CN115537651A - 一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高速铁路用钢轨技术领域，尤其涉及一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法。C：0.60％～0.90％，Si：0.50％～1.00％，Mn：0.60％～1.90％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.25％，Sb：0.001％～0.015％，Cu：0.01％～0.10％，V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.20％、Ti：0.01％～0.10％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质；所述钢轨抗拉强度1220～1280MPa，屈服强度650～750MPa，延伸率≥11％；轨头表面布氏硬度HBW：365～385，轨头横截面洛氏硬度HRC：A1、B1、C1、D1、E1为37～39，A4、B5、C5、D3、E3为35～36；‑20℃断裂韧性最小平均值为32MPa·m1/2。具有优异的强韧性、硬度指标，适用于2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路铺设。

Description

一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法
技术领域
本发明涉及高速铁路用钢轨技术领域，尤其涉及一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法。
背景技术
高速铁路是设计标准等级高、能让列车高速运行的铁路系统。钢轨作为引导列车运行并将车轮载荷传递给道床的关键部件，其质量的优劣直接影响高速铁路的行车安全和运行效率。高速铁路上运行的列车，在平直路段高速行驶时，对钢轨冲击和磨损很低，钢轨使用寿命相对较长，而在弯道曲线半径较小的路段行驶时，需要降低车速运行，这时轮轨之间摩擦系数增加，钢轨侧磨相对严重。
以2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路正线区段的钢轨为例，由于高速列车在该曲线路段速度降低，导致钢轨侧磨严重，同时货运列车轴重较大，装满货物在该路段运行会加重钢轨侧磨和表面磨损，又由于货运列车与高速列车反复以不同的方式对钢轨进行反复冲击，轮轨间接触力往复作用，钢轨鱼鳞纹数量和面积显著增加，转化成表面微裂纹，裂纹沿着裂纹源不断向两侧扩展，最后导致钢轨剥离掉块，严重时发生钢轨断裂危险，危及列车的行车安全。
提升2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路正线区段的钢轨使用寿命，提高钢轨维护时间周期，降低钢轨维护费用成本成为丞待解决的技术问题。
CN101921950B公开了“用于高速和准高速铁路的钢轨”，该技术中钢轨在室温下组织为珠光体和15％～50％铁素体(优选地为珠光体和15％～30％铁素体)的均匀混合组织，断后延伸率≥15％，屈服强度(REl)≥550MPa，抗拉强度(Rm)≤1000MPa，-20℃时的断裂韧性KIC≥40MPam1/2，表面硬度≤300HB，该技术钢轨抗拉强度较低，适用于直线路段，不适用于曲线路段。
CN104195433B公开了“一种高强韧性珠光体钢轨及其生产方法”，该技术中钢轨抗拉强度不超过1120MPa，这对于铺设于曲线小半径路段不能很好地起到耐磨作用。
CN104561816B公开了“一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨及其生产方法”，该技术表明涉及的钢轨抗拉强度介于1260MPa～1420MPa，主要用于重载铁路。
CN105063490B公开了“一种高速铁路用钢轨及其生产方法和应用”，该技术涉及的钢轨硬度为290～319HB，适用于直线路段，用于曲线路段是耐磨性能较低。
