一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋼軌材料，特別涉及一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明將含有0.15～0.30％C、1.00～1.80％Si、1.50～2.50％Mn、0.20～0.60％Cr，0.05～0.10％Mo，余量為Fe并的鋼經(jīng)加熱并軋制為所需斷面鋼軌后，利用鋼軌余熱，當(dāng)軌頭踏面自然冷卻至450-500℃時采用3.0～6.0℃/s的冷速對鋼軌的軌頭部位進(jìn)行加速冷卻，當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至220～300℃停止加速冷卻并空冷至室溫，獲得無碳化物貝氏體+少量馬氏體+少量殘余奧氏體復(fù)相鋼，該鋼具有優(yōu)良的耐磨損性能，適宜于重載鐵路應(yīng)用。
【專利說明】一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼軌材料，特別涉及一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路技術(shù)的飛速發(fā)展對鋼軌的服役性能提出了更高要求。目前，我國鐵路鋼軌以 碳含量〇. 60%?0. 85%的珠光體系列碳素軌、微合金化鋼軌及高強(qiáng)度熱處理鋼軌為主，同 時應(yīng)用了少量貝氏體鋼軌。珠光體鋼軌具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本低、組織與性能穩(wěn)定等 特點。然而，珠光體鋼軌也存在一定不足，例如同等強(qiáng)度級別下接觸疲勞強(qiáng)度低，在車輪往 復(fù)應(yīng)力作用下軌頭部位易出現(xiàn)剝離掉塊、裂紋、核傷等傷損，不利于鐵路長壽化發(fā)展，特別 是近年來，隨著鐵路行車密度、車輛軸重的不斷提高，鋼軌服役環(huán)境愈加苛刻，部分路段特 別是曲線部位鋼軌服役不足一年甚至幾個月即因嚴(yán)重傷損或磨耗到限等原因提前更換下 道，降低行車效率的同時給鐵路運輸安全帶來隱患。材料技術(shù)的不斷發(fā)展為鋼軌用材提供 了新選擇，科研人員在不斷優(yōu)化完善現(xiàn)有珠光體鋼軌各項指標(biāo)的同時，積極探索了具備成 為未來鋼軌用材的另一項選擇--貝氏體鋼軌。
[0003] 我國自上世紀(jì)九十年代以來開展了多種組分的貝氏體鋼軌的研制和開發(fā)工作，大 多采用低碳含量設(shè)計，輔以適量的Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V、Nb等元素，在空氣中連續(xù)冷卻條件 下直接得到以貝氏體組織為主，同時包含少量先共析鐵素體、殘余奧氏體以及馬氏體的復(fù) 相鋼。鋼軌經(jīng)軋制、空冷至室溫后再進(jìn)入加熱爐中進(jìn)行回火穩(wěn)定化處理，促進(jìn)鋼中的殘余奧 氏體、馬氏體等亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變，獲得室溫條件下組織穩(wěn)定的鋼軌。采用該方法制造的鋼軌 具有良好的強(qiáng)韌性匹配，軌頭部位抗拉強(qiáng)度不低于1200MPa、延伸率不低于12%、常溫U性 沖擊韌性不低于50J，基本能夠滿足疲勞問題突出但對耐磨損性能要求不高的線路的使用 并取得了積極效果。然而，在產(chǎn)業(yè)化及批量推廣應(yīng)用過程中遇到了難題：首先，采用直接自 然空冷方式得到貝氏體組織，意味著鋼中需大量添加能夠有效抑制珠光體?鐵素體轉(zhuǎn)變而 不明顯抑制貝氏體轉(zhuǎn)變的元素；其中，效果最好的為Mo元素，而Mo屬于昂貴合金元素 ，Mo 的添加將使貝氏體鋼軌成本大幅提升，無法獲得更高的性價比；此外，部分貝氏體鋼軌根據(jù) 需要添加了 Ni元素，與Mo相似，Ni同樣是昂貴合金元素，將導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。另一方 面，為減少鐵路焊接接頭，提高線路的平順性，世界各國均在大力推廣長定尺鋼軌。以我國 為例，目前采用l〇〇m長尺鋼軌的比例已超過此前的25m定尺，對于貝氏體鋼軌，由于需要回 火處理，而現(xiàn)有條件下尚不具備l〇〇m長鋼軌回火的條件，進(jìn)一步限制了貝氏體鋼軌的大規(guī) 模應(yīng)用。因此，亟需開發(fā)一種合金含量特別是貴重合金含量更低并且無需回火直接上道應(yīng) 用的高強(qiáng)度貝氏體鋼軌，滿足我國鐵路特別是重載鐵路發(fā)展需要具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方法。
