CN114507772B - 一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明的目的是提供一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，针对贝氏体钢轨组织转变特点，结合钢轨CCT曲线中各关键温度点改设计的工艺，钢轨正火后将接头尽可能长时间的控制在贝氏体相变区间，保证一定的贝氏体组织比例，然后进行低碳马氏体组织转变；结合回火工艺，使接头具有机械性能优良的贝氏体+回火马氏体复相组织。使用本发明的接头热处理工艺后，可以保证焊接接头金相组织转变充分，降低焊缝及热影响区的残余应力，减轻或消除部分热影响区的马氏体偏析带，可有效的改善贝氏体钢轨焊缝与母材的性能匹配，提高焊缝综合力学性能和接触疲劳性能，从而有效的提高焊缝服役性能。
Description
技术领域
本发明涉及钢轨焊接技术领域，尤其涉及一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺。
背景技术
闪光焊接作为钢轨重要连接方式之一,被广泛应用于500米长轨条生产中。钢材的焊接性能主要受钢材化学成分的影响，我国贝氏体钢轨的研发都属于“低碳、高硅、高锰、中铬”和“低碳、中硅、高锰、中铬”的合金体系，钢轨合金含量明显高于珠光体钢轨。贝氏体钢轨由于合金含量高，焊接性较差，主要表现为：①焊接过热区缺陷较多。闪光焊的过热区存在沿奥氏体晶界的合金成分偏析，造成显微组织不均匀，接头脆性增加，和可能产生液化裂纹。②由于焊接属于局部加热，快速加热和冷却的非平衡过程，导致闪光焊接头内部的焊接残余应力高并且分布不均匀，尤其会在焊缝表面产生较大的拉应力，焊缝服役时容易产生表面裂纹甚至发生断裂。③由于焊接过程中合金的烧损，接头力学性能降低明显，接头无法体现出贝氏体钢轨高强韧性的特点，母材与接头性能匹配较差。
焊缝热处理工艺及方式是影响贝氏体焊接接头质量的主要原因，焊缝加热温度及冷却的方式不同，可能导致接头出现不均匀马氏体组织、液化裂纹和较高残余应力，贝氏体钢轨在热循环过程中材料的膨胀变化量是珠光体钢轨的4倍，膨胀变化量导致焊缝存在垂直方向的拉伸残余应力，所以贝氏体钢轨残余应力更高。经过轮轨接触应力循环作用下，在轨头踏面下0mm～8mm处，少量焊缝萌生水平裂纹，降低了接头抗滚动接触疲劳强度，严重影响贝氏体钢轨焊缝服役性能。且原有接头热处理工艺很难满足《TB/T 1632.2-2014钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中对接头力学性能和落锤的检验要求。
公开号为CN112695189A的专利，提供了一种贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，对常未经过任何热处理的贝氏体钢轨焊接接头进行550℃-650℃加热，接头自然冷却。此工艺并未将焊缝显微组织完全奥氏体化，使得接头抗拉强度仅为1210MPa、冲击仅为13J，未达到细化组织提高接头强度和韧性的目的。
公开号为CN110331275A的专利，提供了贝氏体钢轨焊后热处理方法，将贝氏体钢轨焊接接头进行第一冷却至260～350℃，然后加热至780～870℃，进行第二冷却至360～420℃，随即进行第三冷却至室温。此工艺得到焊缝平均硬度为钢轨母材的80～85％，不满足大于等于90％的标准要求，接头在上道服役过程中产生低塌，影响行车平稳性。
公开号为CN107385188B的专利，提供了贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法将接头自然冷却至150～250℃，第一冷却的接头加热至880～960℃后进行第二冷却，当冷却至180～250℃，随即进行第三冷却至室温。此工艺得到焊缝平均硬度为钢轨母材的87％，不满足大于等于90％的标准要求，且接头实物疲劳约300万次左右。
发明内容
本发明的目的是提供一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，使用本发明的接头热处理工艺后，可以保证焊接接头金相组织转变充分，降低焊缝及热影响区的残余应力，减轻或消除部分热影响区的马氏体偏析带，可有效的改善贝氏体钢轨焊缝与母材的性能匹配，提高焊缝综合力学性能和接触疲劳性能，从而有效的提高焊缝服役性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，包括：
1)、将高温的焊态接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变，接头≤280℃时加速冷却；
2)、使用接头正火机感应加热，选用65～75kW低频功率加热140～165s，将接头由0～200℃加热到820～860℃；选用低频加热保证钢轨轨头心部能加热到所需的温度；