CN110592496B公开了“一种珠光体钢轨钢及其制备方法”、CN112501512A公开了“一种控轧控冷高强度珠光体钢轨及其生产方法”，涉及的钢轨更适用于重载铁路。
CN107739806A公开了“高韧塑性过共析钢轨及其制造方法”，涉及的钢轨为过共析钢轨，用于重载铁路。
CN107475616A公开了“高强韧性珠光体钢轨及其制造方法”、CN107675083B公开了“强韧性珠光体钢轨及其制造方法”，涉及钢轨具有一定的强度和硬度，但都着重强调热处理工艺，对合金与热处理综合作用没有描述。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法，在不显著增加生产成本的基础上，生产出适用于2800米及以下半径的时速高于 200千米的兼顾货运的高速铁路正线区段的高强韧性、高硬耐磨、抗接触疲劳性能优于现有铺设的钢轨的一种在线热处理钢轨。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨，由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.60％～0.90％，Si：0.50％～1.00％，Mn：0.60％～1.90％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.25％，Sb：0.001％～0.015％，Cu：0.01％～0.10％，V：0.01％～0.20％、 Nb：0.01％～0.20％、Ti：0.01％～0.10％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述钢轨抗拉强度1220～1280MPa，屈服强度650～750MPa，延伸率≥11％；轨头表面布氏硬度HBW：365～385，轨头横截面洛氏硬度HRC：A1、B1、C1、D1、E1为37～ 39，A4、B5、C5、D3、E3为35～36；-20℃断裂韧性最小平均值为32MPa·m1/2。
一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，具体包括如下步骤：
1)冶炼
铁水脱硫预处理，脱氧，炉渣厚度不大于100～150mm；
2)精炼
脱硫，脱氧，LF精炼20～40min，硫化物粗系和细系长度尺寸均不大于100μm；
3)真空脱气
VD或RH真空脱气，真空处理时间15～30min，控制氢浓度1.5～2.0ppm、氧浓度 15～18ppm；
4)连铸
铸坯尺寸280～320mm×380～410mm，拉速0.4～0.7m/min；
5)铸坯加热
加热温度1200～1300℃，保温时间1.5～4h；
6)钢轨轧制
首次大压下轧制：开坯大压下轧制温度为1100～1200℃，轧制后出轧机温度控制在 1050～1100℃，制钢轨断面缩小率30％～40％；
二次大压下轧制：轧制后出轧机温度为1000～1050℃，轧制钢轨断面缩小率40％～ 50％；
三次大压下轧制：轧制温度930～980℃，同时轧制钢轨断面缩小率15％～30％；
在线热处理进入机组前，钢轨轨头温度不低于800℃；
7)钢轨在线热处理
钢轨轧制完成后直接进入热处理机组进行淬火冷却；
采用多阶段冷却，直至钢轨轨头温度在460℃以下，然后空气中正火冷却至室温，获得细化的珠光体组织，珠光体片层间距为80～100nm；
进一步的，所述步骤1)采用转炉或电炉冶炼，铝铁或硅铁脱氧，出钢过程加入白灰或碳化稻壳。
进一步的，所述步骤2)采用钡铁或铝铁进行脱氧。
进一步的，所述步骤5)铸坯堆垛缓冷至室温，铸坯四面倒角，粉刷涂料；加热过程配置炉气，选择天然气、空气煤气其中至少一种方式加热，保证铸坯始终处于还原气氛，保证轧制的钢轨脱碳层不大于0.3mm。
进一步的，所述步骤6)铸坯经高压水除鳞，采用三机架、五机架或七机架轧机轧制钢轨，钢轨规格为高速轨廓形60kg/m。
进一步的，所述步骤7)冷却采用三个阶段，每个阶段均通过压缩空气、加热水雾、常温水雾其中至少一种进行冷却；
第一阶段快速冷却：冷却时间为10～20s；
第二阶段欠速冷却：冷却时间为60～70s；
