CN1154413A - 钢轨的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

包括轨头、轨腰和轨底的钢轨的热处理方法，包括：钢轨的每个截面连续地或同时地在高于钢的冶金加热变态终止时的温度被预热，以便同时地或连续地在钢轨的每个截面内的钢均匀地有同质的奥氏体结构；钢轨每个截面的相应于轨头的部分连续地或同时地被过热，以便钢轨的每个截面的上述部分的平均温度比钢轨相同截面的相应于轨底的部分的平均温度至少高40℃；钢轨的每个截面连续地或同时地在低于冷却变态终止时的温度被冷却，以便得到遍及钢轨截面的精细的珠光体结构；随意地允许钢轨的每个截面同时地或连续地冷却至周围环境的温度。

Description

钢轨的热处理方法
本发明涉及用高碳或低合金钢制成的铁路轨道的制造。
铁路轨道是一种长的轧制的钢产品，其外貌有火车轮子在其上面滚动的轨头，有预定用枕木将铁轨固定在地基上的轨底，有连结轨头和轨底的轨腰。轨头应该很硬，以便经受由于与车轮接触产生的磨损；轨腰和轨底应有充分的机械强度，以便确保恰当地支承轨头；此组合体至少在铺设前应是直的，以便确保好的运行质量。钢轨一般承受剩余的内部应力，内应力的分布对于脆性断裂方面的安全是非常重要的。钢轨有几个等级，尤其是以轨头的表面硬度、以轨腰和轨底的机械特性和以剩余内应力的分布相区分。这些不同要求的质量都要满足预定运载重量各异和速度各异的火车的轨道的生产条件。
为了制造预定运载重载火车或快速火车的钢轨，使用高碳、任选低合金、共析钢等材料，其化学组分按重量如国际铁路联盟标准860-0确定的包括，高达0.82％的碳，1.70％的锰，0.9％的硅，1.3％的铬，任选的细晶化元素，含量是铁和由生产引起的杂质。通过轧制半成品，接着部分或全部热处理，非必须地校直制成了铁轨。热处理预定至少给轨头一个很硬的精细的珠光体结构。
按照最初的工艺，在轧制和冷却后，通过加热到大约900℃和然后用吹风或喷水冷却的办法，使轨头局部奥氏体化。此工艺有两重缺点，在变态点AC1和AC3间的加热区中产生弱区，最重要的是引起很大的轨道形变，这就需要进行产生剩余应力的校直，此应力对钢轨使用性能方面是非常不利的。
为了克服这些缺点，已经有人提出，特别是在法国专利申请书No.2,603,306中，通过同时部分热处理轨底来补充轨头的热处理，以便轨底热处理产生的形变平衡轨头热处理产生的形变。这样就不再需要校直钢轨。然而，在此工艺中，轨腰没被处理，这样一方面轨腰与轨头的连接区，另一方面轨腰与轨底的连接区都因在变态点AC1和AC3间需要加热软化金属但未加热而变脆。
按照在法国专利No.2,109,121中叙述的另一工艺，通过或者在利用延迟加热的均匀奥氏体化后加速冷却，或者直接在轧制过程中使用的热量中加速冷却贯穿其整个厚度处理钢轨，从而得到很硬的精细的珠光体结构。这样得到的铁轨有均匀的结构并且在轨腰或在轨腰与轨头或轨底间的连接处没有弱区。然而在应用这一工艺过程中发现钢轨由于热处理而形变，尽管这是均匀的并为此事先平衡过，但还需要完成校直。校直产生的剩余应力减弱了钢轨的轨腰。
因为这些应力趋向于打开这些裂纹，所以因过度校直产生的剩余应力由于助长纵向裂纹的扩展而减弱了轨腰。为了评价钢轨轨腰对裂纹扩展的敏感性，进行一个在铁轨一端用锯切开一个切口并测量此切口边缘的间隔的试验。当切口边缘的间隔大于锯切口的厚度时，剩余应力倾向于促进裂纹的扩展，反之，剩余应力阻止裂纹的扩展甚至阻止裂纹的产生。
