CN1978690A - 具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法，它的化学成分(wt％)，C：0.10～0.35％，Si：0.80～2.00％，Mn：0.80～3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.05～0.80％，N：10～100ppm，复合加入Nb、Ti，Nb：0.005～0.10％，Ti：0.005～0.13％，并且Nb+Ti≤0.16％，其余为Fe和不可避免的杂质，它采用如下的生产方法，真空保压处理或连铸坯于A_C3点以下50～100℃等温处理控制钢轨氢含量≤1.0ppm，钢轨热轧后预弯或控制钢轨最佳矫直压下量，钢轨残余应力≤200MPa；采用湍流器及控制钢包及中间包的碱度0.9≤R≤2.5，在真空除气过程中弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h，使钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤ 40μm。本发明钢轨热轧后在空气中自然冷却，使钢轨达到具有优异的抗疲劳性能，钢轨疲劳试验，200万次以上完好无损。

Description

具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料，特别涉及一种含贝氏体组织的钢轨及这种钢轨的生产方法。

背景技术

贝氏体钢轨的专利及文献报道主要集中在化学成分及组织性能的调整对钢轨耐磨损及耐滚动接触疲劳性能的影响上。贝氏体钢及钢轨大多需要回火处理，如高速准高速铁路道叉高性能耐磨钢及制造方法(专利号98112095.4)、中低碳锰系贝氏体钢(申请号03150092.7)介绍的钢轨产品由于没有涉及到Nb和Ti复合加入的方法及相应的控制手段，均需进行低温回火处理，通过回火生产贝氏体钢轨的技术已经比较成熟。但利用低温回火工艺生产钢轨工序复杂，生产成本也高，对提高钢轨产能不利，提高贝氏体钢轨生产能力需要投入新的设备，特别在老厂生产贝氏体钢轨，由于场地等空间条件的限制难以实现。

钢轨生产厂家为了满足铁路部门对钢轨平直度及扭转的要求，要对钢轨进行辊矫，不可避免地会在轨头及轨底产生一定的残余拉应力，残余应力随着钢轨的强度级别的提高而升高，贝氏体钢轨的强度级别明显高于以往生产的钢轨的水平，因此残余拉应力的水平更高，较高的残余拉应力使钢轨发生疲劳损伤的可能性增加。

非金属夹杂与残余拉应力共同作用，也使钢轨发生轨头疲劳伤损的机会增加。对普通珠光体钢轨(不含不稳定的组织)来说，一般σ_b≤1200MPa(残余应力≤300MPa)，当非金属夹杂≥0.2mm时，极易引起轨头疲劳伤损(核伤)。由于贝氏体钢轨属于超高强度级别(1100MPa-1500MPa)的钢轨，钢轨的残余拉应力≥300MPa，因此，与珠光体钢轨同样尺寸的非金属夹杂物只会使贝氏体钢轨发生疲劳损伤的可能性加大。

与贝氏体钢轨贝氏体组织伴生的残余奥氏体的不稳定性，更增加了钢轨发生疲劳损伤的危险。

众所周知，氢在钢中极易引氢脆，较高的氢含量加剧了非金属夹杂物、残余应力、残余奥氏体不稳定性对贝氏体钢轨疲劳性能的不利影响。

发明内容

针对上述问题本发明的目的是公开一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：提供一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体钢轨，通过在钢中添加合金元素制成，特征在于化学成分，以重量百分数计算，含有C：0.10～0.35％，Si：0.80～2.00％，Mn：0.80～3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.05～0.80％，N：10～100ppm，复合加入Nb、Ti，Nb：0.005～0.10％，Ti：0.005～0.13％，并且Nb+Ti≤0.16％，H≤1.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明Nb、Ti的复合加入使组织进一步细化，尤其是使粗大的M-A组织得到细化，单独加Nb或V或Ti或Nb、V或V、Ti复合加入效果均不如Nb、Ti复合加入，采用Nb、Ti复合加入的方法使钢轨的组织得到很好的细化，具备了钢轨取消回火所需的组织条件。

本发明还可以根据需要在上述钢轨成份中加入Ni、W中之一或相互之间以不同的组合形式加入，其中Ni：≤0.8％，W：≤0.8％。加入Ni、W用来进一步提高残余奥氏体的稳定性。

本发明具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨生产方法是通过对控制生产流程中的工艺条件来实现的，在LF精炼炉、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直等生产流程中通过控制一个或一个以上的工艺条件来实现钢轨氢含量≤1.0ppm、钢轨残余应力≤200MPa、钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm，其中：

1控制钢轨氢含量≤1.0ppm：保证冶炼原料的干燥，真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯于A_C3点以下50～100℃等温处理，控制钢轨氢含量≤1.0ppm。