第三段快速冷却：冷却时间为8～15s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使微合金化元素自身作用的充分发挥。确保了钢轨的组织性能，为获得更高的强度、韧塑性、硬度奠定成分基础。本发明通过少量添加微合金化元素铌、钒、钛，有效发挥在热轧过程三个变形阶段铌钒钛的碳氮化物的细晶强化、沉淀强化、析出强化作用，其中第一阶段变形重点是钒钛的细晶强化、析出强化综合作用，第二阶段变形重点是钒铌沉淀强化综合作用，第三阶段重点是铌钛的析出强化综合作用，全部变形过程中铌钒钛综合作用相互配合；锑元素在连铸过程中弥散析出，为硫化物形成形核质点，改变了硫化物赋存形态，避免硫化物任意形核生产，长度尺寸过大；铜元素发挥冷却过程中析出强化作用，增加淬硬性和淬透性，进一步提升了钢轨的硬度和延伸率。
2、本发明微合金化元素与轧制配合。热轧过程三个变形阶段中的前二个阶段，一次大压下轧制，(V)(C,N)、(Ti)(C)元素固溶在奥氏体中，位错和微合金元素的共同作者用，通过细晶强化、固溶强化，晶粒得到明显细化；二次大压下轧制，(V，Nb)(C， N)、(Ti)(C)元素从奥氏体中析出，产生了析出强化效果，大部分在晶界析出，少部分在晶内析出，钉扎晶界，进一步细化奥氏体晶粒，为在线热处理获得更细小组织奠定了晶粒学基础。
3、锑元素对硫化物形态控制作用。硫化锰夹杂以锑为形核质点，降低硫化物在轧制过程中被拉长，使硫化物向细小的纺锤状形核，形成较硬质相，轧制过程中不被拉长变形，使得硫化锰夹杂物尺寸变小，确保硫化物粗系和细系长度尺寸均不大于100μm。
4、成分设计与在线热处理有效配合。通过微合金化作用使得奥氏体晶粒细化，在线热处理过程中碳、锰、铬、铜等元素增加了钢轨的淬透性和淬硬性，显著提升了钢轨的强度和硬度，同时该过程中，铜元素展现出析出强化作用，使得钢轨获得良好强度硬度同时获得了良好的屈服强度和延伸率，整体是的钢轨具有高的强韧性、硬度。
5、本发明的成分设计配合炼钢、轧制、在线热处理综合作用，充分发挥了合金元素和微合金元素的共同作用，奥氏体晶粒有效细化，钢轨组织明显细化，工业生产容易实现。
本发明的钢轨抗拉强度(Rm)介于1220～1280MPa，屈服强度(Rp0.2)介于650～750MPa，延伸率(A)≥11％，轨头表面硬度(HB)介于365～385，轨头横截面硬度(HRC)：A1、B1、C1、D1、E1介于37～39，A4、B5、C5、D3、E3介于35～36。-20℃断裂韧性满足KIC最小平均值＝32。表现出优异的强度、韧性、硬度。本发明的钢轨组织构成为均匀较细小的珠光体，且轨头珠光体片层间距为80～100纳米(金相组织见附图1)。本发明的钢轨通过GPM-30滚动接触疲劳试验台开展的摩擦磨损与接触疲劳试验：试样为外径 60mm内径30mm环状试样(试样尺寸见附图2)，经过25万次总对磨试验，本发明的钢轨磨耗为0.8573～0.9098g，剥离掉块数量为0个，表现出优异的耐磨性能。
综上表明，本发明的高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨具有优异的强韧性、硬度指标，适用于2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路铺设。
附图说明
图1是本发明钢轨金相组织图；
图2是本发明摩擦磨损与接触疲劳试样图。
具体实施方式
本发明公开了提供一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨及其生产方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨，由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.60％～0.90％，Si：0.50％～1.00％，Mn：0.60％～1.90％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.25％，Sb：0.001％～0.015％，Cu：0.01％～0.10％，V：0.01％～0.20％、 Nb：0.01％～0.20％、Ti：0.01％～0.10％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。
