CN1754973A - 含Cr热处理轨钢 - Google Patents
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Abstract
一种含Cr热处理轨钢，其主要化学成分的重量配比为：C 0.72～0.84％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.70～1.20％、Cr 0.15～0.55％、P0.005～0.030％、S 0.005～0.030％、余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质；该钢种经CCT曲线测定和实际钢轨热处理试验，以1～2℃/s的冷却速度喷压缩空气热处理后得到高的轨面硬度，在热轧状态下Rm≥880MPa，A≥8％；经压缩空气热处理后Rm＝1250～1400MPa，A＝10～15％，轨头轨顶面硬度为360HB～410HB；具有细片状珠光体组织；焊接后空冷具有自硬化性能，省去焊后再硬化工序，降低能耗和热处理成本，特别对解决铁路现场气压焊焊接接头硬度的低落更为明显，从而提高了焊接接头的使用平顺性和寿命。
Description
①技术领域
本发明涉及一种钢材，尤其是一种含Cr 0.15％～0.55％的热处理钢轨用钢材。
②背景技术
提高钢轨的强度(或硬度)可以改善其耐磨性能，通常通过合金化或热处理的方法来达到。由于热处理钢轨的综合性能更为优良而被世界各国广泛应用。对珠光体型钢轨，在保证不出现高碳脆性马氏体等有害组织的前提下，硬度越高，钢轨的耐磨性能越好，特别是在钢轨磨耗严重的地段其铺设使用寿命显著延长。现代铁路大多铺设无缝线路，因此热处理钢轨还应当具有良好的焊接性能。
目前我国现有U74、U71Mn、U75V、U76NbRE四种钢轨钢，是按热轧态使用设计的，没有专用的热处理钢轨钢种。而铁路的发展又急需大量的热处理钢轨，因此只好采用这些钢种的钢轨进行热处理。多年实践证明，上述四种钢轨用于热处理均存在不足。U74钢轨的含碳量为0.65～0.80％，成分范围太宽。当含碳量为0.65％左右时，只有当冷却速度大于约7.5℃/s，热处理后轨钢硬度值才能大于HV340，而冷却速度大于7.5℃/s，对上限含碳量的U74钢轨则已出现了高碳脆性马氏体组织。因此，难以进行热处理工艺的控制。U71Mn钢轨，由于含锰量为1.0～1.4％，当含锰量大于1.2％时，由于锰的微观偏析，在热处理时常在锰偏析处形成马氏体组织也不适合进行热处理。U75V、U76NbRE钢轨热处理后其抗拉强度提高幅度仅为25％左右，且含有强碳化物形成元素V、Nb，钢轨焊接接头在正常正火后轨面硬度低于热处理钢轨本身硬度，因此必须进行再硬化才能使其恢复到所需硬度，虽然在焊轨厂内或焊轨基地可以实施，但对铁路线上现场气压焊接则难以实施。焊接接头硬度低落处在使用中出现低接头，从而影响无缝线路运行的平顺性。本发明含Cr热处理轨钢则克服了上述的不足，表现出很好的热处理性能、焊接性能和焊后自硬化性能。
③发明内容
本发明的目的是提供一种压缩空气冷却热处理的含Cr轨钢。该热处理轨钢热轧状态下抗拉强度Rm≥880MPa，伸长率A≥8％；经压缩空气冷却热处理后抗拉强度Rm为1250～1400MPa，伸长率A为10～15％，钢轨轨头轨顶面硬度比现有热处理钢轨高，可达到360HB～410HB，并且具有良好的焊接性能和焊接接头自硬化能力。
本发明是在普通碳素钢轨钢的元素基础上加入有利于提高钢轨热处理性能的普通合金元素Cr。根据不同使用条件和性能要求，其主要合金元素的重量配比可进一步优化为以下几种：
1.C 0.72～0.84％、Si 0.15～0.35％、Mn0.70～1.20％、Cr0.15～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
2.C 0.72～0.80％、Si 0.15～0.35％、Mn0.80～1.10％、Cr0.15～0.30％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
3.C 0.72～0.80％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.80～1.10％、Cr0.31～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
4.C 0.76～0.84％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.70～1.20％、Cr0.15～0.30％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
5.C 0.76～0.84％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.70～1.20％、Cr0.31～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
上述1至5项，含Cr热处理轨钢的杂质中，按重量配比：P 0.005～0.030％、S 0.005～0.030％。
本发明的上述含Cr热处理轨钢，经常规氧气转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和连续浇注生产。钢坯经轧制成钢轨后，用压缩空气冷却进行在线或离线钢轨热处理。
本发明的含Cr热处理轨钢具有以下性能特征：
1.热轧状态下抗拉强度大于880MPa，用于铁路一般干线，经压缩空气冷却热处理后抗拉强度大于1250MPa，具有高的抗磨性能，可满足铁路主要干线和重载铁路的使用要求。
2.本发明加入适量的合金元素Cr，大大改善了钢轨的热处理工艺性能。在较低的冷却速度下(1～2℃/s)可得到高的硬度。
3.采用本发明钢种进行热处理时，得到细片状珠光体组织，避免马氏体组织的出现。
4.当本发明钢种含C为0.72～0.80％、Cr为0.15～0.30％时，钢轨经压缩空气冷却热处理后抗拉强度大于1250Mpa。
5.当本发明钢种含C为0.76～0.84％、Cr为0.31～0.55％时，钢轨经压缩空气冷却热处理后抗拉强度可达到1300～1400MPa，可进一步提高钢轨在年通过总重大于亿吨的重载铁路曲线上的使用寿命。
