CN116694900A - 一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法：常规冶炼、精炼后浇注成坯；堆垛缓冷；对铸坯加热；轧制；冷却；自然冷却至室温。本发明在保证其力学性能在抗拉强度为1080～1380MPa，断后伸长率为10～16％，轨头踏面布氏总硬度为320～420HB，轨头横断面第1点洛氏硬度34～44HRC，轨头横断面末点洛氏硬度≥34HRC，钢轨全断面的金相组织为细片状珠光体和少量铁素体的前提下，使钢轨横截面硬度低点由3‑9mm左右提升至不超过0.5mm的深度，钢轨上道后在预打磨阶段就可以将硬度低点消除，使钢轨使用性能得以提高。

Description

一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法
技术领域
本发明涉及一种钢轨的生产方法，具体属于一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，本发明适用于现有技术的钢轨的所有钢种成分。
背景技术
随着列车轴的重量的增加，以及列车运行速度和运行密度的不断推进和提高，对钢轨服役过程中的磨耗和疲劳伤损等伤损显著增多，严重影响了钢轨服役周期。国内外钢轨厂家普遍采用在线热处理工艺对热轧后的钢轨进行加速冷却，增加钢轨的强度和硬度，提升其耐磨性能和抗疲劳性能，以满足小半径曲线铁路和重载铁路的使用需求。
为了保证热处理钢轨的使用性能和服役周期，铁道行业标准TB/T 2344.1-2020对热处理钢轨的性能进行了详细规定，尤其对钢轨横断面硬度的分布提出了明确规定，要求热处理钢轨横断面各点的洛氏硬度从表面向内部逐渐均匀降低，不允许出现硬度的急剧变化。
目前钢轨在线热处理工艺主要采用走行式，在轧机后布置若干组冷却机组，热轧后的钢轨以一定的速度通过冷却机组，通过喷射冷却介质(风、水雾等)对钢轨轨头施加一定的冷却强度，通过加速冷却将奥氏体组织转变为细片状珠光体组织，从而达到提高强度和硬度目的。采用走行式热处理工艺路线生产的热处理钢轨，轨头表面以下3-9mm深度的位置存在硬度低点，造成轨头横断面硬度分布呈现先低后高然后在降低的趋势，这种情况在轨头的轨距角位置表现得更为明显。为了保证硬度低点达到标准的要求，通常采用提高整体硬化层硬度的方式，造成不能较好的满足铁道行业标准TB/T2344.1-2020对硬度值从表面向内部逐渐均匀降低，不允许出现急剧变化的要求。另外，钢轨热处理过程中，轨头部位相变从表面逐步向内部发生，随着加速冷却的进行，轨头整体剩余的热量逐步减少，如果施加的冷却强度不合理，越往轨头内部，冷速越大，造成内部硬度逐步提高，甚至出现马氏体等不允许存在的有害组织。
经检索：
中国专利公开号为CN1083013的文献，公开了一种《利用轧制余热生产高强度钢轨的热处理方法及其装置》，其将热轧后保持在奥氏体区域的高温状态的连续送入装有热处理装置的机组中，通过喷嘴向钢轨喷射冷却介质，使钢轨得到均匀的加速冷却，获得硬度逐渐降低的微细珠光体组织，生产得到的热处理钢轨能满足铁路运输向高速、重载、大运量的发展要求。
中国专利公开号为CN 1793403 A的文献，公开了一种《珠光体类热处理钢轨及其生产方法》，其包括冶炼、轧制和热处理，从650-880℃以1-10℃/s的冷速将钢轨冷却到400-500℃，或将室温的钢轨钢先加热到850-1100℃，然后自然冷却到650-880℃后以1-10℃/s的冷速将钢轨冷却到400-500℃，再自然冷却至室温，生产出来的钢轨具有良好的耐磨性。
中国专利公开号为CN 102220545 A的文献，公开了一种《耐磨性和塑性优良的高碳高强热处理钢轨及其制造方法》，其在轧制后热态钢轨余温为680-900℃，以1.5-10℃/s的冷速将钢轨冷却到400-500℃，再自然冷却至室温，钢轨抗拉强度≥1330MPa，延伸率≥9％，轨头硬度≥380HB，硬化层深度为25mm以上，组织为细珠光体，具有优良的耐磨性和塑性，能满足重载铁路的使用要求。
中国专利公开号为CN 85109735的文献，公开了一种《钢轨热处理的方法和设备》，其制备温度保持在不低于奥氏体区的高温范围内的钢轨，在其头部周围配置喷嘴装置，使喷嘴可以将气体冷却介质喷向钢轨的头部；根据钢轨头部所要求的硬度等级及钢轨中的碳当量确定喷嘴和钢轨头部之间的距离；移动喷嘴装置以获得喷嘴装置和钢轨头部之间所要求的距离，将气体冷却介质以预定的流率喷射轨头达一定的时间冷却，从而在轨头获得要求的硬度等级。
