CN1510155A - 抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺，该钢轨含有(重量％)C：0.10－0.40％，Si：0.80－2.00％，Mn：0.80－3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.10－0.80％，N：10－150ppm，Al：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用转炉冶炼按所述成分制造熔融的钢，进行炉外精炼，然后经稀土处理，真空除气，连铸成大方坯，采用万能轧制法热轧成形后空冷至400℃，以0.01－0.002℃/s的冷速缓冷至200℃，其后在空气中自然冷却；也可以热轧成形空冷后回火或热轧空冷至相变点以下，在200－600℃等温处理或控轧后空冷。这种钢轨横截面的硬度均匀、更易加工、质量更稳定；本发明采用轧制及轧后处理工艺，提高了钢的组织稳定性、强度、韧性，使钢轨的抗磨损性能更加优异。
Description
技术领域
本发明是关于铁路道岔钢轨，具体是一种具有抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨及其生产工艺。
背景技术
道岔是线路设备的薄弱环节之一。随着通过道岔总重及速度的逐年增加与提高，列车通过道岔时轮轨间的冲击、磨耗日益严重，特别是列车侧向通过道岔转辙部分时，尖轧的轧伤及侧向磨耗问题尤为突出。道岔钢轨加工的AT尖轨是辙叉的重要部件之一。它引导列车运行方向，承受运动车轮的挤压、冲击和磨耗，其性能的好坏直接关系到铁路运营的安全和效率。
目前，国内铁路主要采用强度级别为880MPa的U71Mn钢生产道岔钢轨，这种道岔钢轨制造加工成AT尖轨后需经全长淬火处理。此外还试验了用980MPa级别的BNbRE和PD3道岔钢轨制造的AT尖轨，以热轧态铺设，试验表明仍难以满足繁忙干线的需要。我国AT尖轨在使用中存在的问题主要有：
1、曲线尖轨使用寿命平均不超过200天，最短的仅为2个多月，均因压溃和侧向磨耗超限而更换。
2、尖轨使用1～3个月就会出现飞边，如不及时打磨掉就会连续发生掉块，连续掉块长度可近数百毫米。轨尖出现飞边后，一般采用手提砂轮打磨，不仅给现场维修护养带来很大的工作量，还影响安全行车。
3、尖轨与辙叉叉心(采用M13钢制造)都采用高碳钢制造，焊接非常困难，质量也不稳定。
二十一世纪末期以来，贝氏体钢轨以其优异的强韧性配合、较好的抗磨损及抗疲劳损伤性能而引起人们的关注，被誉为“划时代的钢轨”。用贝氏体钢生产道岔钢轨可以很好地解决上述问题，为提高铁路运行效率创造条件。
以往，强韧性俱佳的贝氏体钢只有通过等温处理才能实现，这种处理方法限制了贝氏体钢的应用。为了解决这个问题，CN1172171A中公开了一种准贝氏体钢，这种准贝氏体(即无碳化物贝氏体)理论的建立为贝氏体钢在工业产品上的应用奠定了基础。准贝氏体钢理论的建立为人们通过热轧后空冷得到强韧性匹配非常好的贝氏体钢提供了一种有效途径。但是将这种理论应用到具体的产品上还需要解决一系列技术问题。
文献CN1175980A，介绍了一种贝氏体钢轨的化学成分、轧后冷却方式，对生产过程中的冶炼及轧制工艺的控制和热轧后控冷的工艺或细节未提出具体要求，钢轨的综合性能指标也不是最优的。
上述两个文献均未提及用准贝氏体钢生产准贝氏体道岔钢轨。
发明内容
本发明的目的是，提供一种具有抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨及这种道岔钢轨的生产工艺。
上述本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
(1)抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨，其特征是，以重量百分数计算，含有C：0.10-0.40％，Si：0.80-2.00％，Mn：0.80-3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.10-0.80％，N：10-150ppm，Al：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，将上述成分的钢热轧成道岔钢轨后冷却：空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速缓慢冷却至200℃，其后在空气中自然冷却，得到高强韧性准贝氏体道岔钢轨。
