CN115261722B - 一种低碳复相贝氏体钢轨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低碳复相贝氏体钢轨，按质量百分比，钢轨组成包括：C：0.14％‑0.19％，Si：1.40％‑1.60％，Mn：1.65％‑1.84％，Cr：0.60％‑0.90％，Mo：0.35％‑0.45％，V：0.02％‑0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％，所述钢轨的显微组织包括板条贝氏体铁素体，先共析铁素体，奥氏体以及马氏体，按体积百分比，所述贝氏体铁素体为75％‑85％，所述先共析铁素体为10％‑15％，所述奥氏体为3％‑8％，所述马氏体为小于3％。本发明还公开了一种低碳复相贝氏体钢轨的制备方法。本发明制备的成品钢轨抗拉强度在980‑1180MPa之间，延伸率不低于15％，具有优良的强韧综合力学性能，适用于非重载铁路的小曲线半径、线路条件苛刻、接触疲劳伤损突出路段。

Description

一种低碳复相贝氏体钢轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢轨制造技术领域，尤其涉及一种低碳复相贝氏体钢轨及其制备方法。
背景技术
铁路的快速发展对钢轨的服役性能提出了更高要求。目前，我国铁路主要采用碳含量0.70％-0.85％的碳素或微合金化钢轨，根据性能需求采用热轧空冷或在线热处理方式调节钢轨的性能。同时，也采用碳含量≥0.90％的过共析钢轨和碳含量为0.15％-0.30％的低碳微合金化贝氏体钢轨。
中国专利CN 106435367 A公开了一种贝氏体钢轨及其制备方法，该贝氏体钢轨的轨头上圆角部位的显微组织中的贝氏体铁素体片条的含量大于等于90％且所述贝氏体铁素体片条的宽度为0.3-0.8μm，薄膜状残余奥氏体的含量≤5％且所述薄膜状残余奥氏体的宽度小于0.1μm，马氏体的含量≤5％，获得该贝氏体钢轨的钢坯的化学成分需要满足以下条件：以所述钢坯的重量为基准，所述钢坯含有0.20％-0.30％的C，1.40％-1.60％的Si，1.85％-2.05％的Mn，1.00％-1.25％的Cr，0.30％-0.50％的Mo，0.07％-0.09％的V，并满足3.1％≤Mn+Cr≤3.3％。该专利内容中表明使用该方法制备的钢轨抗拉强度通常不低于1350MPa，适用于轴重大、运输密度高的重载铁路或大运量客货混运铁路。
中国专利CN 107130171 A公开了一种中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢、钢轨及制备方法，其中，贝氏体钢按质量百分比的组成包含：C：0.10％-0.40％，Mn：1.50％-3.00％-，Si:0.50％-1.50％，Cr：0.50％-1.50％，M o：0.35％-1.20％，Ni：0.50％-1.20％，Cu：0.25％-0.60％，S：≤0.010％，P：≤0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，显微组织主要为贝氏体/马氏体复相组织，其中，Ni/Cu＞1.8。该专利还公开了由该钢制备得到的中低碳高强高韧耐蚀贝氏体钢轨的制备方法，得到的钢轨兼具高的强度、韧性以及优异的耐腐蚀性。同样地，该专利认为优选的钢轨性能满足屈服强度RP0.2≥1150MPa，抗拉强度Rm≥1320MPa，延伸率A≥13％，冲击功AKU2(常温)≥80J，钢轨强韧性配合水平良好。
中国专利CN 110468347 A公开了一种高强韧性贝氏体钢轨及其制备方法、中国专利CN 108531833 A公开了一种耐腐蚀高强韧耐磨贝氏体钢轨及其生产方法，两项专利中抗拉强度要求分别为不低于1350MPa和1390MPa。
现有技术分析表明，贝氏体钢轨主要集中在抗拉强度1300MPa以上的高强度范围内，主要应用于以重载和大运量干线铁路为主的线路上，然而，对于非重载铁路的小曲线半径或线路条件苛刻路段，现有技术中的高强度钢轨不具备较好的适应性，为顺应铁路需求，需要提供一种强度适中、接触疲劳性能优良的钢轨。
因此，现有技术中存在对贝氏体钢轨及其制备方法改进的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种低碳复相贝氏体钢轨，按质量百分比，钢轨组成包括：
