CN115404333A - 一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，重点针对贝氏体钢轨组织转变特点，结合本发明成分钢轨CCT曲线中各关键温度点进行的工艺发明，结合铝热焊接头正火、回火及控制冷却，细化接头组织及晶粒度，改善带状组织偏析，从而提高接头强度和韧性；增加接头回火及控制冷却，可稳定接头组织、降低接头残余应力，改善接头带状组织偏析，进一步提高接头强度和韧性。
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铝热焊接头热处理工艺。
背景技术
目前我国大宗和长途货物的运输主要依靠货运铁路承担，铁路的货运能力直接影响着我国国民经济的发展。重载铁路是提升货运能力的最有效的途径，也是我国铁路发展的重要方向。随着重载铁路的发展，需要研发具有更优韧塑性、耐磨性、抗疲劳性的新钢种钢轨。而目前所用珠光体钢轨综合力学性能与焊接性能几乎发展到极限，由于贝氏体钢高强度与良好耐磨性、韧性的优异组合，因此，针对贝氏体钢轨各方面的研发势在必行。
钢轨焊接是无缝线路大范围应用的关键和前提。焊接接头的质量、性能、服役状态等直接影响到钢轨的应用和线路安全。如果焊缝金属不能跟母体钢轨很好地熔合,会导致焊接接头强度、硬度等性能达不到要求,给列车的运行带来安全隐患。目前钢轨焊接主要分析闪光焊、铝热焊、气压焊。铝热焊是依靠铝和氧化铁的铝热反应,产生大量热量,生成铁和氧化铝,获得钢水,对焊缝进行浇铸。铝热焊具有设备简易、成本低、短流程、高效率、质量较稳定等特点,适合现场流动作业、断轨在线修复和道岔焊接。铝热焊接可实现同时作业，且作业空间占用小，已经在无缝钢轨焊接中得到普遍应用。
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，不同焊接材料和焊接工艺条件下得到的焊缝金属的成分和微观组织不同,宏观表现为焊缝的力学性能等的差异。如果焊接工艺得到接头性能与母材差异较大时,会在接头处出现不均匀磨耗和接头伤损等现象，严重影响接头服役和无缝线路的安全。因此,理想的焊缝应该化学组成与母材相近、微观结构相近、力学性能相当。
针对贝氏体钢轨铝热焊热处理工艺问题，本发明结合试验研究和理论分析，对现有的热处理工艺进行了改进，提出了“控制冷却+回火”的焊后热处理工艺，由此使铝热焊接头熔合区、热影响区显微组织更稳定、更均匀，降低了接头的内应力，确保了铝热焊接头服役的安全性。
公开号为CN105364299A提供了一种贝氏体钢铝热焊的焊接材料及焊接工艺，其主要的提供了铝热焊接材料的成分范围和合金体系，针对热处理工艺部分公开了：将焊接头再次加热至900-1000℃，然后以小于5℃的速度冷却至室温。该工艺正火后未对接头控制其冷却速度，且未采取回火处理，接头硬度344HB，且接头强度和韧性指标并未提及。
公开号为CN112662861A提供了一种贝氏体钢轨铝热焊焊后热处理工艺，接头950-1000℃正火后，采用0.2～0.4℃/s的冷却速度保温缓冷处理，进一步对接头进行350℃回火处理，结合以上工艺得到的接头抗拉强度为941MPa，踏面硬度为339HBW，未提及接头韧性指，上述专利接头强度和硬度均低于本发明的945MPa和347HBW，且本发明提供了接头韧性指标，接头的延伸可达5.5％以上。
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铝热焊接头热处理工艺，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铝热焊接头热处理工艺，具体包括如下步骤：
1)、将高温焊态下的铝热焊接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变，接头≤250℃时可以适当的加速冷却；
2)、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；
3)、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至490-510℃；
4)、接头控制冷却至490-510℃后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；
5)、对铝热焊接头进行正火处理；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温；；
6)、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；
7)、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；
8)、对铝热焊接头进行回火处理；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
进一步的，所述步骤3)中，控制冷却至500℃。
进一步的，所述正火处理具体包括：1)、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2)、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至490-510℃；3)、接头控制冷却至490-510℃后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s；4)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
进一步的，所述回火处理具体包括：1)、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2)、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；3)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
进一步的，所述钢轨以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:0～0.80％，Mo:0.20～0.60％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe；以上成分经冶炼、轧制得到的钢轨生产，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；铝热焊剂主要成分与母材相同，从而保证接头与母材的组织和性能匹配。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明重点针对贝氏体钢轨组织转变特点，结合本发明成分钢轨CCT曲线中各关键温度点进行的工艺发明，结合铝热焊接头正火及控制冷却，细化接头组织及晶粒度，改善带状组织偏析，从而提高接头强度和韧性。增加接头回火及控制冷却，可稳定接头组织、降低接头残余应力，改善接头带状组织偏析，进一步提高接头强度和韧性。
本发明的铝热焊接头抗拉强度≥940MPa，接头延伸≥5.5％，接头硬度≥340HBW，接头实物疲劳2×106万次不断，其余力学性能均满足标准要求，金相组织更均匀，有效的减轻带状马氏体偏析带的分布。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为实施例3接头金相组织，其中图1a为焊缝显微组织(100X)，图1b为焊缝显微组织(500X)。
具体实施方式