从对以上文献的分析可以看出，均为仅只提出了对如何提高热处理后钢轨的强度、踏面硬度以及轨头硬化层深度的方法，并未对钢轨横断面硬度低点得以提升到接近钢轨上端面，使其成为产品时在钢轨横截面不存在硬度低点的问题予以解决。因此所涉及钢轨不能满足运行速度和运行密度的不断推进和提高状态下的列车需要。为满足市场对钢轨的要求，对于热处理后钢轨横断面硬度低点分布的不足已为亟需解决的问题。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种在保证其力学性能在抗拉强度为1080～1380MPa，断后伸长率为10～16％，轨头踏面布氏硬度为320～420HB，轨头横断面第1点洛氏硬度34～44HRC，轨头横断面末点洛氏硬度≥32HRC，钢轨全断面的金相组织为细片状珠光体和少量铁素体的前提下，使钢轨横截面硬度低点由3-9mm提升至不超过0.5mm的深度，钢轨上道后在预打磨阶段就可以将硬度低点消除，使钢轨使用性能得以提高的提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法。
实现上述目的的措施：
一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其步骤：
1)常规冶炼、精炼后浇注成坯，在浇注中，控制中包温度过热度在25～30℃，拉坯速度在0.5～1.2m/min，浇注全程采用常规保护气体保护；
2)对铸坯进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于24小时；
3)对铸坯进行加热，加热温度控制在1250～1350℃，加热时间在150～300min；
4)进行轧制，控制粗轧开轧温度在1050～1150℃；控制精轧终轧温度在840～900℃；
5)对轧制成的钢轨进行冷却，控制开冷温度在690～790℃；根据不同断面规格钢轨，对钢轨轨头进行冷却，并控制总冷却时间在50～100秒；
对钢轨轨头的冷却按照以下方式进行：
D、在对钢轨轨头开始冷却的≤6s的时间内，控制冷却速度在0.8～1.55℃/s；
E、在对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在2.5～8℃/s；
F、在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却
速度比前一次降低20～40％，直至钢轨轨头温度降至480～560℃时停止冷却；
在对钢轨轨头冷却的同时对钢轨底进行冷却，钢轨底的中部冷却强度是钢轨轨头冷却强度的80～96％；
G、自然冷却至室温。
优选地：在对钢轨轨头开始冷却的≤6s的时间内，控制冷却速度在1.0～1.45℃/s。
优选地：在对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在3～6.5℃/s。
优选地：在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却速度比前一次降低25～36％。
其在于：在根据不同断面规格钢轨轨头进行冷却中，总冷却时间50～100秒与断面规格的大小成正相关关系。
其在于：本方法适用于现有技术的所有钢轨钢的化学成分。
本发明中各原料及主要工艺的作用及机理
本发明之所以控制加热温度控制在1250～1350℃，加热时间在150～300min，是由于要使得铸坯加热均匀和完全奥氏体化，同时保证开轧、终制和热处理过程的温度达到要求。
本发明之所以控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，及控制精轧终轧温度在840～900℃，是由于需要控制轧件在轧制过程奥氏体晶粒的长大程度，同时保证热处理过程开冷温度达到设计要求，使得热处理后钢轨性能达到要求。
本发明之所以控制开冷温度在690～790℃，并控制总冷却时间在50～100秒，是由于对热轧后处于奥氏体态的钢轨进行在线加速冷却，是利用轧后钢轨自身剩余的热量，通过加速冷却增加奥氏体向珠光体转变的相变动力，获得片层间距更加细小的珠光体组织，达到提高钢轨强度和硬度的作用。如钢轨开始加速冷却温度过高，冷却至相变温度所需的时间较长，冷却介质消耗量大，但相变过冷度不会增加，另外钢坯的加热温度、开轧温度和终轧温度都要相应提高，能源消耗多，且会造成原始奥氏体晶粒粗大；而开冷温度过低，则在有效的冷速条件下，造成相变过冷度不足，导致轨头的珠光体组织的片层间距不够细小。
本发明之所以在钢轨轧后开始加速冷却，并在加速冷却的不同时间段对钢轨轨头施加不同的冷却速度，即：