钢轨抗拉强度1220～1280MPa，屈服强度650～750MPa，延伸率≥11％；轨头表面布氏硬度(HBW)：365～385HB，轨头横截面洛氏硬度(HRC)：A1、B1、C1、D1、E1为 37～39，A4、B5、C5、D3、E3为35～36；-20℃断裂韧性最小平均值为32MPa·m1/2。
本发明为主要用于2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路正线区段的60kg/m级高强韧、高硬、高耐磨的在线热处理钢轨，钢轨组织为珠光体。
本发明化学成分设计理由：
C是钢的基体强化型最基本元素，主要是保证基体的强度和硬度。本发明中，当C含量低于0.60％时，钢轨强度、硬度过低，耐磨性严重不足；当C含量高于0.90％时，钢轨淬透性太强，容易产生马氏体异常组织。所以，本发明选择C含量为0.60％～0.90％。
Si是主要固溶型强化元素，本发明中，当Si的主要作用是固溶强化元素存在于铁素体和奥氏体中，提高钢轨硬度和强度，同时提高钢轨韧性和塑性。低于0.50％时，无法提供一定的固溶强化作用；高于1.00％时，钢轨的焊接性能下降明显。所以，本发明选择Si 含量为0.50％～1.00％。
Mn是相变型强化元素，又是碳化物形成元素，进入渗碳体后可部分替代Fe原子，增加碳化物的硬度，提升淬透性，同时与Cu元素配合，增加铜元素的析出强化作用。本发明中，当锰含量低于0.60％时，削弱Fe-Cu-Mn-Ni钢淬透性和淬硬性，不利于耐磨性提高；当锰的含量高于1.90％时，锰、碳偏析严重，易产生马氏体异常组织。所以，本发明选择 Mn含量为0.60％～1.90％。
P在钢轨钢中是有害元素，容易造成偏析和“冷脆”。在保证炼钢条件、炼钢成本等前提下越低越好，本发明要求P含量≤0.025％。
S在钢轨钢中是有害元素，是A类夹杂物的主要形成元素，同时在轧制中易产生“热脆”，所以在保证不增加非必要成本的前提下越低越好，本发明要求S≤0.015％。
Cr可以显著改善钢轨的耐磨损性能。本发明中，铬元素作用是增加淬透性，提升硬度和耐磨性，当铬含量低于0.10％时，耐磨作用不明显；当铬含量高于0.25％时，增加一定成本。所以，本发明选择Cr含量为0.10％～0.25％。
本发明中铌钒钛作用是与轧制工艺和热处理工艺有效配合，具体作用：V：与碳氮形成的碳氮化物(V(C，N))弥散分布，形成沉淀强化，扎钉晶界，细化晶粒增强基体强韧性。本发明中，当钒含量低于0.01％时，沉淀强化效果不明显；当V含量高于0.20％时，增加成本。所以，本发明选择V含量为0.01％～0.20％。Nb：与碳氮形成碳氮化物(Nb(C，N))，在钢中的主要作用细化奥氏体晶粒，同时轧后冷却过程生成碳氮化物产生析出强化，在提高钢轨硬度的同时，还可提高钢轨的韧性、焊接性能。本发明中，当Nb含量低于0.01％时，细晶强化效果不明显；当Nb含量大于0.20％时，增加成本。因此，本发明选择Nb 含量为0.01％～0.20％。Ti：在钢轨钢中的主要作用是细化加热、轧制及冷却时奥氏体晶粒，提升钢轨的屈服强度和屈强比。本发明中，当Ti含量小于0.01％时，提升韧塑性不明显；当Ti含量大于0.10％时，容易造成碳氮化物成团聚集，恶化韧性。因此，本发明选择 Ti含量为0.01％～0.10％。
Cu元素在本发明中主要是扩大奥氏体区，增加淬透性，冷却过程中析出强化，提升钢轨的屈服强度、表面硬度，不降低钢轨的抗拉强度，同时提升钢轨耐腐蚀性能。当铜含量低于0.01％时，不能获得以上效果；当铜含量高于0.10％时，容易产生热脆倾向，成本也明显增加。所以，本发明选择Cu含量为0.01％～0.10％。
Sb是耐腐蚀元素，在本发明中主要作用是改变硫化物形态，降低硫化物在轧制过程中被拉长，使硫化物向细小的纺锤状形核。当锑含量低于0.001％时，无法发挥改变硫化物形态作用；当锑含量高于0.015％时，则会恶化钢的性能。因此，本发明选择Sb含量为0.001％～0.015％。