[0005] 本發(fā)明一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌，鋼軌軌頭上圓角部位及踏面中心顯微組織由寬度 0. 2?1. 0 μ m的貝氏體鐵素體片條和其間交替分布的厚度為0. 01?0. 1 μ m的薄膜殘余奧 氏體，以及比例為1?5%的馬氏體組成的復(fù)相組織。
[0006] 作為優(yōu)選方案，上述高強(qiáng)度貝氏體鋼軌的化學(xué)成分以重量百分比計為：C :0. 15? 0· 30%，Si :1· 00 ?1. 80%，Μη :1· 50 ?2. 50%，Cr :0· 20 ?0· 60%，Mo :0· 05 ?0· 10%， 且3. 0%< Si+Mn+Cr，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 進(jìn)一步的，本發(fā)明還公開了上述高強(qiáng)度貝氏體鋼軌的生產(chǎn)方法，包括轉(zhuǎn)爐或電爐 冶煉一LF精煉一RH或VD真空處理一連鑄一加熱一軋制一熱處理一平立復(fù)合矯直、探傷、 加工；其中，除熱處理步驟外，均可以采用現(xiàn)有方法，所述熱處理為：利用終軋后的余熱鋼 軌，當(dāng)軌頭踏面自然冷卻至450?500°C時，對鋼軌的軌頭部位施加冷卻介質(zhì)進(jìn)行加速冷 卻，冷卻速度為3. 0?6. 0°C /s，當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至220?300°C停止加速冷卻并空 冷至室溫。
[0008] 其中，所述冷卻介質(zhì)為壓縮空氣和水汽混合物中的至少一種。
[0009] 力學(xué)性能測試表明，軌頭部位抗拉強(qiáng)度> 1400MPa、延伸率> 12%、軌頭踏面硬 度彡420HB、軌頭全斷面硬度> 40HRC、室溫條件下軌頭U型沖擊> 60J，-20斷裂韌性 Κκ彡80MPa · m1/2,其余各項指標(biāo)均滿足現(xiàn)行鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，適宜于重載鐵路特別是對 接觸疲勞及耐磨損性能要求較高的路段。
[0010] 本發(fā)明有益效果：
[0011] (1)、本發(fā)明高強(qiáng)度貝氏體鋼軌合金含量低，成本低廉；
[0012] (2)、本發(fā)明高強(qiáng)度貝氏體鋼軌顯微組織更加細(xì)化，貝氏體鐵素體片條平均寬度未 超過1. 〇ym ;馬氏體比例更低，相同碳含量下具有更好的強(qiáng)韌化匹配；
[0013] (3)、本發(fā)明高強(qiáng)度貝氏體鋼軌力學(xué)性能優(yōu)異，滿足現(xiàn)行鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，適宜 于重載鐵路特別是對接觸疲勞及耐磨損性能要求較高的路段；
[0014] (4)、本發(fā)明高強(qiáng)度貝氏體鋼軌無需回火直接上道應(yīng)用。

【具體實施方式】
[0015] 為獲得本發(fā)明所述產(chǎn)品，鋼中主要化學(xué)元素含量及生產(chǎn)工藝應(yīng)滿足以下要求： C:0. 15%?0· 30%，Si :L 00%?L 80%，Mn :L 50%?2. 50%，Cr :0· 20%?（λ 60%，M〇 : 0. 05%?0. 10%，余量為Fe并滿足3. 0%< Si+Mn+Cr，以下詳細(xì)說明本發(fā)明所述鋼軌主要 化學(xué)元素限制在上述范圍的原因。