在钢轨轨头开始加速冷却的6s时间内采用低冷却速度，控制在0.8-1.55℃/s；优选地控制冷却速度在1.0～1.45℃/s，是因为加速冷却开始时，轨头表面金属因对流传热会迅速从奥氏体转变为珠光体组织，形成珠光体薄层，并在表面往里的位置形成珠光体和奥氏体界面，里面的奥氏体态金属通过热传导将热量传递给表层的珠光体，并经过珠光体层最终通过对流被冷却介质带走，里面的奥氏体态金属再转变为珠光体。因为奥氏体的导热性差，热量不容易从奥氏体传导给珠光体，造成在最初形成的珠光体和奥氏体界面处的冷却速度较小，导致硬度低点的产生。轨头加速冷却开始时施加的冷却速度越大，形成的珠光体层就越厚，那么出现硬度低点的位置就越靠厚度方向内部，而开始对轨头加速冷却时施加低的冷却速度，将硬度低点出现的位置控制在表面往里0.5mm以内，钢轨上道后通过预打磨就可以将硬度低点消除，使钢轨使用性能得以提高。
对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在2.5～8℃/s；优选地控制冷却速度在3～6.5℃/s，是由于轨头表面向里是珠光体和奥氏体界面的形成，此时需要通过对流将表面的热量快速带走，以提高内部的热传导速率，从而保证热处理后的性能。
在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却速度比前一次降低20～40％，优选地将冷却速度比前一次降低25～36％，是由于随着珠光体相变不断往里进行，轨头内部高温区域面积不断减小，通过热传导产生的冷却速度逐步增大，为此施加在轨头的冷却速度需要逐步减小，另外越往轨头内部，成分偏析越趋严重，容易产生马氏体等不允许出现的组织，为此其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却速度比前一次降低20～40％，直至钢轨轨头温度降至480～560℃时停止。
在钢轨轨头加速冷却过程，因为轨头温降较快，故由于冷却收缩的原因，势必会造成往轨头弯曲，为此在轨头加速冷却的同时，对轨底也进行加速冷却，施加的冷却介质强度为轨头冷却介质强度的75-95％，以平衡部分轨头的收缩，保证热处理过程不会造成卡钢等事故，保证生产顺利进行。
本发明与现有技术相比，本发明在保证其力学性能在抗拉强度为1080～1380MPa，断后伸长率为10～16％，轨头踏面布氏总硬度为320～420HB，轨头横断面第1点洛氏硬度34～44HRC，轨头横断面末点洛氏硬度≥34HRC，钢轨全断面的金相组织为细片状珠光体和少量铁素体的前提下，使钢轨横截面硬度低点由3-9mm左右提升至不超过0.5mm的深度，钢轨上道后在预打磨阶段就可以将硬度低点消除，使钢轨使用性能得以提高。
附图说明
图1为本发明所得钢轨的金相组织图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例钢轨轨头冷却工艺参数列表；
表4为本发明各实施例及对比例钢轨力学性能检测结果列表；
表5为本发明各实施例及对比例钢轨横断面洛氏硬度列表；
表6为本发明各实施例及对比例钢轨横断面B线离表面不同距离的维氏硬度列表；
表7为本发明各实施例及对比例钢轨横断面C线离表面不同距离的维氏硬度列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产
1)常规冶炼、精炼后浇注成坯，在浇注中，控制中包温度过热度在25～30℃，拉坯速度在0.5～1.2m/min，浇注全程采用常规保护气体保护；
2)对铸坯进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于24小时；
3)对铸坯进行加热，加热温度控制在1250～1350℃，加热时间在150～300min；
4)进行轧制，控制粗轧开轧温度在1050～1150℃；控制精轧终轧温度在840～900℃；
5)对轧制成的钢轨进行冷却，控制开冷温度在690～790℃；根据不同断面规格钢轨，对轨头进行冷却，并控制总冷却时间在50～100秒；
对钢轨轨头的冷却按照以下方式进行：
A、在对钢轨轨头开始冷却的≤6s的时间内，控制冷却速度在0.8～1.55℃/s；
B、在对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在2.5～8℃/s；
C、在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却
速度比前一次降低20～40％，直至钢轨轨头温度降至480～560℃时停止冷却；
在对钢轨轨头冷却的同时对钢轨底进行冷却，钢轨底的中部冷却强度是钢轨轨头冷却强度的80～96％；
D、自然冷却至室温。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt％)
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
表3本发明各实施例及对比例钢轨轨头冷却工艺参数列表
续表3
