CN115216612A - 一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，钢轨热处理工艺包括：钢轨经过终轧后，当轨头踏面温度降至750‑800℃时，进入热处理机组，对钢轨轨头采用水雾冷却，对钢轨轨头继续采用喷风冷却至150‑200℃，冷却速率1‑3℃/s，将钢轨冷却至室温；钢轨进行回火处理，保温时间5‑10h；钢轨空冷至室温后进行二次回火处理，保温时间5‑8h。本发明实施例采用在线热处理技术进行生产，使得贝氏体钢轨组织更加均匀细化，同时控制残余奥氏体及马氏体组织含量，保证强度和韧塑性指标大幅度提升，因此经过适当热处理工艺生产的贝氏体钢轨可以同时兼具高强度和高韧塑性，较珠光体钢轨更适合应用于重载线路及道岔等对钢轨韧塑性要求高的地段。
Description
技术领域
本发明涉及于钢轨制造技术领域，尤其涉及钢轨热处理技术领域，具体涉及一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺。
背景技术
随着我国重载铁路的快速发展，对钢轨运输效率和安全性提出了更高要求，目前我国铁路主要采用珠光体钢轨，珠光体钢轨具有优良的耐磨性能，但同时珠光体钢轨由于其高碳含量及组织特性，难以进一步提升其韧塑性，尤其是断裂韧性和冲击性能；因此在服役条件苛刻的重载线路及道岔轨铺设区域，珠光体钢轨由于存在强韧性匹配不足的问题，容易造成钢轨提前失效。因此为了满足铁路发展的需求，兼具更高强度和韧性的贝氏体钢轨得到了重视和开发。
中国专利CN202111148102.4公布了一种水风交替控制冷却贝氏体钢轨热处理工艺，钢轨经终轧后进行了五个阶段热处理控制，得到具有高力学性能和高耐磨性的钢轨，但五个阶段热处理涉及反复的水雾和风冷，设备操作难度大，生产过程难以控制。
而中国专利CN202111009110.0公布了一种高强韧性60AT1贝氏体道岔钢轨及其热处理工艺，钢轨按质量百分数计其化学成分包括：C 0.12-0.30％；Si 0.60-1.20％；Mn1.60-2.30％；P≤0.025％；S≤0.025％；Cr 0.50-1.0％；Mo 0.20-0.60％；Ni 0.20-0.60％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢坯加热后轧制成道岔轨，之后经过喷风冷却、矫直和回火，得到高韧性道岔轨。
同时，中国专利CN202110517476.2公开了一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，通过控制钢轨在不同温度阶段的冷却速度，避免上贝氏体、粒状贝氏体这些性能较差的组织，从而使钢轨具有高强性能。但热处理工艺涉及四段水雾和喷风交替冷却，操作难度较大。
中国专利CN202011383398.3公开了一种贝氏体钢及其制备方法与用途，贝氏体钢由以下成分组成：C 0.20-0.30wt％，Si 0.3-1wt％，Mn 1.5-1.8wt％，Cr 0.4-0.7wt％，Mo0.15-0.25wt％，Ni 0.8-1.4wt％，V 0.1-0.15wt％，N 100-150ppm，余量为Fe以及不可避免的杂质。该贝氏体钢轨通过控冷得到合适晶粒尺寸，从而获得优良性能。但该发明主要针对贝氏体钢进行成分设计，最终成品为贝氏体钢坯，并未涉及钢轨的轧制及热处理等后续处理，而钢坯在轧制后续过程中会发生性能显著变化，因此该发明难以应用于钢轨生产。
中国专利CN202011512250.5公开了一种细晶高强韧性贝氏体钢制备方法，钢轨原子百分比含量的主要元素：0.30-0.40％C，0.7-1.6％Mn，1.4-1.8％Si，0.8-1.3％Cr，0.2-0.5％Mo，0.8-1.6％Al，余量为Fe。该钢轨经过两段加速冷却后空冷至室温。但是该发明只针对加速冷却过程，并没有回火工艺，而回火工艺作为常见的热处理手段，既能降低贝氏体钢轨内应力，又能使得组织中残余奥氏体等亚稳定相更加稳定，减少钢轨异常组织产生，对提升钢轨性能及服役稳定性有重要作用。
因此，针对以上现有技术的问题，需要提出一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，可以使贝氏体钢轨在具有高强度的同时兼具高韧塑性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种改进的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，可以使贝氏体钢轨在具有高强度的同时兼具高韧塑性。
基于上述目的，一方面，本发明提供了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的，高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺包括以下步骤：
步骤S10，钢轨经过终轧后，当轨头踏面温度降至750-800℃时，进入热处理机组，对钢轨轨头采用水雾冷却；
步骤S20，对钢轨轨头继续采用喷风冷却至150-200℃，冷却速率1-3℃/s；
步骤S30，将步骤S20中钢轨冷却至室温；
步骤S40，步骤S30中钢轨进行回火处理，保温时间5-10h；
步骤S50，步骤S40中钢轨空冷至室温后进行二次回火处理，保温时间5-8h。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％；Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S10中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度降至350-450℃。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S10中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度时，冷却速率6-8℃/s。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度时，冷却速率6℃/s。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S40中，钢轨进行回火处理时，回火温度300-350℃。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S40中，钢轨进行回火处理时，回火温度350℃。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S50中，钢轨空冷至室温后进行二次回火处理时，回火温度320-350℃。