本发明的目的是通过提供一个用共析碳或低合金钢制作钢轨的制造工艺克服这些缺点，此工艺导致遍及整个钢轨截面的精细的珠光体结构和倾向于阻止钢轨轨腰中纵向裂纹扩展的剩余应力分布。为此，本发明的主题是钢轨热处理工艺，钢轨属于包括轨头、轨腰和轨底的那种类型，根据该方法：
-在高于制造钢轨的钢的冶金加热变态终止时的温度，连续地或同时地预热钢轨的每个截面，以便同时地或连续地在钢轨的每个截面中都均匀地具有同质的奥氏体结构；
-钢轨每个截面的相应于轨头的部分被连续地或同时地过热，结果钢轨每个截面的上述部分的平均温度比钢轨相同截面的相应于轨底的部分的平均温度至少高40℃，始终不超过1050℃，最好是1000℃；
-钢轨的每个截面连续地或同时地被冷却至冷却变态终止时的温度以下，以便得到遍及整个钢轨截面的精细的珠光体结构；
-钢轨的每个截面允许随意地同时或连续地冷却至周围环境的温度。
最好，在预热终止时，在钢轨每个截面上的每一点的温度比AC3高+100℃，AC3是制造钢轨的钢的慢速率加热变态温度。
在额外加热终止时，钢轨每个截面的相应于轨头的部分的平均温度比钢轨每个相同截面的相应于轨底的部分的平均温度至少高80℃。
钢轨的每个截面的预热最好是至少持续四分钟。预热可以包括交替连续的局部和均匀化预热，以便在预热终止时在钢轨的每个截面内得到最可能的均匀的温度分布。
在冷却过程中，最好是钢轨的表皮冷却速率在降至700℃过程中小于10℃/秒，并非必须地，钢轨的轨腰和轨底的表皮冷却速率在降至700℃过程中小于5℃/秒。
在冷却终止时钢轨轨头的表皮温度最好小于或等于400℃。
钢轨的热处理可以通过将钢轨相继经过一个预热装置、一个过热装置和一个冷却装置而被连续地完成。
预热装置可以是一个在频率大于或等于2000赫兹下运行的感应加热装置，并且它可包含多个被均衡区域分隔的加热区。
过热装置可以是一个最好在频率大于或等于1000赫兹下运行的感应加热装置。
冷却装置可至少由两个，最好由多个平行于钢轨的管子组成，这些管子装有多个能吹空气或喷雾的喷嘴，对于这些喷嘴是能相互独立或成组控制的。
现在参看附图详细但无任何限制地叙述本发明，其中，
-图1以透视方式表示一个通过热处理设备移动的钢轨，
-图2表示在热处理过程中在钢轨截面的各点上作为时间函数的温度变化的例子。
通过热轧共析碳或低合金钢半成品(其如在国际铁路联盟标准860-0中确定的化学组按重量包括高达0.82％的碳，1.70％的锰，0.9％的硅，1.3％的铬，随意地晶粒细化的元素，余量是铁和生产中产生的杂质)而得到的钢轨1包括轨头2，轨腰3和轨底4。轧制后，钢轨1冷却至周围环境温度，然后热处理赋予它最终的加工特性。例如，将钢轨通过图1中5表示的连续热处理设备类型的连续热处理设备完成热处理。热处理的目的是主要在轨头但也遍及钢轨整个厚度赋予钢轨一个很硬的精细的珠光体结构。热处理的另一个目的是在钢轨内产生阻止轨腰上纵向裂纹扩展的剩余应力。
热处理设备5包括，特别在入口和出口处的导向辊6，和连续地以这样顺序排列的用于预热钢轨1整个截面的装置7，用于补充加热轨头2的装置8，和用于加速冷却钢轨1整个截面的装置9。
预热装置7包括至少一个频率最好大于或等于2000赫兹的交流电供电的感应加热线圈10，随其后是自由空间11。这样加热装置包括交替相继的相应于线圈10的加热区和相应于自由空间11的均衡区。线圈连到本来已知因此未表示出的电源装置上；依照工艺规程冷水流可以通过线圈。
