时间为18分钟，非浸湿时间为62分钟。
本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
本发明的耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70-1.20％、Cu：0.03-0.70％、P：0.010-0.030％、Cr：0.10-0.30％、Mo：0.01-0.02％、Sn：0.001-0.02％、As：0.01-0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。该耐腐蚀钢轨踏面硬度介于350-380HB，钢轨100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h，相比相同等级碳素钢轨耐蚀性能提高10-40％，钢轨踏面硬度介于350-380HB之间，特别适宜沿海客货混运铁路线路。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种耐腐蚀钢轨检测方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
为生产单重≤60kg/m，强度级别为H350-H370级钢轨，本发明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,以满足低成本高性能钢轨使用要求。
随着世界铁路高速发展，钢轨使用环境越发苛刻，如沿海湿润性、低温度潮湿环境、高纬度寒冷等等区域。为适应不同环境区域，需要开发具有针对性钢轨。国内外沿海和潮湿区域，钢轨的腐蚀问题一直是一个不可忽视的问题，每年更换费接近数亿元。
在钢轨耐蚀方面，全世界虽然开展了针对性的研究，但成本较高、工序复杂和效果欠佳。如钢轨表面喷涂耐腐蚀合金或是耐腐蚀有机物，成本和工序明显偏高，使用一段时间后，表面耐蚀物质脱落后钢轨耐蚀效果欠佳。
通过国内外文献调研，钢轨中添加微量的Cu-P-Cr，有助于提高钢轨基体的耐蚀性能，满足绝大部分铁路线路用耐蚀钢轨使用需求。
耐蚀钢轨之所以较碳素钢轨有较好的抗大气腐蚀性能，主要是由于耐蚀钢轨中合金元素的作用。合金元素对抗大气腐蚀性能的提高主要起以下作用：
(1)阻碍锈层晶粒长大；
(2)增加锈层电阻；
(3)沉积并覆盖钢基体表面；
(4)阻碍腐蚀产物结晶，促进致密锈层生成；
(5)促使钢在腐蚀初期均匀溶解，从而形成均匀厚度的锈层。
具体化学成分对钢轨耐蚀的影响如下：
C：碳是提高强度最经济有效的合金元素，对组织和性能影响极大。C含量每增加0.1％，抗拉强度Rm大约提高90MPa，碳对提高钢强度的作用非常明显。
综上所述，为了提高耐蚀钢轨耐蚀性，必须降低碳含量，但是为了保证其性能，碳含量也不能过低。
Cu：在钢中加入Cu时，具有较普碳钢优越的耐蚀性能。它可以在钢的表面及锈层中富集，在腐蚀层和铜的富集层之间形成一薄层紧密的氧化铜中间层，可以减缓或阻止腐蚀介质的继续向内侵蚀。从而形成保护性较好的锈层保护钢的基体。
铜对钢力学性能的影响大致归纳为两个方面：1)固溶强化，它在此方面仅次于磷而略强于硅；2)经过固溶和时效处理后，产生沉淀强化作用。
P：是提高钢耐蚀性能最有效的合金元素之一，有助于在钢表面形成均匀厚度的锈层，促进生成致密保护膜。
碳含量越高，则磷所引起的脆性就越大。所以尽管钢中存在一定的磷有利于耐蚀性，由于其在钢中的偏析及脆性，与耐蚀钢轨要求高韧性相悖，所以钢轨磷含量中必须低。对于钢轨高焊接性要求，钢轨中的磷尽可能的低。
S:硫在钢坯凝固过程中，随着钢液的凝固，硫将向未凝固的液体部分富集。结果在钢坯最后凝固的部位(钢坯心部、上部及枝状组织之间)将含有较多的硫化物夹杂，使钢的宏观组织极不均匀。使得钢的延展性及韧性降低。因此钢轨中硫含量尽可能的低。
Cr：能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。
铬和铁形成连续的固溶体，与碳形成多种碳化物，铬能显著提高钢的淬透性，对钢的性能有显著的影响。铬是具有钝化倾向的元素，因此一定成分的铬加入钢中，使钢具有抗腐蚀性和抗氧化性的能力。当含铬钢受某种介质侵蚀时，在钢件的表面形成了一层氧化膜，这层薄膜叫做钝化膜，钝化膜在有利的条件下它是致密的、不被溶解的，而且当它被破坏了，还能自行恢复。
Cu、P、Cr元素在钢轨中形成稳定的内锈层，这个内层是耐候钢锈层保护作用的主体。
本发明实施例的耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含C：0.70-1.20％、Cu：0.03-0.70％、P：0.010-0.030％、Cr：0.10-0.30％、Mo：0.01-0.02％、Sn：0.001-0.02％、As：0.01-0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。
其中，还有上述化学成分的钢轨，提高强韧性，同时大幅度提高钢轨的耐腐蚀性能。满足沿海客货混匀铁路线路。
在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，涉及一种中等强度低成本耐腐蚀钢轨及其检测方法,对碳含量为0.70-1.20％的钢轨钢在冶炼过程中,添加0.03-0.70％的Cu、0.010-0.030％的P和0.10-0.30％的Cr，采用RH真空处理。钢轨经保护浇铸、钢坯奥氏体均匀化，轧制及利用轧制余热施加1-4℃/s的强制冷却风压。其所生产的钢轨100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h，相比相同等级碳素钢轨耐蚀性能提高30-60％，钢轨踏面硬度介于350-380HB之间，抗拉强度≥1070Mpa，延伸率≥10％，特别适宜沿海客运铁路线路。
本发明设计5个实施例和2个对比例，采用上述方法进行试验。具体如下：
表1实施例和对比例钢轨化学成分/％
Figure BDA0003326081730000061
Figure BDA0003326081730000071
表2实施例和对比例钢轨残余元素成分/％
Figure BDA0003326081730000072
实施例和对比例采用相同的冶炼工艺，钢轨经过1200-1250℃，均热段保温时间介于150-240min之间加热、轧制及热处理、矫直。按照TB/T2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》在实施例和对比例轨头位置加工轨头踏面硬度试样和拉伸试样。在布氏硬度试样机上，按照HBW10/3000检验轨头踏面硬度硬度，检验结果如表3所示。