C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％，钢轨的显微组织包括板条贝氏体铁素体，先共析铁素体，奥氏体以及马氏体，按体积百分比，贝氏体铁素体为75％-85％，先共析铁素体为10％-15％，奥氏体为3％-8％，马氏体为小于3％。
本发明再一方面还提供了一种低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
制备钢坯，钢坯的组成按质量百分比包括：C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％；
将钢坯置于1150-1250℃的热炉中加热1.5-3h后轧制为钢轨；
将钢轨静置在空气中冷却，当钢轨轨头顶面中心温度降至780-820℃时分别向钢轨轨头喷吹冷却介质，使钢轨轨头顶面温度降至200-280℃，之后继续在空气中冷却至室温以得到低碳复相贝氏体钢轨。
在一些实施方式中，钢轨的断面为50kg/m-75kg/m。
在一些实施方式中，制备钢坯包括：通过铁水预处理工序、转炉冶炼工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序和连铸工序制备钢坯。
在一些实施方式中，对钢轨轨头喷吹冷却介质包括：对轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质。
在一些实施方式中，冷却介质为压缩空气或水雾混合气。
在一些实施方式中，冷却速度为2.0-5.0℃/s。
本发明至少具有以下有益技术效果：
本发明通过对原料的合理选择以及原料添加量的精确控制，进一步结合本发明的制备方法制备了一种强度适中、解除疲劳性能优良的钢轨，该成品钢轨抗拉强度在980-1180MPa之间，延伸率不低于15％，具有优良的强韧综合力学性能，适用于非重载铁路的小曲线半径、线路条件苛刻、接触疲劳伤损突出路段。
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。
图1为本发明提供的钢轨截面的实施例的示意图；
图2为本发明提供的低碳复相贝氏体钢轨的实施例的显微组织示意图。
图中：
1、轨头；1.1轨头顶面；1.2轨头侧面；1.3轨头下颚；2、轨腰；3、轨底。
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，后续实施例对此不再一一说明。
本发明一方面提供了一种低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、制备钢坯，钢坯的组成按质量百分比包括：C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％；
S2、将钢坯置于1150-1250℃的热炉中加热1.5-3h后轧制为截面50kg/m-75kg/m单重的钢轨；
S3、将钢轨静置在空气中冷却，当钢轨轨头顶面中心温度降至780-820℃时分别向钢轨轨头喷吹冷却介质，使钢轨轨头顶面温度降至200-280℃，之后继续在空气中冷却至室温，通过后续矫直、探伤、加工后可获得低碳复相贝氏体钢轨。
其中，S3中当钢轨轨头顶面中心温度降至780-820℃后再吹冷却介质的原因为当加速冷却开始温度超过820℃时，由于温度较高导致加速冷却介质的浪费；当加速冷却开始温度低于780℃时，已进入先共析铁素体析出温度范围，导致室温下先共析铁素体比例提高，无法获得本发明所需的显微组织。当钢轨轨头顶面温度降至200-280℃时停止加速冷却并继续空冷至室温。进行上述设定的原因是，当温度高于280℃时，尽管轨头表层及一定深度内获得了细化的显微组织，但轨头心部由于温度较高，将形成粗大的贝氏体组织，导致轨头断面组织与性能均匀性降低，恶化钢轨的服役性能；当温度低于200℃时，钢轨中马氏体组织的比例将大幅提高，室温下钢轨的抗拉强度将超过1180MPa。因此，加速冷却终止温度设定为200-280℃。冷却至室温的钢轨通过后续矫直、探伤、加工后可获得成品钢轨。
进一步地，制备钢坯包括：通过铁水预处理工序、转炉冶炼工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序和连铸工序并去除钢种S、H等有害杂质元素后制备钢坯。
进一步地，对钢轨轨头喷吹冷却介质包括：对轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质。为了便于理解，如图1所示为钢轨的截面图，钢轨包括轨头1、轨腰2和轨底3，轨头1包括轨头顶面1.1、轨头侧面1.2和轨头下颚1.3。在线热处理过程中，通过对轨头顶面1.1、两个轨头侧面1.2、轨头下颚1.3喷吹冷却介质使钢轨轨头加速冷却。
