CN115287442B - 一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法，该方法包括下列步骤：步骤1)：对经焊接后的钢轨焊接接头进行加热，将轨头加热至890‑980℃，控制轨底与轨头的温度差处于0‑50℃的温度区间；步骤2)：停止加热，并将钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到第一预定温度；步骤3)：对钢轨焊接接头施加冷却介质使钢轨焊接接头快速冷却至第二预定温度；步骤4)将步骤3)处理后的钢轨焊接接头自然冷却至室温。该方法能够优化焊接接头与母材的硬度匹配关系，有效改善高碳微合金化钢轨接头的力学性能。

Description

一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法
技术领域
本发明涉及铁路钢轨焊接技术领域，更具体地涉及一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法。
背景技术
从60年代开始，铁路公司为提高运输经济效益与线路运输能力，逐步将货车轴重从19t提高到25t、30t、32t，对36t轴重车辆的试验亦在进行之中。对于重载铁路列车(例如轴重在25t～40t)，所用钢轨的碳含量通常较高，要求其抗拉强度在1000MPa以上，在具有高强度、高硬度的同时保证耐磨性。随着货车平均轴重的逐年增加，轨道状态的恶化与部件伤损问题日益突出，为此工务部门对轨道结构采取了相应的加强与维修措施。目前，重载线路采用了焊接无缝钢轨，能够有效提高线路的稳定性。现阶段，钢轨无缝化已成为必然趋势。作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，影响行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路实际运营条件复杂性的影响，焊接长轨条的断裂大多发生在焊接接头上，因而焊接接头成为了无缝线路的薄弱环节。
对于含碳量较高的钢轨，受焊接热循环及焊后热处理等作用，在焊接接头及其热影响区域容易形成硬度骤变区域，并因接头硬度与母材硬度不匹配而导致焊接接头裂纹扩展，这会严重影响钢轨的服役性能，并危害铁路运行安全。
因此，铁路工程领域亟需一种针对高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法来解决焊接接头硬度匹配关系的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法以解决现有技术中存在的上述问题中的至少一项。该方法能够优化焊接接头硬度匹配关系，有效改善高碳微合金化钢轨接头的力学性能。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一方面，提供一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法，该方法包括下列步骤：
步骤1)：对经焊接后的钢轨焊接接头进行加热，将轨头加热至890-980℃，控制轨底与轨头的温度差处于0-50℃的温度区间；
步骤2)：停止加热，并将钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到第一预定温度；
步骤3)：对钢轨焊接接头施加冷却介质使钢轨焊接接头快速冷却至第二预定温度；
步骤4)将步骤3)处理后的钢轨焊接接头自然冷却至室温；
其中所述高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.7-0.90％的C，0.45-0.85％的Si，0.60-1.00％的Mn，0.10-0.60％的Cr，V、Nb、Ti中的至少一种，其中，V含量为0.02-0.10％，Ti含量为0.001-0.030％，Nb含量为0.005-0.08％，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的一个实施例，所述第一预定温度为700-880℃。
根据本发明的一个实施例，所述第二预定温度为380-490℃。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中的加热采用全断面加热。
根据本发明的一个实施例，所述全断面加热是对包含焊缝在内的长度为80-120mm范围内的钢轨焊接接头的整个截面进行加热。
根据本发明的一个实施例，步骤3)中施加的冷却介质包括压缩空气、雾、水雾混合气体中的至少一种。
根据本发明的一个实施例，步骤3)中的快速冷却所对应的冷却区域包括加热区以及加热区外两侧长度为80mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。
根据本发明的一个实施例，在步骤3)的快速冷却中，将轨头与轨底的温度差保持在0-70℃的温度区间内。
根据本发明的一个实施例，所述钢轨焊接接头是经移动闪光焊接或固定闪光焊接操作所获得的。
根据本发明的一个实施例，步骤1)中的加热操作采用中频感应加热装置进行加热。
由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果中的至少一项：