在根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的一些实施例中，在步骤S50中，钢轨空冷至室温后进行二次回火处理时，回火温度320℃。
本发明至少具有以下有益技术效果：本发明实施例采用在线热处理技术进行生产，使得贝氏体钢轨组织更加均匀细化，同时控制残余奥氏体及马氏体组织含量，保证强度和韧塑性指标大幅度提升。此外，回火工艺可以使得钢轨中贝氏体板条中析出少量碳化物，保证钢中残余奥氏体稳定性得到增加，降低钢轨残余应力，提升钢轨的韧性。因此经过适当热处理工艺生产的贝氏体钢轨可以同时兼具高强度和高韧塑性，较珠光体钢轨更适合应用于重载线路及道岔等对钢轨韧塑性要求高的地段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
在图中：
图1示出了根据本发明的高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺的实现流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称的非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。
简单地说，本发明提出了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的。
本发明中，贝氏体钢轨均采用低碳含量设计，同时添加多种合金元素实现贝氏体组织性能优化。为了满足重载线路用轨需求的高强度和高韧塑性，贝氏体钢轨需采用在线热处理技术进行生产，使得贝氏体钢轨组织更加均匀细化，同时控制残余奥氏体及马氏体组织含量，保证强度和韧塑性指标大幅度提升。此外，回火工艺可以使得钢轨中贝氏体板条中析出少量碳化物，保证钢中残余奥氏体稳定性得到增加，降低钢轨残余应力，提升钢轨的韧性。因此经过适当热处理工艺生产的贝氏体钢轨可以同时兼具高强度和高韧塑性，较珠光体钢轨更适合应用于重载线路及道岔等对钢轨韧塑性要求高的地段。
实施例1
本发明提出了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的，如图1所示，高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺具体包括：
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至750℃时进入热处理机组，采用水雾冷却，直至轨头温度降至350℃，水雾冷却速率6℃/s。
步骤S20、钢轨采用喷风冷却至轨头温度为150℃，冷速3℃/s。
步骤S30、钢轨空冷至室温。
步骤S40、钢轨进行回火处理，回火温度300℃，保温时间5h。
步骤S50、钢轨空冷至室温后进行二次回火，回火温度350℃，保温时间8h。
在本实施例中，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％；Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
连铸钢坯入炉加热温度为1250-1300℃，保温时间≥4h，连铸坯加热后进行多道次轧制形成钢轨，终轧温度≥850℃。
实施例2
本发明提出了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的，如图1所示，高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺具体包括：
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至800℃时进入热处理机组，采用水雾冷却，直至轨头温度降至450℃，水雾冷却速率8℃/s。
步骤S20、钢轨采用喷风冷却至轨头温度为200℃，冷速2℃/s。
步骤S30、钢轨空冷至室温。
步骤S40、钢轨进行回火处理，回火温度350℃，保温时间10h。
步骤S50、钢轨空冷至室温后进行二次回火，回火温度320℃，保温时间5h。
在本实施例中，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％；Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
连铸钢坯入炉加热温度为1250-1300℃，保温时间≥4h，连铸坯加热后进行多道次轧制形成钢轨，终轧温度≥850℃。
实施例3
本发明提出了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的，如图1所示，高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺具体包括：
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至780℃时进入热处理机组，采用水雾冷却，直至轨头温度降至400℃，水雾冷却速率7℃/s。
步骤S20、钢轨采用喷风冷却至轨头温度为170℃，冷速1℃/s。
步骤S30、钢轨空冷至室温。
步骤S40、钢轨进行回火处理，回火温度320℃，保温时间8h。
步骤S50、钢轨空冷至室温后进行二次回火，回火温度340℃，保温时间6h。
在本实施例中，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％；Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
连铸钢坯入炉加热温度为1250-1300℃，保温时间≥4h，连铸坯加热后进行多道次轧制形成钢轨，终轧温度≥850℃。
实施例4