补充加热装置8包括一个在钢轨上纵向延伸并以本来已知的方式用交流电供电的U形感应器12，交流电的频率最好大于或等于1000赫兹。感应器12的前后设有导向辊13。
加速冷却装置9包括在钢轨轨头的移动线上纵向延伸的至少一个上管14，和在钢轨轨底的移动线下纵向延伸的下管15，以及最好在钢轨轨腰的移动线的任一侧纵向延伸的多个管16。每一管14、15、16装有多个能吹空气或喷雾的喷嘴17。喷嘴可以相互独立地或成组地控制，以便使其能独立调节在轨头、轨腰和轨底上冷却的强度和持续时间。
为了完成钢轨1的热处理，钢轨沿箭头的方向通过热处理装置5移动，以及钢轨的每个截面，包括轨头的有关部分、轨腰的有关部分和轨底的有关部分连续通过预热装置7、补充加热装置8和加速冷却装置9。
在通过热处理装置5期间，钢轨的每个截面经受一个图2所示类型的横座标是时间纵座标是温度的热处理周期。在此图中，曲线100表示轨底和轨腰的表皮热处理周期，曲线101表示位于轨底或轨腰核心上各点的热处理周期；曲线102和103表示相应于轨头的表皮和核心的热处理周期。
假设在时间t＝0，钢轨的任意截面进入预热装置7的第一线圈10中，钢轨截面在热处理全过程中经受的热处理周期可叙述如下：
在t＝0和钢轨的截面离开第一线圈10的时间t1之间，钢轨的整段截面被加热并达到几百度温度，例如500℃至600℃；表皮的加热比钢轨内部快，并且由于选择了线圈的电源电流的频率，相应于轨腰和轨底的那部分钢轨截面加热快，因此比相应于轨头的那部分钢轨截面达到较高的温度；
在时间t1和t2之间，钢轨的截面通过第一均衡区11，在此区内未被加热，由于钢轨内部的热扩散从而使表皮温度稍降低一些而核心温度稍增加一些，并且在轨头如在轨腰和在轨底一样核心的温度接近表皮的温度；
在时间t2和t3之间，钢轨的截面通过第二预热线圈10，为了使钢轨的整个截面获得奥氏体结构，此预热线圈加热截面使其各点的温度高于制造钢轨的钢的奥氏体加热变态终止时的温度；整个加热持续几分钟，一般小于5分钟，并在这些条件下，奥氏体热变态终止时的温度至少高于奥氏体慢加热变态终止时的温度AC3100℃；由于如前一样的理由，在时间t3轨腰和轨底的平均温度高于轨头的平均温度；
在时间t3和t4之间，钢轨的截面通过第二均衡区11，一方面在相应于轨头的钢轨的截面的那部分并且另一方面在相应于轨腰和轨底的钢轨截面的那部分进行温度均衡；为了获得很均匀的奥氏体不需要将钢轨加热到太高温度，那将会过于粗化晶粒，总的预热持续时间，也就是在t＝0和t＝t4间消耗的时间，最好是高于4分钟；
在时间t4和t5之间，钢轨的截面部分在轨头过热装置8下通过，于是相应于轨头的钢轨的截面部分被加热，以使它的平均温度达到T2，也就是比相应于轨腰和轨底的钢轨的那部分截面的平均温度T1至少高40℃，但不超过1050℃最好是1000℃，以便不引起奥氏体晶粒过分粗化；
在时间t5和t6之间，钢轨的截面通过均衡区而后进入加速冷却装置9，然后在时间t7离开加速冷却装置9；在通过加速冷却装置9过程中，钢轨截面的相应于轨头的部分在时间t7由表皮温度T3确定的条件下被冷却并以冷却速率Vr下降至表皮温度700℃；钢轨截面的相应于轨底和轨腰的部分比钢轨截面的相应于轨头的部分在能量上冷却得少，以便在加速冷却装置9的出口处，它的平均温度比钢轨截面的相应于轨头的部分的平均温度高；