本发明所焊接的钢轨以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:0～0.80％，Mo:0.20～0.60％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe。以上成分经冶炼、轧制得到的钢轨生产，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。铝热焊剂主要成分与母材相同，从而保证接头与母材的组织和性能匹配。
一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，包括：
将相同断面、相同成分、相同状态的两支钢轨打磨除锈、铝热焊接后，按照以下步骤进行接头热处理：
1)、将高温焊态下的铝热焊接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变，接头≤250℃时可以适当的加速冷却。
2)、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度。
3)、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至500℃左右。
4)、接头控制冷却至500℃左右后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调。
5)、对铝热焊接头进行正火处理，可细化接头组织及晶粒度，有效的提高接头强度和韧性；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。。
6)、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度。
7)、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调。
8)、对铝热焊接头进行回火处理，可稳定接头组织、降低接头残余应力及改善接头偏析，进一步提高接头强度和韧性；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。。
实施例过程中工艺对比：
表1实施例过程中不同热处理工艺对比
实施例1～实施例3，分别为贝氏体钢轨铝热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。由表1可知，相对于实施例1和实施例2，为了进一下提升接头强度、韧性，从细化组织、细化晶粒度和改善偏析等方面考虑，实施例3增加了接头正火后控制冷却(1、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至490-510℃；3、接头控制冷却至490-510℃后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s；4、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温)和接头回火后控制冷却(1、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；3、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温)。
将实施例1～实施例3，进行接头力学性能对比分析，参照TB/T1632.1-2014，对接头进行抗拉强度、硬度、实物疲劳对比分析。全部性能结果，见表2。
表2不同回火温度下接头性能对比
由表2可知，相比较于实施例1和实施例2，实施例3的接头抗拉强度、延伸率、踏面硬度结果均最高，接头具有优良的强韧性。铝热焊接头抗拉强度≥940MPa，接头延伸≥5.5％，接头硬度≥340HBW，接头实物疲劳2×106万次不断，其余力学性能均满足标准要求。实施例3的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。
实施例3焊缝处金相组织为贝氏体组织，且组织更均匀，有效的减轻带状马氏体偏析带的分布，见图1。
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 (5)
1.一种重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)、将高温焊态下的铝热焊接头空冷至200℃以下，保证接头每个位置都完全相变，接头≤250℃时可以适当的加速冷却；
2)、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；
3)、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至490-510℃；
4)、接头控制冷却至490-510℃后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；
5)、对铝热焊接头进行正火处理；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温；；
6)、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；
7)、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；
8)、对铝热焊接头进行回火处理；当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
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铝热焊接头热处理工艺，其特征在于：所述步骤3)中，控制冷却至500℃。
3.根据权利要求1所述的重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，其特征在于：所述正火处理具体包括：1)、使用加热装置将铝热焊接头加热到930-980℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2)、将接头以0.5-3℃/s的冷却速度，控制冷却至490-510℃；3)、接头控制冷却至490-510℃后，进行接头全断面缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s；4)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，其特征在于：所述回火处理具体包括：1)、使用加热装置将铝热焊接头加热到430-480℃，保温3-5min，使接头钢轨踏面下5-20mm范围内温度能加热到目标温度；2)、加热及保温后，对铝热焊接头全断面进行缓冷处理，控制接头冷却速度≤0.2℃/s，可根据生产实践情况进行微调；3)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然或加速冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的重载铁路用高强韧性贝氏体钢轨铝热焊接头热处理工艺，其特征在于：所述钢轨以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:0～0.80％，Mo:0.20～0.60％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe；以上成分经冶炼、轧制得到的钢轨生产，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；铝热焊剂主要成分与母材相同，从而保证接头与母材的组织和性能匹配。
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