3)、立即将正火机调至45～55kW高频功率加热90～120s，将接头由820～860℃加热到880～940℃；选用高频加热保证钢轨轨头踏面下0-15mm范围内温度能加热到目标温度；
4)、接头到达880～940℃温度后，停止加热，立即将接头以≤0.20℃/s的冷却速度保温缓冷处理；接头正火后尽可能长时间的控制在贝氏体相变区间，保证一定的贝氏体组织比例，然后进行低碳马氏体组织转变，使接头具有较高的强韧性；
5)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温；
6)、使用接头全断面回火机火焰加热，选用丙烷(输出气压：0.04～0.07MPa)、氧气(输出气压：0.15～0.3MPa)混合气体加热9～15min，将接头由室温加热到500～600℃；由于钢轨为异形端面，接头回火处理对温度及时间控制要求高，加热过程中要尽可能的保证钢轨焊缝各位置以相同的速度、温度加热，从而保证焊缝组织转变同时性，降低回火处理带来的头、腰、底应力不均现象。
7)、接头到达500～600℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温。对接头500～600℃回火后，热影响区的条带马氏体分布明显改善，接头的强度和硬度略有下降，韧性提高，得到适于与母材匹配的强度、硬度、韧性。当接头回火温度增加到500℃以上时,残余应力下降至稳定值，可以消除接头马氏体组织造成的残余应力，由此可以降低热影响区应力，使马氏体充分回火，使接头具有机械性能优良的贝氏体+回火马氏体复相组织。
进一步的，所焊接的钢轨以C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.35％，Si：0.60～1.50％，Mn：1.50～3.0％，Cr：0.45～1.30％，Ni:0.20～0.80％，Mo:0.20～0.60％，Nb：0～0.06％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe。
进一步的，钢轨的轧制压缩比不应小于9：1，终轧温度不应高于950℃，从而保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。
进一步的，进行处理工艺前将相同断面的两支钢轨打磨除锈、闪光焊接后再进行接头热处理。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
通过本发明的工艺得到接头平均硬度为钢轨母材的90％，满足标准要求，接头抗拉强度≥1296MPa，接头延伸≥8.5％，接头冲击≥32J，接头实物疲劳约510万次左右，接头残余应力降低到83MPa左右，金相组织更均匀，有效的减轻带状马氏体偏析带的分布，
本发明重点针对贝氏体钢轨组织转变特点，结合钢轨CCT曲线中各关键温度点进行的工艺发明，钢轨正火后将接头尽可能长时间的控制在贝氏体相变区间，使钢轨在贝氏体区间进行充分的组织转变，保证一定的贝氏体组织比例，从而使接头具有较高的韧性，然后进行低碳马氏体组织转变，使接头具有一定的强度和硬度。结合回火工艺，使接头具有机械性能优良的贝氏体+回火马氏体复相组织。
使用本发明后可有效的提高贝氏体钢轨焊缝各项力学性能，降低焊缝及热影响区的残余应力，改善了接头加热不充分、冷速过快而导致的热影响区马氏体偏析带，降低了不稳定残余奥氏体含量，使轨头踏面下0-15mm位置处热影响区的贝氏体、马氏体复相组织更加均匀分布，改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度差过大或接头微观组织异常而导致的钢轨焊接接头“鞍型”磨耗及早期疲劳断裂,保证铁路运行安全。本发明全断面加热保证钢轨每个位置进行长时间、同步的等温转变，从而达到组织均匀、应力均匀的目的，从而使接头具有高强度、高塑性、高韧性、高接触疲劳性能等特点。
本发明在重载铁路大秦线的实际应用中已得到证明，使用本发明后闪光焊接头的疲劳裂纹、水平裂纹、不均匀磨损等情况的产生已经得到了有效控制。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为不同实施例工业接头金相组织。
具体实施例方式
一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，将相同断面的两支钢轨打磨除锈、闪光焊接后，按照以下步骤进行接头热处理：
1).将焊态的接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变。
2).使用接头正火机感应加热，选用65～75kW低频功率加热140～165s，将接头由0～200℃加热到820～860℃。
3).立即将正火机调至45～55kW高频功率加热90～120s，将接头由820～860℃加热到880～940℃。
4).接头到达880～940℃温度后，停止加热，立即将接头以≤0.20℃/s的冷却速度保温缓冷处理。