在上述成分设计基础上，为实现本发明的目的，生产制造出高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨，需配合特定的冶炼工艺、加热工艺、轧制工艺和在线热处理工艺，其中轧制工艺与在线热处理是本发明的技术关键。整个工艺设计与成分设计紧密结合，有效实现了在本发明条件下钢轨的强硬性和韧塑性，表现在强度更高、韧性更好、硬度更高耐磨性更好，更适宜在上述线路铺设。
一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，具体包括如下步骤：
1、钢轨冶炼、精炼、真空脱气、连铸工序：
铁水采用脱硫预处理，利用转炉或电炉冶炼，铝铁或硅铁脱氧，出钢过程可加入白灰或碳化稻壳，炉渣厚度不大于100～150mm。
LF精炼进一步脱硫保合金成分，钡铁或铝铁进行脱氧，精炼时间20～40分钟，目的是保证渣的充分上浮，高速钢轨钢液更加纯净，成分更加精细，同时该工艺有利于Sb在钢中弥散分布，保证凝固析出时成为硫化物的形核基点，达到改变硫化物形态，确保硫化物粗系和细系长度尺寸均不大于100μm。
VD或者RH真空脱气，真空处理时间15～30分钟，保证氢和氧等气体氢浓度 1.5～2.0ppm，氧浓度15～18ppm，目的是防止钢轨出现氢致裂纹，减少B类夹杂物。继续降低将显著提升成本，因此气体范围控制在上述范围。
连铸采用280～320mm×380～410mm大断面铸坯，目的是实现大方坯大压下轧制，保证轧制钢轨时压缩比不小于9：1；拉速控制在0.4m/min～0.7m/min，保证铸坯表面质量，不出现裂纹。通过以上的处理方式才能实现本发明的有益效果，才能与后续工艺配合获得本发明的高速钢轨。
2、铸坯加热：
铸坯需要堆垛缓冷至室温，严禁热装热送，铸坯要四面倒角，降低铸坯角部微裂纹导致的钢轨缺陷，通过粉刷涂料，降低脱碳层深度。
冷铸坯装炉加热，加热温度为1200～1300℃，保温时间为1.5～4小时，选择该加热方式目的是为了热轧过程中充分发挥铌或钒或钛元素的作用，主要发挥细晶强化作用、析出强化作用和固溶强化作用。
加热过程中严格配置炉气，选择天然气、空气煤气一种或多种，保证铸坯始终处于还原气氛，减少铸坯氧化，与上述铸坯粉刷涂料共同保证轧制的钢轨脱碳层不大于0.3mm。
3、钢轨轧制：
铸坯经高压水除鳞，采用三机架、五机架或七机架轧机轧制钢轨。
钢轨首次大压下轧制：开坯大压下轧制温度为1100～1200℃，轧制后出轧机温度控制在1050～1100℃，制钢轨断面缩小率30％～40％，目的是在轧坯中形成大量位错，此时铌钒钛的碳氮化物，如(V)(C，N)、(Ti)(C)元素固溶在奥氏体中，位错和微合金元素的共同作者用，经过细晶强化、固溶强化，晶粒得到明显细化。
二次大压下轧制：进入轧机温度不做控制，但需保证轧制后出轧机温度为1000～1050℃，同时轧制钢轨断面缩小率40％～50％，此时(V，Nb)(C，N)、(Ti)(C)元素从奥氏体中析出，产生了析出强化效果，大量的(V，Nb)(C，N)、(Ti)(C)在晶界析出，少部分在晶内析出，扎钉晶界，进一步细化奥氏体晶粒。
三次大压下轧制：轧制温度930～980℃，同时轧制钢轨断面缩小率15％～30％，铌钛的析出强化综合作用，最后钢轨规格为高速轨廓形60kg/m，此时钢轨为在线热处理提供温度保证，确保在线热处理进入机组前，钢轨轨头温度不低于800℃。
4、钢轨在线热处理：
钢轨轧制完成后直接进入热处理机组进行淬火冷却，淬火介质为压缩空气、加热水雾、常温水雾的至少一种。
冷却采用三个阶段，第一阶段快速冷却：通过压缩空气、加热水雾、常温水雾的至少一种进行快速冷却，优先选择压缩空气和或常温水雾，冷却时间为10s～20s。
第二阶段欠速冷却：通过压缩空气、加热水雾、常温水雾的至少一种进行欠速冷却，优先选择压缩空气和或加热水雾冷却时间为60s～70s。
第三段快速冷却：通过压缩空气、加热水雾、常温水雾的至少一种进行快速冷却，优先选择加热水雾和或常温水雾，冷却时间为8s～15s直至钢轨轨头温度降到不低于460℃，然后空气中正火冷却至室温，获得细化的珠光体组织，珠光体片层间距在80～100纳米。
为实现本发明钢轨的组织性能指标，成分设计、炼钢、连铸、加热、轧制、在线热处理等工艺得到了较好配合，具有明显技术特点：