(1)采用本发明的热处理方法能够有效改善高碳微合金化钢轨接头的力学性能，优化焊接接头与母材的硬度匹配关系，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全；
(2)采用本发明的热处理方法能够显著改善高碳微合金化钢轨接头区域的硬度分布，使得HJ(焊接接头硬度平均值)≥0.9Hp(母材硬度平均值)，且软化区宽度w≤20mm。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为采用实施例1中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的高碳微合金化钢轨焊接接头的硬度曲线；
图2为采用对比例1中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的高碳微合金化钢轨焊接接头的硬度曲线。
图3为采用对比例2中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的高碳微合金化钢轨焊接接头的硬度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明中，术语“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内的长度为80-120mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。在本发明中，术语“室温”为5-40℃范围的温度。
本发明总体提供了一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法，该方法包括下列步骤：
步骤1)：对经焊接后的钢轨焊接接头进行加热，将轨头加热至890-980℃，控制轨底与轨头的温度差处于0-50℃的温度区间；
步骤2)：停止加热，并将钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到第一预定温度；
步骤3)：对钢轨焊接接头施加冷却介质使钢轨焊接接头快速冷却至第二预定温度；
步骤4)将步骤3)处理后的钢轨焊接接头自然冷却至室温；
其中高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.7-0.90％的C，0.45-0.85％的Si，0.60-1.00％的Mn，0.10-0.60％的Cr，V、Nb、Ti中的至少一种，其中，V含量为0.02-0.10％，Ti含量为0.001-0.030％，Nb含量为0.005-0.08％，余量为Fe和不可避免的杂质。
步骤1)中，可以采用中频感应加热装置将轨头加热至890-980℃。焊后热处理的正火热处理通常是指将金属工件加热至Ac3(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)以上30-50℃，保温一段时间后，将金属工件从炉中取出，并在空气中进行自然冷却、或喷雾、或喷压缩空气冷却。然而，钢轨焊接接头的焊后正火热处理与通常小尺寸工件使用的热处理工艺不同，因钢轨焊接后试样长度可长达数百米，这就决定了钢轨焊接接头的正火热处理不可能在达到目标温度(奥氏体化温度以上的温度)后进行长时间保温。因而，一般采用比常规正火温度稍高的温度作为钢轨焊接接头加热的目标温度。在加热期间，采用全断面加热的方式，全断面加热是对包含焊缝在内的长度为80-120mm范围内的钢轨焊接接头的整个截面进行加热。为了确保钢轨焊接接头在不同区域的晶粒尺寸的均匀性，需控制轨底与轨头的温度差处于0-50℃的温度区间。例如，轨底的加热温度需控制在850-940℃之间。通过对焊接接头的不同区域的加热温度分布进行控制可以改善焊接接头的晶粒均匀性，平缓焊接接头的硬度梯度。
在步骤2)中，当焊接接头加热完成后，停止加热，并将钢轨焊接接头在空气中静置冷却至第一预定温度。由于钢轨轨头的截面较大，在高温加热很容易使得表面温度较高，而心部温度较低，致使轨头心部与表面的温度很难相同。如果持续加热保温，虽然可以使得心部温度升高，但这也容易造成表面晶粒长大，降低接头强度。通过使焊接接头在空气中静置冷却，因加热后的钢轨接头仍处于高温(900℃以上)状态，静置时，接头表面被冷却，心部冷却速度较慢，可以延长心部组织由奥氏体向珠光体转变的时间，使整个焊缝的组织更加均匀，降低硬度梯度陡峭程度。而且，高温的钢轨焊接接头直接冷却会增加产生马氏体的可能，而马氏体是影响钢轨接头硬度的主要因素，静置过程有助于抑制接头硬度的增加，从而起到优化焊接接头与母材的硬度匹配关系的作用。其中，第一预定温度可以为700-880℃。
在步骤3)中，对钢轨焊接接头施加冷却介质使钢轨焊接接头快速冷却至第二预定温度，第二预定温度可以为380-490℃。施加的冷却介质包括压缩空气、雾、水雾混合气体中的至少一种，可以采用喷风装置来施加冷却介质。该快速冷却所对应的冷却区域包括加热区以及加热区外两侧长度为80mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。在快速冷却时，将轨头与轨底的温度差保持在0-70℃的温度区间内。通过控制轨头与轨底的冷却温度分布可以获得更均匀的组织结构和晶粒尺寸，确保焊接接头的硬度均匀。