5).当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温。
6).使用接头全断面回火机火焰加热，选用丙烷(输出气压：0.04～0.07MPa)、氧气(输出气压：0.15～0.3MPa)混合气体加热9～15min，将接头由室温加热到500～600℃。
7).接头到达500～600℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温。
实施过程中工艺对比：
表1实施过程中不同热处理工艺对比
实施例1～实施例3，分别为贝氏体钢轨闪光焊接工艺研发过程中，进行生产工艺改进，针对不同阶段实施例的接头热处理工艺，进行性能和组织分析。
将实施例1～实施例3进行接头力学性能对比分析，见表2～表4。
表2实施例1接头硬度
表3实施例2接头硬度
表4实施例3接头硬度
由表2～表4可知，实施例1中HJ/HP＝0.95接头硬度较高满足标准要求，但实际使用过程中发现，过高的接头硬度在重载条件下，距轨顶踏面约0-8mm处容易出现水平裂纹。实施例2中HJ/HP＝0.85接头硬度不满足标准要求，接头在服役过程中出现接头低塌现象。实施例3中HJ/HP＝0.90，实施例3得到了与母材匹配的最佳接头硬度，从而保证了接头在重载铁路应用过程中优良服役性能，避免接头硬度差过小出现的轨头裂纹和硬度大导致的接头“马鞍型”磨耗等情况。
表5不同回火温度下接头性能对比
由表5可知，实施例3的接头延伸率、焊缝平均冲击、实物疲劳循环次数最高，焊缝残余应力最低。相比较于实施例1和实施例2，实施例3得到的接头韧性最高、疲劳性能最高、残余应力最低，接头的强韧性与母材匹配最近，从而更好的在重载铁路上发挥贝氏体钢轨和焊缝高强韧的特点。
焊缝由于合金烧损，碳当量相对较低，主要以贝氏体为主，局部存在少量铁素体。热影响区处的带状组织中，亮带为马氏体偏析带(Mn和Cr合金含量较高)，因此硬度较高，韧性相对较低，内部残余应力也较高由图1可知，相比较于实施例1和实施例2，实施例3金相组织可知，焊缝及热影响区组织转变更充分，有效的减轻带状马氏体偏析带的分布，使得接头贝氏体和马氏体复相组织均匀，从而降低组织间的内应力，有效的降低焊缝水平裂纹产生率，提高焊缝疲劳强度。
从重载铁路大秦线试铺效果来看，采用本发明的贝氏体钢轨闪光焊接头均未出现伤损，焊缝疲劳裂纹、水平裂纹、不均匀磨损等情况已经得到了有效控制和明显改善。
以上所述的实施例例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：包括：
1）、将高温的焊态接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变，接头≤280℃时加速冷却；
2）、使用接头正火机感应加热，选用65～75kW低频功率加热140～165s，将接头由0～200℃加热到820～860℃；选用低频加热保证钢轨轨头心部能加热到所需的温度；
3）、立即将正火机调至45～55kW高频功率加热90～120s，将接头由820～860℃加热到880～940℃；选用高频加热保证钢轨轨头踏面下0-15mm范围内温度能加热到目标温度；
4）、接头到达880～940℃温度后，停止加热，立即将接头以≤0.20℃/s的冷却速度保温缓冷处理；接头正火后尽可能长时间的控制在贝氏体相变区间，保证一定的贝氏体组织比例，然后进行低碳马氏体组织转变，使接头具有较高的强韧性；
5）、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温；
6）、使用接头全断面回火机火焰加热，选用输出气压：0.04～0.07MPa的丙烷、输出气压：0.15～0.3MPa的氧气的混合气体加热9～15min，将接头由室温加热到500～600℃；
7）、接头到达500～600℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温；
所焊接的钢轨以C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.35%，Si：0.60～1.50%，Mn：1.50～3.0%，Cr：0.45～1.30%，Ni:0.20～0.80%，Mo:0.20～0.60%，Nb：0～0.06%,P≤0.022%，S≤0.015%，Al：≤0.010%，其余为Fe；
进行处理工艺前将相同断面的两支钢轨打磨除锈、闪光焊接后再进行接头热处理。
2.根据权利要求1所述的重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：钢轨的轧制压缩比不应小于9：1，终轧温度不应高于950℃，从而保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。
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