2控制钢轨残余应力≤200MPa：

采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最大矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力的方法，控制钢轨残余应力≤200MPa。

3控制钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm：

a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量，

b控制精炼渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5，

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h；

从而使钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm。

上述三种方法可以单独使用，也可以同时使用两种，也可以三种方法同时使用，使用两种或三种方法其抗疲劳性能更好。

本发明的优点和效果在于通过对钢轨的化学成分、生产工艺的控制，从而改变钢轨的组织性能、控制钢轨中氢含量、残余应力及夹杂物尺寸，本发明钢轨通过热轧后在空气中自然冷却，无须回火处理，使钢轨达到具有优异的抗疲劳性能，对本发明的贝氏体钢轨疲劳试验，200万次完好无损。

具体实施方式

本发明的化学成分为，以重量百分数计算，含有C：0.10～0.35％，Si：0.80～2.00％，Mn：0.80～3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.05～0.80％，N：10～100ppm，复合加入Nb、Ti，Nb：0.005～0.10％，Ti：0.005～0.13％，并且Nb+Ti≤0.16，H≤1.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明还可以根据需要在上述钢轨成份中加入Ni、W中之一或相互之间以不同的组合形式加入，其中Ni：≤0.8％，W：≤0.8％。加入Ni、W用来进一步提高残余奥氏体的稳定性，单独加Nb或V或Ti或Nb、V或V、Ti复合加入效果均不如Nb、Ti复合加入。采用Nb、Ti复合加入的方法使钢轨的组织得到很好的细化，具备了钢轨取消回火所需的组织条件。

本发明为获得上述性能，其化学成分按表1a控制，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1a化学成分

化学成分(wt％)
									C	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	Ti	Nb+Ti	N(ppm)
0.10～0.35	0.80～2.00	0.80～3.30	＜2.00	0.10～0.80	0.005～0.10	0.005～0.13	≤0.16	10～100

本发明具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨生产方法是通过对控制生产流程中的工艺条件来实现的，在LF精炼炉、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直等生产流程中通过控制一个或一个以上的工艺条件来实现钢轨氢含量≤1.0ppm、钢轨残余应力≤200MPa、钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm，其中：

1控制钢轨氢含量≤1.0ppm：保证冶炼原料的干燥，真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯于A_C3点以下50～100℃等温处理，控制钢轨氢含量≤1.0ppm。

2控制钢轨残余应力≤200MPa：

采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最大矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力的方法，控制钢轨残余应力≤200MPa。

3控制钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm：

a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量，

b控制精炼炉渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5，

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h，

从而使钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm。

上述的方法可以单独使用，也可以同时两种，也可以三种方法同时使用，使用两种或三种方法其抗疲劳性能更好。

表1b为几种钢轨与本发明的性能指标对比：

表1b性能指标

序号	H(ppm)	残余应力(MPa)	非金属夹杂(μm)	实物疲劳试验200万次
					贝氏体钢轨1	2.2	300	60	出现裂纹
贝氏体钢轨2	1.5	250	50	出现裂纹
					贝氏体钢轨3	1.2	150	100	出现裂纹
贝氏体钢轨4	0.9	320	40	150万次断裂
					本发明钢轨	0.3-1.0	50-200	10-40	完好

表2a及表2b为本发明的最佳实施例。

表2a最佳实施例化学成分

序号	产品化学成分(重量％)
												C	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	Ti	Nb+Ti	Ni	W	N(ppm)
	1	0.13	1.28	0.98	1.90	0.25	0.005	0.13	0.135														100
2												0.10	1.70	1.57	1.00	0.53	0.07	0.01	0.08			70
	3	0.21	1.82	2.30	0.30	0.53	0.03	0.08	0.11	0.80													80
4												0.30	0.90	2.91	0	0.10	0.07	0.08	0.15	0.30	0.40	40
	5	0.19	1.95	0.40	2.00	0.55	0.01	0.01	0.02														60
6												0.14	1.01	1.27	0.80	0.50	0.08	0.08	0.16	0.39		50
	7	0.22	1.90	1.00	1.53	0.80	0.08	0.005	0.085		0.80												70
8												0.12	1.50	3.11	0	0.45	0.09	0.05	0.14			95
	9	0.35	1.63	0.80	1.80	0.20	0.10	0.03	0.13														87