具体地，钢轨轨头的冷却部位包括轨头顶面1.1中心、两个轨头侧面1.2和两侧轨头下颚1.3共五个区域，采用上述冷却模式的原因是，钢轨轨头是与车轮接触，决定钢轨服役性能的区域，通过加速冷却，增加贝氏体铁素体板条的比例并使之进一步强化，减少残留奥氏体的比例并使其以薄膜状均匀分布在贝氏体铁素体板条之间，而加速冷却的效果直接决定室温下钢轨的显微组织构成及比例。相比于传统的钢轨轨头顶面与轨头两侧面的冷却方式，本发明采用轨头顶面、轨头两侧面、轨头下颚同步冷却的方式，可最大限度提高钢轨相变前及相变过程的热量散失，增加相变过冷度，从而获得所需的显微组织。
进一步地，冷却介质可根据需要选择压缩空气、水雾混合气体或水、压缩空气、水雾的多种组合，冷却速度为2.0-5.0℃/s。进行上述设定的原因是，当冷却速度低于2.0℃/s时，钢轨表层受冷却介质作用温度快速降低，但来自轨头心部的热量将由于温度差反补表层，无法充分发挥加速冷却增加相变过冷度与细化贝氏体铁素体板条组织的目的；当冷却速度高于5.0℃/s时，由于表层及表层下方一定深度内(通常5-10mm)冷速较快，将形成较多的硬而脆的马氏体组织，一方面无法获得本发明所述的组织类型及比例。另一方面该区域是与车轮接触、承受车轮载荷的关键区域，已产生早期裂纹和剥离伤损，降低钢轨的服役寿命。
本发明的另一方面提供了一种通过上述制备方法制备得到的低碳复相贝氏体钢轨，按质量百分比的组分包括:
C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％。
进一步地，如图2所示为本发明提供的低碳复相贝氏体钢轨的实施例的显微组织示意图。其中，按体积百分比，本发明的钢轨的显微组织包括75％-85％的板条贝氏体铁素体，10％-15％的先共析铁素体，3％-8％的奥氏体为，小于3％的马氏体。
使用本发明的方法制备的低碳复相贝氏体抗拉强度为980MPa-1180MPa、延伸率≥15％。
以下详述本发明所述钢轨主要化学元素限制在上述范围的原因。
碳(C)是贝氏体钢获得良好强韧性匹配和综合力学性能最重要的元素。当碳含量低于0.14％时，强化效果有限，钢轨强度低于980MPa，显微组织中先共析铁素体的比例超过15％，无法达到本发明所述的效果；当碳含量高于0.20％时，在本发明所述成分体系及热处理工艺下，钢的强度指标过高。因此，碳含量限定在0.14％-0.20％。
硅(Si)作为钢中的主要添加元素通常以固溶形式存在于铁素体中，能够提高组织强度。当硅含量低于1.40％时，钢中固溶量偏低，强化效果不明显，同时无法有效抑制碳化物析出，获得薄膜状残余奥氏体组织，无法达到本发明所述的显微组织控制目标；当硅含量高于1.60％时，碳化物析出已被充分抑制，钢轨表面易产生缺陷。因此，硅含量限定在1.40％-1.60％。
锰(Mn)能够显著降低贝氏体组织开始转变温度，是贝氏体钢中获得细化的贝氏体铁素体板条的重要合金化元素。当锰含量低于1.65％时，无法获得以贝氏体铁素体板条为主的显微组织；当锰含量高于1.84％时，将增加室温条件下马氏体组织的比例，同时局部微区偏析冷却至室温后易形成马氏体，无法获得本发明中马氏体体积分数＜3％的要求。因此，锰含量限定在1.65％-1.84％。
铬(Cr)的作用与Mn相似，添加到钢中可增加钢的淬透性并改善钢轨的耐磨损性能。当铬含量低于0.60％时，钢轨的耐磨损性能偏低；当铬含量高于0.90％，钢中马氏体比例及硬度进一步提高，无法获得本发明所需的显微组织组成。因此，铬含量限定在0.60％-0.90％。
钼(Mo)对于降低贝氏体组织开始转变温度具有极为显著的效果，并且有利于稳定和强化贝氏体组织。当钼含量低于0.35％时，难以达到上述效果；当钼含量高于0.45％时，轧后加速冷却条件下Mo在钢中促进贝氏体转变的作用有限。因此，钼含量限定在0.35％-0.45％。
钒(V)作为晶粒细化元素添加到钢中可进一步细化贝氏体铁素体板条，同步提高钢轨的强硬度与韧塑性指标。当钒含量低于0.02％时，晶粒细化效果不显著，钢轨强韧综合性能较低；当钒含量高于0.06％时，将恶化钢轨的冲击韧性，不利于钢轨获得更高的耐接触疲劳性能。因此，钒含量限定在0.02％-0.06％。
