CN114908296A - 一种高硬度在线热处理钢轨及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高硬度在线热处理钢轨，成分重量百分比为：C：0.74％～0.84％，Si：0.40％～0.70％，Mn：0.85％～1.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：0.30％～0.50％，Cu：0.10％～0.30％，Ni：0～0.20％，Nb:0～0.05％，V:0.01％～0.05％，Ti:0.005％～0.025％,Cu+Ni+Nb+V+Ti：0.20％～0.45％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的成分综合考虑强韧性匹配，通过加入Cu、Ni、Nb、V、Ti一种或多种微合金元素，细化组织、提高淬透性，避免单一化学成分较高带来偏析问题，提高珠光体组织的强度及硬度，提高钢轨硬度进而提高耐磨性，并具有良好的在线热处理和焊后热处理的工艺适应性。

Description

一种高硬度在线热处理钢轨及其制造方法
技术领域
本发明涉及重轨技术领域，特别涉及一种高硬度在线热处理钢轨及其制造方法。
背景技术
在线热处理钢轨主要用于重载铁路、货运专线路及客货混运等铁路，具有高硬度、高耐磨损、伤损低等特点。目前普遍采用是U75VH、H350的U77MnCrH、H370的U78CrVH等硬度等级H340-H370的在线热处理珠光体钢轨。在线热处理珠光体钢轨主要以C、Si、Mn、Cr、V等元素来实现强度及硬度的提高，通过增加钢中的C、Si成分含量，以及添加V、Cr的微合金钢轨，通过加速冷却轨头部位而制造的轨头硬化热处理钢轨，如U75VH，U77MnCrH、U78CrVH钢轨等，能够使钢轨硬度等级达到最高H370的水平，但在高运量、大轴重的铁路线路上存在耐磨性能不足和伤损问题；另一种方式是进一步提高钢中的碳含量，采用增加渗碳体密度的方式来增加钢轨高强耐磨性，并通过在线热处理细化晶粒得到过共析热处理钢轨，硬度等级可达到H400以上，但由于在线热处理钢轨采用的轨头加速冷却方式，通过热处理工艺可实现轨头区域无网状渗碳体析出，而未加速冷却的轨腰及轨底区域不可避免的产生网状渗碳体组织，该组织的存在会带来钢的韧性明显降低，同时钢轨焊接接头热处理时的组织调控难度也增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高硬度在线热处理钢轨及其制造方法，提高钢轨硬度进而提高耐磨性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高硬度在线热处理钢轨，成分重量百分比为：C：0.74％～0.84％，Si：0.40％～0.70％，Mn：0.85％～1.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：0.30％～0.50％，Cu：0.10％～0.30％，Ni：0～0.20％，Nb:0～0.05％，V:0.01％～0.05％，Ti:0.005％～0.025％,Cu+Ni+Nb+V+Ti：0.20％～0.45％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种高硬度在线热处理钢轨性能指标：屈服强度RP0.2＞800MPa，抗拉强度Rm≥1260MPa，延伸率A≥10％，平均硬度＞400HB。
上述各元素加入量(重量百分比)选择及其作用说明如下：
C是促进珠光体相变元素。在珠光体系钢轨中所含的C量低于0.74％，很难获得较高硬度的珠光体组织，C含量过高时容易在相变过程中产生先析渗碳体，使钢轨的韧性变差，形成疲劳源发生疲劳伤损问题，因此综合考虑强韧性匹配，本发明的钢轨中的C添加量限定在0.74％～0.84％。
Si是在铁素体相起到固溶强化作用，使珠光体组织的硬度(强度)上升，提高钢轨的耐磨性能，同时在冶炼过程中元素起到脱氧作用，Si含量过高使钢轨韧性降低，焊接性能变差，Si添加量限定在0.40％～0.70％。
Mn是性价比最高的相变型强化元素，固溶于铁素体起到强化作用，并提高钢的淬透性，但在加速冷却过程中，Mn的加入量较高时偏析位置极易生产马氏体组织。因此本发明中将Mn成分定为0.85％～1.25％。
Cr是显著提高钢的淬透性元素，通过降低钢的临界冷却速度，提高钢轨的强度、硬度和耐磨性，当Cr含量低于0.30％时，形成的碳化物硬度及比例较低，提高钢轨的耐磨损性能有限；当铬含量高于0.50％，易形成粗大的碳化物，降低钢轨的韧塑性。因此本发明Cr含量限定在0.30％～0.50％。
V可细化铁素体晶粒尺寸，提高珠光体组织的强度及硬度耐磨性。在热轧过程中如存在于奥氏体晶界或其它区域，以细化颗粒状的钒碳氮化物形式析出，抑制奥氏体晶粒的生长，从而达到细化晶粒提高性能的目的。当V含量过高，一方面增加生产成本，另一个方面易形成粗大的碳氮化物，降低钢轨的韧塑性。考虑到本发明所要获得的性能目标，V的添加量为0.01％-0.05％。
Cu是扩大奥氏体相区的元素，使钢的淬透性得到改善，在加入量不大于0.50％时，有利于提高钢的强度、耐磨性，对钢的焊接性无不良影响，考虑到本发明所要获得的性能目标，Cu的添加量为0.10％-0.30％。
Ni是具有扩大奥氏体区，降低钢中各元素的扩散速度，提高淬透性，同时改善含铜钢坯加热后的热加工性能，综合考虑Ni在钢中的作用和生产成本，将Ni含量控制在Ni0-0.20％。
复合加入Nb、V、Ti微合金元素，使钢轨在轧制温度范围内均能够析出一定Nb、V、Ti的碳氮化物，以抑制钢轨轧制时奥氏体再结晶晶粒的长大，从而通过热处理获得小尺寸珠光体团的组织结构。
一种高硬度在线热处理钢轨制造方法，工艺流程：连铸坯加热-开坯轧制-钢轨轧制-在线热处理-矫直加工，其中：
1)连铸坯均热温度为1280-1340℃，保温时间为1-1.5小时；