在时间t7以后，钢轨在空气中自然冷却到周围环境的温度；在加速冷却装置9的出口处，因为钢轨截面的相应于轨头的部分的表皮温度显著地低于核心的温度，所以在自然空气冷却开始时观察到由于通过内部热量扩散钢轨内的温度均匀化而使表皮温度升高。
选择冷却速率Vr以及温度T3使所得到的结构是最硬的可能没有贝氏或马氏体痕迹的精细的珠光体。为此，冷却速率Vr应尽可能高但不能超过使其可能得到贝氏或马氏体结构的速率，而温度T3应足够低但为完成珠光体转变不能太低。T3应小于制造钢轨的钢的冷却变态终止时的温度。
热处理可以是完全的珠光体的淬火，在此情况下温度T3是周围环境的温度；热处理也可以是准等温处理，在这种情况下温度T3是几百度的量级。
对于轨底、轨腰和轨头，期望的结构和硬度可以是相同的，于是在这种情况下钢轨截面的相应于轨腰和轨底的部分的平均冷却速率接近于钢轨截面的相应于轨头的部分的平均冷却速率。另一方面，对于轨腰和轨底期望的硬度可以比对轨头小一些，在此情况下对相应于轨底和轨腰的钢轨截面部分比相应于轨头的钢轨截面部分设定的冷却速率低。最后，为了调节钢轨截面的相应于轨腰和轨底的部分在加速冷却终止时的温度，通过不开动面向钢轨轨腰或轨底排列并位于加速冷却装置出口端的喷嘴可以减少这部分的冷却时间。
特别应该依照制造钢轨的钢的连续冷却变态曲线图的具体特点来确定加速冷却的特定条件。实际上，对于讨论中的钢，相应于轨头的钢轨截面部分的表皮冷却速率Vr应该小于10℃/S，并且最好大于5℃/S；相应于轨底和轨腰的钢轨截面部分的平均冷却速率最好应小于5℃/S；最好在钢轨的截面部分的表皮离开加速冷却装置时的温度T3也应该小于400℃。
发明者观察到：在热处理过程中钢轨变形，但是当期望整个钢轨得到均匀的硬度，也就是说以可比较的速率冷却整节钢轨时，假如钢轨截面的相应于轨头的部分比钢轨截面的相应于轨底和轨腰的部分过热40°至80℃，钢轨在恢复到周围环境温度后有一点变形，在可能的轻微校直后，轨腰受到促进裂纹闭合的剩余应力。
发明者还观察到：在轨头比轨腰或轨底更硬化时，为了得到相同的结果过热应高于80℃，最好在100℃和200℃之间。
在所叙述的实施例中，预热在两个阶段进行，但也可直接或在两个以上阶段进行。
轨底的边缘很薄，在均匀化阶段期间自然冷却很快。例如在另外加热相应于轨头的钢轨截面部分过程中可以方便地实现相应于轨底的钢轨截面部分的补充加热。
所述实施例是钢轨的各个截面相继经受热处理的连续热处理。然而可以通过综合地预热钢轨实现热处理，例如在炉中，然后过热全部轨底和最后冷却整个钢轨。在此情况下，同时处理了钢轨的各个截面。
用第一个例子的方法制造的钢轨，其化学组成按重量计是C＝0.78％，Mn＝1.04％，Si＝0.44％，Cr＝0.22％，余量是铁和生产中引进的杂质。在预热终止时预热持续了4分钟20秒，轨腰和轨底的平均温度是880℃。在过热终止时，轨头的平均温度是985℃。轨底的表皮以9℃/S的速率冷却至380℃；轨底和轨腰以2℃/S速率冷却。在恢复到周围环境温度后，钢轨经受很轻微的校直。钢轨通体有精细的珠光体结构，轨头的硬度是377HBW而轨腰或轨底的硬度是340HBW。由锯切试验测量的轨腰开口大约是-1.2mm，而对按照先前工艺处理的相同钢轨，轨腰的开口是+2.2mm。