为确保本发明所述获得更优的服役性能，Mn+Cr需满足2.4％≤Mn％+Cr％≤2.7％。原因是，Mn和Cr在贝氏体钢中有相似的作用，在轧后空冷条件下，当Mn+Cr＜2.4％时，钢中贝氏体铁素体片条比例不足80％，先共析铁素体比例超过20％，无法获得本发明所述的显微组织组成和各项的比例；当Mn+Cr＞2.7％时，一方面钢轨强硬度过高，另一方面将导致钢轨局部严重偏析，难以确保钢轨组织及性能的均匀性。因此，Mn+Cr含量满足2.4％≤Mn％+Cr％≤2.7％。
下面通过具体的实施例对本发明进行具体的说明。
表1本发明六组实施例及对比例化学成分
Figure BDA0003771902570000081
将含有上述成分的钢坯均轧制为60kg/m钢轨后采用的热处理工艺如表2所示。对比例采用现有专利技术中的热处理工艺。
表2本发明中六组实施例及对比例热处理过程控制参数
Figure BDA0003771902570000082
注：D+2C+2E表示钢轨轨头顶面+轨头两侧面+轨头两侧下颚同时加速冷却；D+2C表示钢轨轨头顶面+轨头两侧面同时加速冷却。
将上述完成轧后处理的钢轨继续空冷至室温，经检验后得到如表3所示的拉伸力学性能和显微组织。
表3本发明六组实施例与对比例部分力学性能指标、显微组织组成及其体积分数
Figure BDA0003771902570000091
本发明同时选取了具有不同化学成分的六组钢轨进行对比，在实施例中，所采用的六种化学成分、加速冷却热处理工艺均为本发明中的方法；对比例中的化学成分及热处理工艺是现有专利公开的方法。表1至表3的对比结果表明，采用本专利所述方法通过特定的成分及工艺设计，获得贝氏体铁素体半条、先共析铁素体、残留奥氏体、马氏体比例合理调控的显微组织，成品钢轨抗拉强度在980-1180MPa之间，延伸率不低于15％，具有优良的强韧综合力学性能，适用于非重载的线路条件复杂与接触疲劳伤损突出路段。
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 (7)

1.一种低碳复相贝氏体钢轨，其特征在于，按质量百分比，所述钢轨组成包括：
C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％，所述钢轨的显微组织包括板条贝氏体铁素体，先共析铁素体，奥氏体以及马氏体，按体积百分比，所述贝氏体铁素体为75％-85％，所述先共析铁素体为10％-15％，所述奥氏体为3％-8％，所述马氏体为小于3％。
2.一种如权利要求1所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备钢坯，所述钢坯的组成按质量百分比包括：C：0.14％-0.19％，Si：1.40％-1.60％，Mn：1.65％-1.84％，Cr：0.60％-0.90％，Mo：0.35％-0.45％，V：0.02％-0.06％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，并且Mn和Cr的占比总和为2.4％≤Mn+Cr≤2.7％；
将所述钢坯置于1150-1250℃的热炉中加热1.5-3h后轧制为钢轨；
将所述钢轨静置在空气中冷却，当所述钢轨轨头顶面中心温度降至780-820℃时分别向钢轨轨头喷吹冷却介质，使所述钢轨轨头顶面温度降至200-280℃，之后继续在空气中冷却至室温以得到低碳复相贝氏体钢轨。
3.根据权利要求2所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，所述钢轨的断面为50kg/m-75kg/m。
4.根据权利要求2所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，制备钢坯包括：通过铁水预处理工序、转炉冶炼工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序和连铸工序制备所述钢坯。
5.根据权利要求2所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，对钢轨轨头喷吹冷却介质包括：对轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质。
6.根据权利要求2所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，所述冷却介质为压缩空气、水雾混合气体或水、压缩空气及水雾的任意组合。
7.根据权利要求2所述的低碳复相贝氏体钢轨的制备方法，其特征在于，所述冷却速度为2.0-5.0℃/s。
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