2)连铸坯开坯轧制采用孔型粗轧机，开轧温度1150-1200℃，轧制成轨型坯进入万能精轧机时的温度为1000-1050℃，终轧温度850-950℃，空冷至钢轨轨头表面温度为690-770℃；
3)在线热处理：步骤2)空冷后的钢轨分两个阶段采用压缩空气实施冷却，第一阶段：以平均冷却速度为2.5-4.0℃/s将钢轨轨头表面温度冷却至520-570℃，第二阶段：以平均冷却速度为1.5-3.0/s将钢轨轨头表面温度冷却至490-520℃，然后空冷至室温进行矫直加工。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明的成分综合考虑强韧性匹配，C-Si-Mn-Cr珠光体组织钢轨成分体系基础上，通过加入Cu、Ni、Nb、V、Ti一种或多种微合金元素，细化组织、提高淬透性，避免单一化学成分较高带来偏析问题，提高珠光体组织的强度及硬度，提高钢轨硬度进而提高耐磨性，并具有良好的在线热处理和焊后热处理的工艺适应性。
2)在线热处理不同冷速的情况下钢轨全断面显微组织均为珠光体+少量铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。组织及性能满足标准要求，热处理工艺适于批量稳定生产。
附图说明
图1为轨头显微组织图。
图2为轨腰显微组织图。
图3为轨底显微组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高硬度在线热处理钢轨，成分重量百分比为：C：0.74％～0.84％，Si：0.40％～0.70％，Mn：0.85％～1.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：0.30％～0.50％，Cu：0.10％～0.30％，Ni：0～0.20％，Nb:0～0.05％，V:0.01％～0.05％，Ti:0.005％～0.025％,Cu+Ni+Nb+V+Ti：0.20％～0.45％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种高硬度在线热处理钢轨制造方法，工艺流程：冶炼-连铸-连铸坯加热-开坯轧制-钢轨轧制-在线热处理-矫直加工，其中：
1)连铸坯均热温度为1280～1340℃，保温时间为1～1.5小时，此温度有利于连铸坯成分均匀化，过高温度可能造成连铸坯过热或在炉膛内发生弯曲，过低温度使连铸坯在后期轧制时钢轨温度降低，变形抗力增加，轧制规格难于控制。
2)连铸坯开坯轧制采用孔型粗轧机，开轧温度1150～1200℃，轧制成轨型坯进入万能精轧机时的温度为1000～1050℃，终轧温度850～950℃，空冷至钢轨轨头表面温度为690～770℃；
3)在线热处理：分两个阶段进行采用压缩空气实施冷却，第一阶段：以平均冷却速度为2.5～4.0℃/s将钢轨轨头表面温度冷却至520～570℃，第二阶段：以平均冷却速度为1.5～3.0/s将钢轨轨头表面温度冷却至490～520℃，然后空冷至室温进行矫直加工。保证钢轨在线热处理初期钢轨表层在较大冷速情况下强度及硬度提升，在后续冷却轨头心部冷却时适当降低冷却速度避免轨头内局部偏析位置冷速过大产生异常组织。
实施例
表1是对比例与本发明钢轨实施例的具体成分设计。
表1化学成分(Wt％)
Figure BDA0003670745480000041
Figure BDA0003670745480000051
工艺流程：冶炼-连铸-连铸坯加热-开坯轧制-钢轨轧制-在线热处理-矫直加工。
表2是对比例与本发明钢轨实施例在线热处理工艺。
表2热处理工艺
Figure BDA0003670745480000052
表3为对比例与本发明钢轨实施例的力学性能检验结果。
表3拉伸及硬度试验结果
Figure BDA0003670745480000053
对比例为U77MnCrH钢轨，经过在线热处理性能显著提升。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例子，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和基本精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种高硬度在线热处理钢轨，其特征在于，成分重量百分比为：C：0.74％～0.84％，Si：0.40％～0.70％，Mn：0.85％～1.25％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：0.30％～0.50％，Cu：0.10％～0.30％，Ni：0～0.20％，Nb:0～0.05％，V:0.01％～0.05％，Ti:0.005％～0.025％,Cu+Ni+Nb+V+Ti：0.20％～0.45％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度在线热处理钢轨性能指标：其特征在于，屈服强度RP0.2＞800MPa，抗拉强度Rm≥1260MPa，延伸率A≥10％，平均硬度＞400HB。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度在线热处理钢轨制造方法，工艺流程：连铸坯加热-开坯轧制-钢轨轧制-在线热处理-矫直加工，其特征在于，其中：
1)连铸坯均热温度为1280-1340℃，保温时间为1-1.5小时；
2)连铸坯开坯轧制采用孔型粗轧机，开轧温度1150-1200℃，轧制成轨型坯进入万能精轧机时的温度为1000-1050℃，终轧温度850-950℃，空冷至钢轨轨头表面温度为690-770℃；
3)在线热处理：步骤2)空冷后的钢轨分两个阶段采用压缩空气实施冷却，第一阶段：以平均冷却速度为2.5-4.0℃/s将钢轨轨头表面温度冷却至520-570℃，第二阶段：以平均冷却速度为1.5-3.0/s将钢轨轨头表面温度冷却至490-520℃，然后空冷至室温进行矫直加工。
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