表3实施例和对比例钢轨轨头踏面硬度
Figure BDA0003326081730000073
在对比例和实施例上取周期浸润腐蚀试样，在RCC-IIZJX-010T型周期浸润腐蚀试验箱上进行，试验条件为腐蚀试验液为3％NaCl溶液，液槽内温度42℃±2℃，相对湿度为70±5％，周浸轮转速为1圈/60分钟，每个干湿循环为80分钟，浸湿时间为18分钟，非浸湿时间为62分钟，试验进行100h、200h、300h、400h、500h、600h、700h和800h八个周期。每进行一个周期后取一次试样，每种钢取平行试样4个，从平行试样中取出3个用缓蚀液在室温进行酸洗除锈，铁锈去除干净后用无水乙醇清洗，然后吹干称重记为W1，通过(W0-W1)/Sρ(其中W0为试样腐蚀前的原始重量，S为试样腐蚀面积，ρ为铁的密度)计算腐蚀率。
表4实施例和对比例钢轨腐蚀速率测量
Figure BDA0003326081730000081
Figure BDA0003326081730000091
综上所述，本发明中中等强度钢轨及其检测方法提供了生产轨头拉伸性能和腐蚀测试分析方法，提升钢轨的综合使用性能要求。
本发明的耐腐蚀钢轨按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70-1.20％、Cu：0.03-0.70％、P：0.010-0.030％、Cr：0.10-0.30％、Mo：0.01-0.02％、Sn：0.001-0.02％、As：0.01-0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。从中取5个实施例，并设计2个对比例。通过添加Cu+Cr+P复合耐蚀微合金化中等强度钢轨检测方法，得出耐腐蚀钢轨踏面硬度介于350-380HB，钢轨100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h，相比相同等级碳素钢轨耐蚀性能提高10-40％，钢轨踏面硬度介于350-380HB之间，特别适宜沿海客货混运铁路线路。
在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可折卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：
C：0.70-1.20％、Cu：0.03-0.70％、P：0.010-0.030％、Cr：0.10-0.30％、Mo：0.01-0.02％、Sn：0.001-0.02％、As：0.01-0.02％、S：≤0.012％；H：≤2.0ppm、O：≤20ppm、N：≤60ppm；其余为Fe和微量杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.70％、Cu：0.03％、P：0.010％、Cr：0.10％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.003％；H：1.1ppm、O：8ppm、N：35ppm；其余为Fe和微量杂质。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.80％、Cu：0.1％、P：0.015％、Cr：0.15％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.006％；H：1.0ppm、O：7ppm、N：36ppm；其余为Fe和微量杂质。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：C：0.90％、Cu：0.3％、P：0.020％、Cr：0.2％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.008％；H：1.0ppm、O：6ppm、N：35ppm；其余为Fe和微量杂质。
5.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：C：1.10％、Cu：0.5％、P：0.025％、Cr：0.25％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.010％；H：0.9ppm、O：8ppm、N：34ppm；其余为Fe和微量杂质。
6.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包含：C：1.20％、Cu：0.7％、P：0.030％、Cr：0.30％、Mo：0.01％、Sn：0.02％、As：0.012％、S：0.012％；H：0.8ppm、O：7ppm、N：36ppm；其余为Fe和微量杂质。
7.根据权利要求1所述的耐腐蚀钢轨，其特征在于，100-800h内耐腐蚀速率为2-5g/m2·h；
和/或，踏面硬度介于350-380HB之间，抗拉强度≥1070MPa,延伸率≥10％。
8.一种耐腐蚀钢轨的检测方法，其特征在于，包括：
对C含量为0.70-1.20％的钢轨钢在冶炼过程中，添加0.03-0.70％的Cu、0.010-0.030％的P、0.10-0.30％的Cr和其它化学成分，采用RH真空处理；以及
钢轨经保护浇铸、钢坯奥氏体均匀化，轧制及利用轧制余热施加1-4℃/s的强制冷却风压。
9.根据权利要求8所述的耐腐蚀钢轨的检测方法，其特征在于，钢坯加热温度为1200-1220℃，均热段保温时间为150-240min。
10.一种耐腐蚀钢轨的检测方法，其特征在于，包括：
在周期浸润腐蚀试验箱上进行周期浸润腐蚀试验；
进行100h、200h、300h、400h、500h、600h、700h和800h八个周期的试验，每进行一个周期后取一次试样；
每种钢取平行试样4个，从中选取3个利用缓蚀液在室温下进行酸洗除锈，铁锈去除干净后用无水乙醇清洗并吹干称重；以及
通过(W0-W1)/Sρ计算腐蚀率，其中，W1为吹干称重的重量，W0为试样腐蚀前的原始重量，S为试样腐蚀面积，ρ为铁的密度；
优选地，实验条件包括：腐蚀试验液为3％NaCl溶液，液槽内温度为42℃±2℃，相对湿度为70±5％，周浸轮转速为1圈/60分钟，单个干湿循环进行80分钟，浸湿时间为18分钟，非浸湿时间为62分钟。
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