可选地，本发明的焊后热处理方法可以用于采用各种焊接方法获得的焊接后残余温度较高的高碳微合金化钢轨焊接接头，例如经移动闪光焊接或固定闪光焊接操作所获得的钢轨焊接接头。
以下为根据本发明的高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法的具体实施例和对比例。除非另有说明，下列实施例中所使用的原料、设备、耗材等均可通过常规商业手段获得。
实施例1
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的高碳微合金化钢轨焊接接头进行自然冷却。其中获得该焊接接头的高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.9％的C，0.65％的Si，0.80％的Mn，0.50％的Cr，V含量为0.07％，Ti含量为0.015％，Nb含量为0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。当焊接接头冷却至200℃以下时，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。将钢轨加热至踏面温度达到920℃、轨底温度达到900℃时停止加热。然后将得到的钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到850℃，之后风冷至480℃，风冷期间，将轨头与轨底的温度差保持在50℃的温度区间内。再将焊接接头空冷至室温(约为23℃)。本实施例中，总加热时间为201s，总喷风时间为155s，从而得到经焊后热处理的高碳微合金化钢轨焊接接头。
将本实施例得到的高碳微合金化钢轨焊接接头机加工成硬度试样，并进行轨头踏面下5mm的洛氏硬度测量，硬度分布情况如图1所示。由接头纵断面硬度可知，母材硬度平均值(Hp)＝40.6HRC，焊接接头的硬度平均值(HJ)＝37HRC，左侧软化区宽度18mm，右侧软化区宽度19mm，焊接接头的硬度平均值(HJ)和热影响区宽度均满足标准要求。
实施例2
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的高碳微合金化钢轨焊接接头进行自然冷却。其中获得该焊接接头的高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.8％的C，0.45％的Si，0.60％的Mn，0.10％的Cr，V含量为0.02％，Ti含量为0.001％，Nb含量为0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。当焊接接头冷却至200℃以下时，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。将钢轨加热至踏面温度达到890℃、轨底温度达到850℃时停止加热。然后将得到的钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到700℃，之后风冷至380℃，风冷期间，将轨头与轨底的温度差保持在40℃的温度区间内。再将焊接接头空冷至室温(约为10℃)。本实施例中，总加热时间为195s，总喷风时间为135s，从而得到经焊后热处理的高碳微合金化钢轨焊接接头。
将本实施例得到的高碳微合金化钢轨焊接接头机加工成硬度试样，并进行轨头踏面下5mm的洛氏硬度测量，结果显示，母材硬度平均值(Hp)＝39.6HRC，焊接接头的硬度平均值(HJ)＝36.5HRC，左侧软化区宽度17mm，右侧软化区宽度18mm，焊接接头的硬度平均值(HJ)和热影响区宽度均满足标准要求。
实施例3
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的高碳微合金化钢轨焊接接头进行自然冷却。其中获得该焊接接头的高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.7％的C，0.85％的Si，1.00％的Mn，0.60％的Cr，Ti含量为0.003％，Nb含量为0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。当焊接接头冷却至200℃以下时，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。将钢轨加热至踏面温度达到980℃、轨底温度达到960℃时停止加热。然后将得到的钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到880℃，之后风冷至450℃，风冷期间，将轨头与轨底的温度差保持在10℃的温度区间内。再将焊接接头空冷至室温(约为33℃)。本实施例中，总加热时间为207s，总喷风时间为162s，从而得到经焊后热处理的高碳微合金化钢轨焊接接头。
将本实施例得到的高碳微合金化钢轨焊接接头机加工成硬度试样，并进行轨头踏面下5mm的洛氏硬度测量，结果显示母材硬度平均值(Hp)＝38.5HRC，焊接接头的硬度平均值(HJ)＝35.8HRC，左侧软化区宽度19mm，右侧软化区宽度18mm，焊接接头的硬度平均值(HJ)和热影响区宽度均满足标准要求。
对比例1