(2)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，还含有Nb：0.005-0.10％。
(3)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％。
(4)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，硅含量为0.80-1.80％。
(5)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，钼含量为0.10-0.55％。
(6)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％，硅含量为0.80-1.80％。
(7)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％，硅含量为0.80-1.80％，钼含量为0.10-0.55％。
(8)上面第(1)项所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.12-0.35％，硅含量为0.80-1.80％，钼含量为0.10-0.55％，铌含量为0.005-0.10％。
(9)上面第(1)-(8)项中任一项所述的道岔钢轨，其特征是，所述的钢轨是铁路道岔钢轨或辙叉。
(10)上面第(1)-(8)项中任一项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，采用转炉冶炼按所述成分制造熔融的钢，进行炉外精炼，然后经稀土处理，真空除气，连铸成大方坯，采用万能轧制法或孔型轧制法热轧或控轧成道岔钢轨后冷却：首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速缓慢冷却至200℃，其后在空气中自然冷却。
(11)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，转炉冶炼时采用无铝脱氧剂进行脱氧。
(12)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，连铸大方坯的截面尺寸为200mm×200mm～650mm×650mm。
(13)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，所述的热轧是，将连铸坯在1150-1350℃加热，采用万能轧制法或孔型轧制法轧制成道岔钢轨，终轧温度≥1000℃。
(14)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，所述的控轧是，将连铸坯在1100-1350℃加热，采用万能轧制法或孔型轧制法轧制成道岔钢轨，开轧温度控制在850-1150℃，终轧温度控制在650-950℃。
(15)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，采用万能轧制法或孔型轧制法控制轧制成道岔钢轨以后空冷到室温。
(16)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，轧制成形以后空冷，并进行回火处理，回火温度为240～660℃。
(17)上面第(10)项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，热轧空冷至相变点后在150～580℃等温处理。
本发明的优点和效果是：1、化学成分设计从企业的实际生产出发，趋于合理，控制残Al含量，尽量降低钢中氮含量，不采用硼元素；2、冶炼工序中要求采用无铝脱氧剂脱氧，并对钢液进行稀土处理，真空处理；对连铸坯加热、轧制道岔钢轨的开轧及终轧温度作业进行严格规定，采用先进的万能轧制法轧制；3、本发明准贝氏体组织的典型特征是：板条(或非等轴)铁素体+(膜或岛状)残余奥氏体。为提高钢的组织稳定性以达到提高钢的力学性能的目的，提出如下四种工艺：
a.道岔钢轨热轧以后空冷，并在400℃～200℃之间以0.01～0.002℃/s实施缓慢冷却，其后在空气中自然冷却。
b.热轧成形道岔钢轨空冷以后进行回火处理。
c.控制轧制成形的道岔钢轨在空气中自然冷却至室温。
d.热轧空冷至相变点以下在某一温度等温处理。
上述几种轧制及轧后处理工艺，都可以提高本发明道岔钢轨的组织稳定性，从而提高钢的强韧性等力学性能。
4.本发明生产的准贝氏体道岔钢轨硬度均匀一致，具有优越于珠光体道岔钢轨的强韧性、优良的耐磨及抗剥离性能，良好的轮轨匹配关系。