用第二个例子的方法制造的钢轨，其化学组成按重量计是C＝0.77％，Mn＝0.91％，Si＝0.66％，Cr＝0.49％，余量是铁和生产中引进的杂质。在预热终止时预热持续了4分钟30秒，轨腰和轨底的平均温度是890℃。在过热终止时，轨头的平均温度是940℃。轨底的表皮以7℃/S的速率冷却至350℃；轨底和轨腰以6℃/S的速率冷却。在恢复到周围环境温度后，钢轨经受很轻微的校直。钢轨通体有精细的珠光体结构，轨头、轨腰和轨底的硬度是390HBW。由锯切试验测量的轨腰开口大约是-0.9mm，而对于按照先前工艺处理的相同钢轨，轨腰的开口是+2.4mm。

Claims (13)

1.对一种包括轨头(2)、轨腰(3)和轨底(4)的钢轨(1)的热处理方法，其特征是：
-钢轨(1)的每个截面连续地或同时地在高于制造钢轨的钢材的冶金加热变态终止时的温度上被热处理，以便同时地或连续地在钢轨(1)每个截面上的钢均匀地有同质的奥氏体结构；
-每个截面的钢轨(1)相应于轨头(2)的部分连续地或同时地被过热，以便钢轨(1)的每个截面的上述部分的平均温度比钢轨(1)相同截面的相应于轨底(4)的部分的平均温度至少高40℃，但不超过1050℃最好是1000℃；
-钢轨(1)的每个截面连续地或同时地在低于制造钢轨的钢的冷却变态终止时的温度被冷却，以便得到遍及钢轨(1)截面的精细的珠光体结构；
随意地允许钢轨(1)的每个截面同时地或连续地冷却至周围环境温度。
2.依照权利要求1的方法，其特征是：在预热终止时，在钢轨(1)的每个截面内的每一点上温度比AC3高+100℃，AC3是制造钢轨(1)的钢的慢加热变态温度。
3.依照权利要求1或2的方法，其特征是：在额外加热终止时，钢轨(1)每个截面的相应于轨头(2)的部分的平均温度相同截面的相应于轨底(4)的部分的平均温度至少高80℃。
4.依照权利要求1至3中任一项的方法，其特征是：钢轨(1)的每一截面的预热至少持续4分钟。
5.依照权利要求4的方法，其特征是：预热包括交替连续的局部的和均匀化的预加热，以便在预热终止时在钢轨(1)的每个截面内得到最可能的均匀的温度分布。
6.依照权利要求1至5中任一项的方法，其特征是：在冷却过程中，钢轨(1)的表皮冷却速率以小于10℃/S降至700℃温度。
7.依照权利要求6的方法，其特征是：钢轨(1)的轨腰(3)和轨底(4)的表皮冷却速率以小于5℃/S降至700℃温度。
8.依照权利要求6或7的方法，其特征是：在冷却终止时，钢轨(1)的轨头(2)的表面温度小于或等于400℃。
9.依照前述权利要求中的任一项的方法，其特征是：钢轨(1)的热处理是将钢轨(1)连续通过预热装置(7)、过热装置(8)和冷却装置(9)而连续完成的。
10.依照权利要求9的方法，其特征是：预热装置(7)是一个在频率高于或等于2000赫兹下运行的感应加热装置。
11.依照权利要求10的方法，其特征是；预热装置(7)包括多个被均衡区分隔开的加热区。
12.依照权利要求9至11中任一项的方法，其特征是：过热装置(8)是一个在频率高于或等于1000赫兹下运行的感应加热装置。
13.依照权利要求9至12中任一项的方法，其特征是：冷却装置(9)包括至少两个最好是多个平行于钢轨的管子(14，15，16)，这些管子装有多个能吹空气或喷雾的喷嘴(17)，能彼此独立地或成组地控制这些喷嘴(17)。
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