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的高碳微合金化钢轨焊接接头进行自然冷却。其中获得该焊接接头的高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.9％的C，0.65％的Si，0.80％的Mn，0.50％的Cr，V含量为0.07％，Ti含量为0.015％，Nb含量为0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。当焊接接头冷却至200℃时，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。当钢轨的踏面温度达到900℃时停止加热，然后将钢轨焊接接头进行风冷至500℃，最后将焊接接头空冷至室温(约为23℃)，从而得到对比例1的经焊后热处理的高碳微合金化钢轨焊接接头。
将本对比例得到的高碳微合金化钢轨焊接接头机加工成硬度试样，并进行轨头踏面下5mm的洛氏硬度测量，硬度分布情况如图2所示。由接头纵断面硬度可知，Hp＝40.9HRC，HJ＝36.8HRC，左侧软化区宽度18mm，右侧软化区宽度22mm，焊接接头的硬度平均值(HJ)和热影响区宽度均不满足标准要求。
对比例2
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的高碳微合金化钢轨焊接接头进行自然冷却。其中获得该焊接接头的高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.9％的C，0.65％的Si，0.80％的Mn，0.50％的Cr，V含量为0.07％，Ti含量为0.015％，Nb含量为0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。当焊接接头冷却至200℃时，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。当钢轨的踏面温度达到900℃、轨底温度为750℃时停止加热，然后将钢轨焊接接头进行风冷至520℃，风冷期间，控制踏面温度比轨底温度高100℃。最后将焊接接头空冷至室温(约为23℃)，从而得到对比例2的经焊后热处理的高碳微合金化钢轨焊接接头。
取本对比例得到的高碳微合金化钢轨焊接接头机加工成硬度试样，并进行轨头踏面下5mm的洛氏硬度测量，硬度分布情况如图3所示。由接头纵断面硬度可知，Hp＝40.9HRC，HJ＝36.9HRC，左侧软化区宽度22mm，右侧软化区宽度25mm，焊接接头的硬度平均值(HJ)接近标准，热影响区宽度不满足标准要求。
通过对上述实施例和对比例的结果分析可知，采用本发明所述焊后热处理方法，能够有效改善高碳微合金化钢轨接头的力学性能，优化焊接接头与母材的硬度匹配关系，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种高碳微合金化钢轨的焊后热处理方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1)：对经焊接后的钢轨焊接接头进行加热，将轨头加热至890-980℃，控制轨底与轨头的温度差处于0-50℃的温度区间；
步骤2)：停止加热，并将钢轨焊接接头在空气中静置至焊接接头温度达到第一预定温度，所述第一预定温度为700-880℃；
步骤3)：对钢轨焊接接头施加冷却介质使钢轨焊接接头快速冷却至第二预定温度，在快速冷却中，将轨头与轨底的温度差保持在0-70℃的温度区间内；
步骤4)将步骤3)处理后的钢轨焊接接头自然冷却至室温；
其中所述高碳微合金化钢轨包含按重量百分比计的以下组分：0.7-0.90％的C，0.45-0.85％的Si，0.60-1.00％的Mn，0.10-0.60％的Cr，V、Nb、Ti中的至少一种，其中，V含量为0.02-0.10％，Ti含量为0.001-0.030％，Nb含量为0.005-0.08％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定温度为380-490℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中的加热采用全断面加热。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述全断面加热是对包含焊缝在内的长度为80-120mm范围内的钢轨焊接接头的整个截面进行加热。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中施加的冷却介质包括压缩空气、雾、水雾混合气体中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中的快速冷却所对应的冷却区域包括加热区以及加热区外两侧长度为80mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢轨焊接接头是经移动闪光焊接或固定闪光焊接操作所获得的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中的加热操作采用中频感应加热装置进行加热。
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