这种准贝氏体钢轨的综合性能更加优异；钢轨横截面的硬度均匀一致，钢轨更容易加工；钢轨产品质量更加稳定，本发明采用的轧制及轧后处理工艺，提高了本发明钢的组织稳定性，从而提高了钢的强韧性等力学性能，使钢轨的抗磨损性能更加优异。
附图说明
图1是热轧后缓慢冷却时钢中的硼以硼化物相沿晶界析出的显微照片(放大200倍)。
图2是AlN夹杂扫描电子显微镜照片(放大800倍)
图3是本发明贝氏体组织的透射电镜的组织照片(放大12000倍)，为板条铁素体+(膜或岛状)残余奥氏体组成。
图4是本发明准贝氏体钢的CCT曲线
图5是本发明准贝氏体道岔钢轨的横截面硬度(洛氏硬度)
图6是本发明准贝氏体道岔钢轨的实验室磨耗失重曲线
图7是实验室不同组织道岔钢轨与车轮钢对磨后车轮的失重曲线
图8是三种道岔钢轨钢与车轮钢对磨8万转后表面状态的照片
具体实施方式
我们发明的具有优异的抗磨损性能的高强韧性准贝氏体道岔钢轨轧后不采用强冷工艺，这种工艺条件下不宜采用硼作为合金元素，这是因为，道岔钢轨轨头截面较大，轧制成形以后空冷时，轨头的冷速较慢，这种冷却条件不足以抑制硼元素在晶界的偏聚，钢中的硼会形成硼化物沿晶界析出，见附图1，沿晶界析出的硼化物相使钢的力学性能恶化，特别是塑韧性急剧下降(见表1中1#钢的成分及性能)。无法保证道岔钢轨铺设时的使用安全性。
如附图2所示：准贝氏体钢采用Al合金化或用铝脱氧时，如果钢中氮含量过高，钢中就会析出大量的氮化铝夹杂(附图2中夹杂物的能谱分析表明其中：N为11.53％；Al为61.89％)，当钢中N、Al含量达到表1中2#钢的水平时，比照GB10561-89D类夹杂物评级，钢中AlN类夹杂为2.5级，此时，由于AlN的作用，同样会使钢的塑韧性急剧下降，无法保证道岔钢轨铺设时的使用安全性，表1中2#钢的性能检验结果充分说明了这一点。
因此，我们在进行准贝氏体道岔钢轨的成分设计时，不考虑硼及铝元素。冶炼过程中，为了控制钢中铝含量，采用无铝脱氧剂脱氧，同时控制钢中氮含量在一定范围之内。
钢水经过LF炉精炼和VD真空处理后，使道岔钢轨钢质纯净度有极大提高，已经可以满足普通道岔钢轨的生产，但是由于准贝氏体钢的强度水平比较高，因此对钢的内在质量有更高的要求，针对这种要求，我们进行稀土处理，一方面对钢中长条形(如MnS)夹杂有一定的变质作用，另一方面可以提高道岔钢轨横向的冲击韧性。
表1
| 编号 | 化学成分/％ | 性能指标 | ||||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | B | Al | N | σ0.2MPa | σbMPa | δ 5％ | φ％ | |
| 1 | 0.41 | 1.54 | 0.83 | 1.00 | 0.69 | 0.0016 | - | - | 1065 | 1165 | 1.5 | 1.5 |
| 2 | 0.30 | 1.72 | 3.01 | - | 0.49 | - | 1.1 | 0.118 | - | 1120 | 0.5 | - |
如附图3所示：准贝氏体道岔钢轨的组织为板条(或非等轴)铁素体+(膜或岛状)残余奥氏体(见附图3)，其力学性能良好。
本发明准贝氏体道岔钢轨的贝氏体组织是在热轧空冷条件下获得的，其连续冷却曲线见附图4。
本发明为获得上述组织，其化学成分按表2a控制。
表2a化学成分
| 化学成分(％) | N(ppm) | |||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | Al | |
| 0.10-0.40 | 0.80-2.00 | 0.80-3.30 | ＜2.00 | 0.10-0.80 | ≤0.005 | 10-150 |
表2b性能指标
| 序号 | 钢种 | σ0.2MPa | σbMPa | σ0.2/σb | δ5％ | φ％ | AKV，20℃J | σ-1MPa | KIC，-20℃MPa·m1/2 | 备注 |
| 1 | 珠光体钢U71Mn | 550 | 938 | 0.59 | 11.0 | 22.0 | 6.0 | 40 | 热轧珠光体 | |
| 2 | 珠光体钢PD3 | 870 | 1290 | 0.67 | 13 | 37 | 13.0 | 370(热轧) | 48.1 | 欠速淬火珠光体 |
| 3 | 无碳化物贝氏体钢CN1059239C | 730-1230 | 1250-1600 | 0.58-0.76 | 14.0-17.0 | 40.0-55.0 | 20.0-39.0 | 45.0-60.0 | 热轧态无碳化物贝氏体 | |
| 4 | 本发明贝氏体道岔钢轨 | 750-1220 | 900-1500 | 0.80 | 14.0-18.0 | 40-60 | 50-80 | 590 | 68.4-72.1 |