6.本发明含Cr热处理钢轨正常焊接时，不会出现马氏体组织，厂焊和现场气压焊均无需焊后再硬化，表现出良好的焊接接头轨面自硬化性能，减少使用中焊接接头低陷的形成，从而提高无缝线路运行平顺性和焊接接头使用寿命。
④附图说明
图1是本发明含Cr热处理轨钢的连续冷却曲线(CCT曲线)图。
图2是本发明含Cr处理钢轨热处理后的硬度图。
图3a是本发明含Cr热处理钢轨热处理后的细珠光体金相图。
图3b是在电镜下的珠光体形貌图。
图4是本发明含Cr热处理轨钢的焊接连续冷却曲线(CCT曲线)图。
⑤具体实施方式
含Cr热处理轨钢，是在普通碳素钢轨钢的基础上加入有利于提高钢轨热处理工艺性能和质量的普通合金元素Cr。其主要化学成分按重量百分比计为，C 0.72～0.84％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.70～1.20％，Cr 0.15～0.55％，P 0.005～0.030％，S 0.005～0.030％，其余为铁、其他残留元素和杂质。上述含Cr热处理轨钢，经常规氧气转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和连续浇注生产。钢坯经轧制成钢轨后，用压缩空气冷却进行在线或离线钢轨热处理。
由图1可知，采用1～1.7℃/s的冷却速度冷却轨钢的硬度达到362HV～391HV；
由图2可知，实物钢轨通过喷射压缩空气热处理后，轨头硬度达到39.5HRC-42.5HRC，且分布合理。与现有U74、U71Mn、U75V、U76NbRE轨钢相比，不仅具有高的硬度而且节省冷却时压缩空气用量，既减少钢轨热处理成本，又提高钢轨耐磨性并延长使用寿命，具有优异的性价比。
如图3a、图3b所示，本发明钢轨热处理后(冷却速度1～2℃/s)的显微组织为细片状珠光体；由于Mn含量≤1.2％，不会像U71Mn钢轨那样易在Mn偏析处出现马氏体。
如图4所示，本发明钢种焊接连续冷却曲线(CCT曲线)表明，当钢轨焊接时两钢轨对接端面被重新加热到约1300℃，加压焊接后在空气中自然冷却(冷却速度约为0.5～0.75℃/s)，其硬度可达391HV～396HV，与热处理钢轨硬度基本相匹配，可有效抑制钢轨焊接接头硬度低落区的形成，从而省去焊后再硬化工序，特别是对提高现场气压焊焊接接头的平顺性和使用寿命十分有利。
本发明最佳实施例中的化学成分如表1。
本发明含Cr热处理钢轨的力学性能如表2。
表1 最佳实施例中的化学成分(％)
| 序号 | C | Si | Mn | Cr | P | S |
| 1 | 0.76 | 0.20 | 1.05 | 0.25 | 0.015 | 0.010 |
| 2 | 0.72 | 0.30 | 1.10 | 0.28 | 0.012 | 0.015 |
| 3 | 0.80 | 0.25 | 1.10 | 0.20 | 0.018 | 0.020 |
| 4 | 0.82 | 0.27 | 0.90 | 0.18 | 0.020 | 0.015 |
| 5 | 0.74 | 0.32 | 1.08 | 0.30 | 0.025 | 0.010 |
| 6 | 0.75 | 0.30 | 1.10 | 0.22 | 0.021 | 0.013 |
| 7 | 0.78 | 0.26 | 1.00 | 0.45 | 0.016 | 0.010 |
| 8 | 0.76 | 0.20 | 0.95 | 0.50 | 0.017 | 0.012 |
| 9 | 0.82 | 0.23 | 1.10 | 0.40 | 0.023 | 0.022 |
| 10 | 0.84 | 0.21 | 0.80 | 0.20 | 0.019 | 0.016 |
表2 本发明含Cr热处理钢轨的力学性能
| 序号 | C/％ | Mn/％ | Cr/％ | Rm/MPa | A/％ |
| 1 | 0.76 | 1.05 | 0.25 | 1270 | 14 |
| 2 | 0.80 | 1.10 | 0.20 | 1290 | 13 |
| 3 | 0.75 | 1.08 | 0.30 | 1310 | 13 |
| 4 | 0.76 | 0.95 | 0.50 | 1360 | 12 |
| 5 | 0.78 | 1.00 | 0.45 | 1370 | 12 |
| 6 | 0.82 | 1.10 | 0.40 | 1390 | 11 |
Claims (6)
1.一种含Cr热处理轨钢，其特征是，主要化学成分的重量配比为：C0.72～0.84％、Si0.15～0.35％、Mn0.70～1.20％、Cr0.15～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的含Cr热处理轨钢，其特征是，主要化学成分的重量配比为：C0.72～0.80％、Si0.15～0.35％、Mn0.80～1.10％、Cr0.15～0.30％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的含Cr热处理轨钢，其特征是，主要化学成分的重量配比为：C0.72～0.80％、Si0.15～0.35％、Mn0.80～1.10％、Cr0.31～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的含Cr热处理轨钢，其特征是，主要化学成分的重量配比为：C0.76～0.84％、Si0.15～0.35％、Mn0.70～1.20％、Cr0.15～0.30％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的含Cr热处理轨钢，其特征是，主要化学成分的重量配比为：C0.76～0.84％、Si0.15～0.35％、Mn0.70～1.20％、Cr0.31～0.55％，余量为Fe、其他残留元素和不可避免的杂质。
6.如权利要求1至5任意一项所述含Cr热处理轨钢，其特征是：所述杂质中，按重量配比为：P0.005～0.030％、S0.005～0.030％。
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