一是微合金化元素自身作用的充分发挥。确保了钢轨的组织性能，为获得更高的强度、韧塑性、硬度奠定成分基础。本发明通过少量添加微合金化元素铌、钒、钛，有效发挥在热轧过程三个变形阶段铌钒钛的碳氮化物的细晶强化、沉淀强化、析出强化作用；锑元素在连铸过程中弥散析出，为硫化物形成形核质点，改变了硫化物赋存形态，避免硫化物任意形核生产，长度尺寸过大；铜元素发挥冷却过程中析出强化作用，增加淬硬性和淬透性，进一步提升了钢轨的硬度和延伸率。
二是微合金化元素与轧制的配合。热轧过程三个变形阶段中的前二个阶段，一次大压下轧制，(V)(C，N)、(Ti)(C)元素固溶在奥氏体中，位错和微合金元素的共同作者用，通过细晶强化、固溶强化，晶粒得到明显细化；二次大压下轧制，(V,Nb)(C，N)、(Ti) (C)元素从奥氏体中析出，产生了析出强化效果，大部分在晶界析出，少部分在晶内析出，钉扎晶界，进一步细化奥氏体晶粒，为在线热处理获得更细小组织奠定了晶粒学基础。
三是锑元素对硫化物形态控制作用。硫化锰夹杂以锑为形核质点，降低硫化物在轧制过程中被拉长，使硫化物向细小的纺锤状形核，形成较硬质相，轧制过程中不被拉长变形，使得硫化锰夹杂物尺寸变小，确保硫化物粗系和细系长度尺寸均不大于100μm。
四是成分设计与在线热处理有效配合。通过微合金化作用使得奥氏体晶粒细化，在线热处理过程中碳、锰、铬、铜等元素增加了钢轨的淬透性和淬硬性，显著提升了钢轨的强度和硬度，同时该过程中，铜元素展现出析出强化作用，使得钢轨获得良好强度硬度同时获得了良好的屈服强度和延伸率，整体是的钢轨具有高的强韧性、硬度。
五是本发明获得的钢轨适用于2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路正线区段。
【实施例】
本发明的摩擦磨损试验和接触疲劳试验：GPM-30滚动接触疲劳试验台试样尺寸：厚度10mm、外径60mm内径30mm的环状试样，其中摩擦磨损试样为光滑表面，滚动接触疲劳试样表面中心有高度5mm沟槽；试验载荷：1000KN；滑差：5％；对磨试样材质：硬度300～310HB的车轮钢；旋转速率：220转/分钟；总磨损次数：25万次。疲劳裂纹扩展速率试验按照TB/T2344-2012执行。
本发明实施例钢、对比例钢的成分(Wt％)见表1；相应实施例钢、对比例钢的炼钢、铸坯加热关键工艺参数见表2；相应实施例钢、对比例钢的轧制、在线热处理加热关键工艺参数见表3；本发明力学性能、硬度、断裂韧性、磨耗、抗接触疲劳参数见表4。
表1实施例钢、对比例钢的具体化学成分
Figure RE-GDA0003954898850000101
表2炼钢、铸坯加热关键工艺参数
Figure RE-GDA0003954898850000102
Figure RE-GDA0003954898850000111
表3轧制、在线热处理关键工艺参数
Figure RE-GDA0003954898850000112
Figure RE-GDA0003954898850000121
表4力学性能、硬度、断裂韧性、磨耗、抗接触疲劳参数
Figure RE-GDA0003954898850000122
Figure RE-GDA0003954898850000131
本发明的钢轨抗拉强度(Rm)介于1220～1280MPa，屈服强度(Rp0.2)介于650～750MPa，延伸率(A)≥11％，轨头表面布氏硬度(HBW)介于365～385，轨头横截面洛氏硬度(HRC)：A1、B1、C1、D1、E1介于37～39，A4、B5、C5、D3、E3介于35～ 36。-20℃断裂韧性满足KIC最小平均值＝32MPa·m1/2。表现出优异的强度、韧性、硬度。本发明的钢轨组织构成为均匀较细小的珠光体，且轨头珠光体片层间距为80～100纳米 (金相组织见附图1)。本发明的钢轨通过GPM-30滚动接触疲劳试验台开展的摩擦磨损与接触疲劳试验：试样为外径60mm内径30mm环状试样(试样尺寸见附图2)，经过25 万次总对磨试验，本发明的钢轨磨耗为0.8573～0.9098g，剥离掉块数量为0个，表现出优异的耐磨性能。