按照TB/T 2344.1-2020钢轨标准规定的方法测定实施例和对比例中所得钢轨的抗拉强度、断后伸长率、踏面硬度、金相组织等性能指标，结果见表4。按照TB/T 2344.1-2020标准对热处理钢轨横断面硬度检测要求，沿着钢轨横断面A、B、C、D、E线的洛氏硬度检验结果见表5。沿着钢轨横断面B、C线离表面不同距离位置进行维氏硬度检验，结果见表6和表7。
表4本发明各实施例及对比例力学性能检测结果列表
实施例 抗拉强度MPa 断后伸长率％ 踏面硬度HB 全断面金相组织
1 1165 14.0 345 珠光体+少量铁素体
2 1275 12.8 373 珠光体+少量铁素体
3 1172 13.7 353 珠光体+少量铁素体
4 1278 12.5 376 珠光体+少量铁素体
5 1269 14.0 364 珠光体+少量铁素体
6 1388 13.5 393 珠光体+少量铁素体
7 1266 13.5 371 珠光体+少量铁素体
8 1298 13.8 386 珠光体+少量铁素体
对比例1 1273 12.6 375 珠光体+少量铁素体
对比例2 1268 13.4 373 珠光体+少量铁素体
表5本发明各实施例及对比例的钢轨横断面洛氏硬度列表
续表5
表6本发明各实施例及对比例钢轨横断面B线离表面不同距离的维氏硬度HV0.2
表7本发明各实施例及对比例钢轨横断面C线离表面不同距离的维氏硬度/HV0.2
从表4至表7可以看出，实施例1-8中钢轨各项力学性能和金相组织良好，均满足相关标准要求，沿钢轨横断面A、B、C、D、E线，从表面到内部的横断面洛氏硬度呈现均匀下降趋势，对比例1和对比例2中钢轨横断面洛氏硬度在第1个点(即表面往下5mm位置)存在硬度软点，而采用本方法生产的热处理钢轨，横断面硬度软点出现在表面往里0.2-0.4mm位置。对比来看，本发明方法在保证热处理钢轨组织和力学性能的前提下，能有效提升硬度低点的分布位置。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (6)

1.一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其步骤：
1)常规冶炼、精炼后浇注成坯，在浇注中，控制中包温度过热度在25～30℃，拉坯速度在0.5～1.2m/min，浇注全程采用常规保护气体保护；
2)对铸坯进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于24小时；
3)对铸坯进行加热，加热温度控制在1250～1350℃，加热时间在150～300min；
4)进行轧制，控制粗轧开轧温度在1050～1150℃；控制精轧终轧温度在840～900℃；
5)对轧制成的钢轨进行冷却，控制开冷温度在690～790℃；根据不同断面规格钢轨，
对钢轨轨头进行冷却，并控制总冷却时间在50～100秒；
对钢轨轨头的冷却按照以下方式进行：
A、在对钢轨轨头开始冷却的≤6s的时间内，控制冷却速度在0.8～1.55℃/s；
B、在对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在2.5～8℃/s；
C、在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却
速度比前一次降低20～40％，直至钢轨轨头温度降至480～560℃时停止冷却；
在对钢轨轨头冷却的同时对钢轨底进行冷却，钢轨底的中部冷却强度是钢轨轨头冷却强度的80～96％；
D、自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其特征在于：在对钢轨轨头开始冷却的≤6s的时间内，控制冷却速度在1.0～1.45℃/s。
3.如权利要求1所述的一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其特征在于：在对钢轨轨头冷却的>6s至≤40s的时间内，控制冷却速度在3～6.5℃/s。
4.如权利要求1所述的一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其特征在于：在对钢轨轨头冷却的>40s至100s时间内，其冷却速度按每隔10～20秒，则将冷却
速度比前一次降低25～36％。
5.如权利要求1所述的一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其特征在于：在根据不同断面规格钢轨轨头进行冷却中，总冷却时间50～100秒与断面规格的大小成正相关关系。
6.如权利要求1所述的一种提升热处理钢轨横断面硬度低点分布高度的生产方法，其特征在于：本方法适用于现有技术的所有钢轨钢的化学成分。
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