一般热轧空冷条件下准贝氏体钢的组织稳定性较差，钢的力学性能也较差，为了提高钢的组织稳定性，改善其力学性能，我们确定了十分有效的道岔钢轨轧制及轧后处理工艺。
只有将上述方法结合起来，才能得到理想的性能指标(参见表2b)。
附图5中示出准贝氏体道岔钢轨的横截面硬度(洛氏)，轨头、轨腰、轨底硬度均匀一致。
本发明准贝氏体道岔钢轨的实验室磨耗失重试验结果(见附图6)表明，试验至8万转时：准贝氏体道岔钢轨钢的试样耐磨性能比PD3热处理钢轨提高25％，比PD3未热处理钢轨提高40％。
实验室不同组织道岔钢轨与车轮钢对磨后车轮的失重曲线见附图7，试验结果表明，本发明道岔钢轨虽然硬度高，但对车轮的磨耗最少：试验至8万转时，本发明道岔钢轨对车轮的磨耗不到PD3热轧轨对车轮磨耗的10％。因此，准贝氏体道岔钢轨将具有良好的轮轨匹配关系。
三种道岔钢轨钢与车轮钢对磨8万转后表面状态的照片见附图8，照片说明：即使试验至8万转，准贝氏体道岔钢轨钢接触表面非常光滑，未出现任何表面麻坑，而PD3热轧钢轨钢以及PD3热处理钢轨钢则随着试验的进行从1万转开始接触表面就出现麻坑，并随着转数的增加麻坑由小变大、由少变多、呈长条状，从这里可以看出，准贝氏体道岔钢轨具有比珠光体道岔钢轨更优异的抗表面伤损的能力。
从控制组织形态、化学成分、冶金质量、轧制及轧后工艺以提高准贝氏体道岔钢轨的综合性能指标，即充分挖掘准贝氏体道岔钢轨韧塑性方面的潜力等方面考虑，本发明有五个特点：
1、化学成分设计从企业的实际生产出发，趋于合理，控制残Al含量，尽量降低钢中氮含量，不采用硼元素；
2、冶炼工序中要求采用无铝脱氧剂脱氧，并对钢液进行稀土处理，真空处理；对连铸坯加热、轧制钢轨的开轧及终轧温度作业进行严格规定，采用先进的万能轧制法轧制；
3、本发明贝氏体组织的典型特征是：板条(或非等轴)铁素体+(膜或岛状)残余奥氏体。为提高钢的组织稳定性以达到提高钢的力学性能的目的，提出如下四种工艺：
a.道岔钢轨热轧以后空冷，并在400℃～200℃之间以0.01～0.002℃/s的冷速实施缓慢冷却，其后在空气中自然冷却到室温。
b.热轧成形的道岔钢轨空冷至室温以后进行回火处理，回火温度为200～650℃。
c.控制轧制成形的道岔钢轨在空气中自然冷却至室温。
d.热轧成形的道岔钢轨空冷至相变点，在200～600℃等温处理。
上述几种轧制及轧后处理工艺，都可以提高本发明道岔钢轨的组织稳定性，从而提高钢的强韧性等力学性能。
4.依据本发明生产的准贝氏体道岔钢轨硬度均匀一致，强韧性等综合性能指标优于引用文献介绍的贝氏体钢或贝氏体钢轨。
5.依据本发明生产的准贝氏体道岔钢轨具有优越于珠光体钢轨(或道岔钢轨)的强韧性、优良的耐磨及抗剥离性能、良好的轮轨匹配关系。
本发明最佳实施例中的合金成分见表3。
表3最佳实施例合金成分
| 序号 | 化学成分(％重量) | |||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | Al | Nb | N(ppm) | |
| 1 | 0.13 | 1.28 | 0.68 | 1.90 | 0.25 | 0.008 | 0.005 | 100 |
| 2 | 0.19 | 1.70 | 1.57 | 1.00 | 0.53 | 0.003 | 0 | 70 |
| 3 | 0.21 | 1.82 | 2.30 | 0.30 | 0.53 | 0.002 | 0 | 80 |
| 4 | 0.2 0 | 1.13 | 2.91 | 0 | 0.28 | 0.005 | 0 | 40 |
| 5 | 0.14 | 1.24 | 2.00 | 0.60 | 0.24 | 0.007 | 0 | 120 |
| 6 | 0.19 | 1.79 | 0.40 | 2.20 | 0.55 | 0.003 | 0 | 60 |
| 7 | 0.21 | 1.62 | 2.20 | 0.21 | 0.55 | 0.004 | 0 | 90 |
| 8 | 0.22 | 1.80 | 1.00 | 1.53 | 0.53 | 0.006 | 0 | 70 |
| 9 | 0.14 | 1.11 | 1.87 | 0.80 | 0.50 | 0.005 | 0.04 | 50 |
| 10 | 0.15 | 1.50 | 2.95 | 0 | 0.51 | 0.006 | 0 | 80 |
| 11 | 0.19 | 1.50 | 3.11 | 0 | 0.45 | 0.008 | 0.09 | 95 |