综上表明，本发明的高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨具有优异的强韧性、硬度指标，适用于2800米及以下半径的时速高于200千米的兼顾货运的高速铁路铺设。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨，其特征在于，由如下重量百分含量的化学成分组成：
C：0.60％～0.90％，Si：0.50％～1.00％，Mn：0.60％～1.90％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.25％，Sb：0.001％～0.015％，Cu：0.01％～0.10％，V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.20％、Ti：0.01％～0.10％中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述钢轨抗拉强度1220～1280MPa，屈服强度650～750MPa，延伸率≥11％；轨头表面布氏硬度HBW：365～385，轨头横截面洛氏硬度HRC：A1、B1、C1、D1、E1为37～39，A4、B5、C5、D3、E3为35～36；-20℃断裂韧性最小平均值为32MPa·m1/2。
2.一种如权利要求1所述高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)冶炼
铁水脱硫预处理，脱氧，炉渣厚度不大于100～150mm；
2)精炼
脱硫，脱氧，LF精炼20～40min，硫化物粗系和细系长度尺寸均不大于100μm；
3)真空脱气
VD或RH真空脱气，真空处理时间15～30min，控制氢浓度1.5～2.0ppm、氧浓度15～18ppm；
4)连铸
铸坯尺寸280～320mm×380～410mm，拉速0.4～0.7m/min；
5)铸坯加热
加热温度1200～1300℃，保温时间1.5～4h；
6)钢轨轧制
首次大压下轧制：开坯大压下轧制温度为1100～1200℃，轧制后出轧机温度控制在1050～1100℃，制钢轨断面缩小率30％～40％；
二次大压下轧制：轧制后出轧机温度为1000～1050℃，轧制钢轨断面缩小率40％～50％；
三次大压下轧制：轧制温度930～980℃，同时轧制钢轨断面缩小率15％～30％；
在线热处理进入机组前，钢轨轨头温度不低于800℃；
7)钢轨在线热处理
钢轨轧制完成后直接进入热处理机组进行淬火冷却；
采用多阶段冷却，直至钢轨轨头温度在460℃以下，然后空气中正火冷却至室温，获得细化的珠光体组织，珠光体片层间距为80～100nm。
3.根据权利要求2所述的一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，所述步骤1)采用转炉或电炉冶炼，铝铁或硅铁脱氧，出钢过程加入白灰或碳化稻壳。
4.根据权利要求2所述的一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，所述步骤2)采用钡铁或铝铁进行脱氧。
5.根据权利要求2所述的一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，所述步骤5)铸坯堆垛缓冷至室温，铸坯四面倒角，粉刷涂料；加热过程配置炉气，选择天然气、空气煤气其中至少一种方式加热，保证铸坯始终处于还原气氛，保证轧制的钢轨脱碳层不大于0.3mm。
6.根据权利要求2所述的一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，所述步骤6)铸坯经高压水除鳞，采用三机架、五机架或七机架轧机轧制钢轨，钢轨规格为高速轨廓形60kg/m。
7.根据权利要求2所述的一种高速铁路用高强韧耐磨热处理钢轨的生产方法，其特征在于，所述步骤7)冷却采用三个阶段，每个阶段均通过压缩空气、加热水雾、常温水雾其中至少一种进行冷却；
第一阶段快速冷却：冷却时间为10～20s；
第二阶段欠速冷却：冷却时间为60～70s；
第三段快速冷却：冷却时间为8～15s。
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