本发明提出了一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，通过水雾和喷风多步骤冷却和二次回火工艺，提升钢轨的强韧性和残余奥氏体的稳定性，以实现提升贝氏体钢轨服役性能的目的，如图1所示，高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺具体包括：
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至750℃时进入热处理机组，采用水雾冷却，直至轨头温度降至370℃，水雾冷却速率6℃/s。
步骤S20、钢轨采用喷风冷却至轨头温度为180℃，冷速3℃/s。
步骤S30、钢轨空冷至室温。
步骤S40、钢轨进行回火处理，回火温度330℃，保温时间7h。
步骤S50、钢轨空冷至室温后进行二次回火，回火温度330℃，保温时间7h。
在本实施例中，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％；Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
连铸钢坯入炉加热温度为1250-1300℃，保温时间≥4h，连铸坯加热后进行多道次轧制形成钢轨，终轧温度≥850℃。
对比例1
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至750℃时进入热处理机组，采用喷风冷却至轨头温度为150℃，冷速2.0℃/s。
步骤S20、钢轨空冷至室温。
步骤S30、钢轨进行回火处理，回火温度350℃，保温时间4h。
对比例2
步骤S10、钢轨轧制后，待轨头踏面温度降至750℃时进入热处理机组，采用喷风冷却至轨头温度为250℃，冷速1.7℃/s。
步骤S20、钢轨空冷至室温。
步骤S30、钢轨进行回火处理，回火温度280℃，保温时间6h。
本发明同时选取了具有不同工艺的六组贝氏体钢轨进行对比。在实施例中，四种钢轨的热处理和回火工艺均采用本发明方法；对比例中，两种钢轨热处理工艺均依据常规钢轨要求设计，钢轨性能测试结果如表1所示。
表1钢轨性能测试表
表中列出的对比结果表明，普通工艺生产钢轨强度和韧塑性较差，而采用本发明工艺的钢轨整体强韧性均有明显提升，本发明中，贝氏体钢轨均采用低碳含量设计，同时添加多种合金元素实现贝氏体组织性能优化。为了满足重载线路用轨需求的高强度和高韧塑性，贝氏体钢轨需采用在线热处理技术进行生产，使得贝氏体钢轨组织更加均匀细化，同时控制残余奥氏体及马氏体组织含量，保证强度和韧塑性指标大幅度提升。此外，回火工艺可以使得钢轨中贝氏体板条中析出少量碳化物，保证钢中残余奥氏体稳定性得到增加，降低钢轨残余应力，提升钢轨的韧性。因此经过适当热处理工艺生产的贝氏体钢轨可以同时兼具高强度和高韧塑性，较珠光体钢轨更适合应用于重载线路及道岔等对钢轨韧塑性要求高的地段。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、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)
1.一种高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺，其特征在于，所述高强高韧性贝氏体钢轨热处理工艺包括以下步骤：
步骤S10，钢轨经过终轧后，当轨头踏面温度降至750-800℃时，进入热处理机组，对钢轨轨头采用水雾冷却；
步骤S20，对钢轨轨头继续采用喷风冷却至150-200℃，冷却速率1-3℃/s；
步骤S30，将步骤S20中钢轨冷却至室温；
步骤S40，步骤S30中钢轨进行回火处理，保温时间5-10h；
步骤S50，步骤S40中钢轨空冷至室温后进行二次回火处理，保温时间5-8h。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，钢轨以质量百分计，且钢轨化学成分包括：C：0.20-0.30％；Si：0.7-1.5％；Mn：1.5-2.5％；Cr：0.7-1.5％；Ni：0.3-0.7％。
3.根据权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于，钢轨化学成分还包括：Mo：0.2-0.6％；P≤0.025％；S≤0.025％；Al：≤0.010％。
4.根据权利要求1至3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S10中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度降至350-450℃。
5.根据权利要求1至3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S10中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度时，冷却速率6-8℃/s。
6.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S10中，对钢轨轨头采用水雾冷却至轨头温度时，冷却速率6℃/s。
7.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S40中，钢轨进行回火处理时，回火温度300-350℃。
8.根据权利要求7所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S40中，钢轨进行回火处理时，回火温度350℃。
9.根据权利要求1至3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，在步骤S50中，钢轨空冷至室温后进行二次回火处理时，回火温度320-350℃。
10.根据权利要求9所述的热处理工艺，其特征在于，连铸钢坯入炉加热温度为1250-1300℃，保温时间≥4h，连铸坯加热后进行多道次轧制形成钢轨，终轧温度≥850℃。
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| WO2018006845A1 (zh) * | 2016-07-06 | 2018-01-11 | 马钢(集团)控股有限公司 | 一种高韧性轨道交通用贝氏体钢车轮及其制造方法 |
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