| 12 | 0.24 | 1.63 | 7.80 | 1.80 | 0.48 | 0.001 | 0 | 87 |
| 13 | 0.23 | 1.10 | 0.80 | 1.80 | 0.50 | 0.001 | 0 | 56 |
Claims (17)
1、一种抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨，其特征是，以重量百分数计算，含有C：0.10-0.40％，Si：0.80-2.00％，Mn：0.80-3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.10-0.80％，N：10-150ppm，Al：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，将上述成分的钢热轧成道岔钢轨后冷却：首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速缓慢冷却至200℃，其后在空气中自然冷却，得到高强韧性准贝氏体道岔钢轨。
2.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，还含有Nb：0.005-0.10％。
3.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％。
4.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，硅含量为0.80-1.80％。
5.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，钼含量为0.10-0.55％。
6.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％，硅含量为0.80-1.80％。
7.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％，硅含量为0.80-1.80％，钼含量为0.10-0.55％。
8.如权利要求1所述的道岔钢轨，其特征是，碳含量为0.08-0.30％，硅含量为0.80-1.80％，钼含量为0.10-0.55％，铌含量为0.005-0.10％。
9.如权利要求1-8中任一项所述的道岔钢轨，其特征是，所述的钢轨是铁路道岔钢轨或辙叉。
10.如权利要求1-8中任一项所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，采用转炉冶炼按所述成分制造熔融的钢，进行炉外精炼，然后经稀土处理，真空除气，连铸成大方坯，采用万能轧制法、孔型轧制法热轧或控轧成道岔钢轨后冷却：首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速缓慢冷却至200℃，其后在空气中自然冷却，得到高强韧性准贝氏体道岔钢轨。
11、如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，转炉冶炼时采用无铝脱氧剂进行脱氧。
12.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，连铸大方坯的截面尺寸为200mm×200mm～650mm×650mm。
13.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，所述的热轧是，将连铸坯在1150-1350℃加热，采用万能轧制法或孔型轧制法轧制成道岔钢轨，终轧温度≥1000℃。
14.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，所述的控轧是，将连铸坯在1100-1350℃加热，采用万能轧制法或孔型轧制法轧制成道岔钢轨，开轧温度控制在850-1150℃，终轧温度控制在650-950℃。
15.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，采用万能轧制法或孔型轧制法控制轧制成道岔钢轨以后空冷到室温。
16.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，轧制成形以后空冷，并进行回火处理，回火温度为240～660℃。
17.如权利要求10所述的抗磨损、高强韧性准贝氏体道岔钢轨的生产工艺，其特征在于，热轧空冷至相变点后，在150～580℃等温处理。
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