表2b最佳实施例控制方法及相应有益效果

序号	方法			效果
								H控制	残余应力控制	夹杂物控制	H(ppm)	残余拉应力(MPa)	非金属夹杂(μm)	*实物疲劳试验200万次
	1	VD保压时间(16min)			1.0										无裂痕
2										1、采用湍流器2、精炼渣及中间包钢渣碱度0.93、VD炉弱吹氩，氩气流量60M3/h，时间2分钟			25	无裂痕
	3		辊矫参数(压下量最大值)(mm)16			160									无裂痕
4								VD保压时间20min			0.80			无裂痕
	5		24			60									无裂痕
6								VD保压时间12min	24	1、采用湍流器2、精炼渣及中间包钢渣碱度2.03、VD炉弱吹氩，氩气流量70M3/h，时间9分钟	0.9	60	40	300万次无裂痕
	7	VD保压时间18min连铸坯650℃等温		1、采用湍流器2、精炼渣及中间包钢渣碱度2.33、VD炉弱吹氩，氩气流量45M3/h，时间11分钟	0.5		10								230万次无裂痕
8								VD保压时间12min连铸坯670℃等温	35		0.3	200		220万次无裂痕
	9	VD保压时间30min			0.6										无裂痕

注^*疲劳实验条件：应力比R＝0.2，跨距L＝1.0米，频率f＝317次/分，试验载荷P_min/P_max＝94KN/470KN

Claims (9)

1，一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨，其特征在于采用以下化学成分，重量百分比，C：0.10～0.35％，Si：0.80～2.00％，Mn：0.80～3.30％，Cr：＜2.00％，Mo：0.05～0.80％，N：10～100ppm，复合加入Nb、Ti，Nb：0.005～0.10％，Ti：0.005～0.13％，并且Nb+Ti≤0.16％，H≤1.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

2，根据权利要求1所述的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨，其特征在于在上述成份中加入Ni、W中一种或两种同时加入，其中Ni：≤0.8％，W：≤0.8％。

3，按权利要求书1-2中任一项中的一钟具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，钢轨的生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于，通过控制冶炼及真空除气和/或连铸坯等温处理实现钢轨氢含量≤1.0ppm，其方法为保证冶炼原料的干燥，真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯在A_c3点以下50～100℃等温处理。

4，按权利要求书1-2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，钢轨的生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于，通过控制钢轨残余应力≤200MPa，其方法为采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最佳矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力。

5，按权利要求书1-2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，本发明的钢轨生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于，通过LF精炼炉、真空除气及大方坯连铸工艺控制钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm，

a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量；

b控制精炼渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5；

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h。

6，按权利要求书1-2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，本发明的钢轨生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于，通过控制上述工艺条件来实现钢轨氢含量≤1.0ppm、钢轨残余应力≤200MPa、钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm，其中：

1)控制钢轨氢含量≤1.0ppm，通过冶炼及真空除气工艺进行控制，保证冶炼原料的干燥，真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯于A_c3点以下50～100℃等温处理；

2)控制钢轨残余应力≤200MPa；采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最佳矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力的方法控制钢轨残余应力≤200MPa；

3)通过控制LF精炼炉、真空除气及大方坯连铸工艺，控制钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm，

a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量；

b控制精炼渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5；

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h，实现钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm。

7，按权利要求书1-2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，钢轨生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于：采用控制钢轨氢含量≤1.0ppm及钢轨残余应力≤200MPa实现的方法，

1)保证冶炼原料的干燥，VD真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯于A_c3点以下50～100℃等温处理控制钢轨氢含量≤1.0ppm；

2)采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最佳矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力的方法控制钢轨残余应力≤200MPa。

8，按权利要求书1～2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，本发明的钢轨生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于采用控制钢轨氢含量≤1.0ppm及钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm的方法，

1)保证冶炼原料的干燥，VD真空保压处理时间为12～30分钟及保护浇铸方式和/或连铸坯于A_c3点以下50～100℃等温处理控制钢轨氢含量≤1.0ppm；

2)控制钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm；

a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量；

b控制精炼渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5；

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h。

9，按权利要求书1-2中任一项中的一种具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨的生产方法，本发明的钢轨生产流程是这样的，LF炉精炼、真空除气、大方坯连铸、万能法轧制、平立复合矫直机矫直，其特征在于采用控制钢轨残余应力≤200MPa及钢轨单个非金属夹杂物尺寸≤40μm的方法，

1)采用控制钢轨热轧后预弯500mm的挠度或控制钢轨最佳矫直压下量16～35mm或钢轨矫直以后通过超声时效消除部分残余应力的方法控制钢轨残余应力≤200MPa；

2)a采用方形或圆形收口式、底部带波纹的湍流器，使中间包内液面保持稳定，流场流动集中于控流装置上方，有利于夹杂物充分上浮易被液面保护渣吸附，纯净钢水，提高钢轨质量；

b控制精炼渣及中间包钢渣的碱度0.9≤R≤2.5；

c在真空除气过程中控制弱吹氩时间为1～11分钟，流量为50～150M³/h。