[0016] 碳（C)是貝氏體鋼獲得良好強(qiáng)韌性匹配和綜合力學(xué)性能最重要的元素。當(dāng)碳含量 低于0. 15%時，無法充分發(fā)揮強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致鋼軌強(qiáng)硬度過低，進(jìn)而無法保證鋼軌的耐磨損 性能；當(dāng)碳含量高于〇. 30%時，采用加速冷卻工藝后，鋼軌的強(qiáng)度指標(biāo)過高而韌塑性過低， 不利于鋼軌的服役安全性。因此，碳含量限定在〇. 15% -0. 30%。
[0017] 硅（Si)作為鋼中的主要添加元素通常以固溶形式存在于鐵素體中，能夠提高組 織強(qiáng)度。當(dāng)硅含量低于1.00%時，無法有效抑制鋼中粗大、呈不連續(xù)分布的碳化物析出，無 法獲得無碳化物貝氏體鋼；當(dāng)硅含量高于1.80%時，對鋼軌的組織與性能無顯著提高，同 時增加鋼軌表面產(chǎn)生缺陷的幾率。因此，硅含量限定在1. 〇〇% -1. 80%。
[0018] 錳（Μη)能夠顯著降低貝氏體組織開始轉(zhuǎn)變溫度，增加碳化物的硬度，是貝氏體鋼 中的重要添加元素。當(dāng)錳含量低于1. 50%時，對貝氏體鋼的積極作用難以達(dá)到；當(dāng)錳含量 高于2. 50%時，鋼軌的疲勞性能顯著降低。因此，錳含量限定在1. 50% -2. 50%。
[0019] 鉻（Cr)能夠促進(jìn)C曲線右移并增加鋼軌的淬透性，同樣是貝氏體鋼中的重要添加 元素。當(dāng)鉻含量低于0. 20%時，其在鋼中的作用難以顯現(xiàn)；當(dāng)鉻含量高于0. 60%時，易于鋼 中的碳形成復(fù)雜碳化物，雖然有益于磨損性能的提高，但同時會惡化鋼軌的韌塑性。因此， 鉻含量限定在〇. 20 % -0. 60 %。
[0020] 鑰（Mo)對于降低貝氏體組織開始轉(zhuǎn)變溫度具有極為顯著的效果，并且有利于穩(wěn) 定和強(qiáng)化貝氏體組織。在熱軋空冷貝氏體鋼軌鋼中，為降低相變溫度，鋼中鑰含量一般在 0. 20% -0. 50%，但對于軋后控冷鋼軌，加速冷卻工藝對降低貝氏體Bs點，促進(jìn)更細(xì)化的下 貝氏體組織形成的作用較Mo的作用更強(qiáng)。因此，作為貴重合金元素，Mo含量可顯著降低； 同時考慮到鋼軌焊接等因素，將Mo含量限定在0.05% -0. 10%。
[0021] 為確保本發(fā)明所述獲得更優(yōu)的服役性能，Si+Mn+Cr需滿足3. 0%< Si+Mn+Cr，原 因是，即使采用軋后加速冷卻工藝，為確保連續(xù)冷卻過程中獲得盡可能多且細(xì)化的貝氏體 組織，仍需保證鋼中Si、Mn、Cr元素含量在一定范圍內(nèi)。當(dāng)Si+Mn+Cr含量低于3. 0%時，即 使采用加速冷卻，也無法完全抑制鋼中先共析鐵素體析出，無法達(dá)到本發(fā)明的目的。因此， Si+Mn+Cr 含量需滿足 3. 0%彡 Si+Mn+Cr。
[0022] 將含有上述化學(xué)成分的鋼經(jīng)轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為 一定斷面連鑄坯后送至步進(jìn)式加熱爐中加熱至1200-1300°C并保溫2h以上，將鋼坯軋制為 所需斷面鋼軌；此時，鋼軌的終軋制溫度為850-950°C。
[0023] 將鋼軌直立于輥道后在空氣中靜置空冷，待鋼軌軌頭表層溫度降至450-500°C后 對鋼軌軌頭頂面和兩側(cè)施加加速冷卻介質(zhì)。此處，加速冷卻介質(zhì)可為壓縮空氣或水霧混合 氣。下面詳細(xì)闡述開始加速冷卻溫度設(shè)定為450-500°C的原因。研究表明，乳后空冷條件下， 貝氏體鋼軌的相變溫度在350-400°C之間，如從奧氏體相區(qū)開始實施加速冷卻，一方面由于 開始加速冷卻溫度距離相變溫度范圍較寬，需冷較長卻時間，將耗費較多的冷卻介質(zhì)能源； 更重要的是，在加速冷卻過程中，鋼軌軌頭表層受到外界冷卻介質(zhì)加速冷卻的同時，來自軌 頭心部和軌腰部位的熱量將通過熱傳遞向軌頭表層擴(kuò)散，導(dǎo)致軌頭部位難以在更大的過冷 度下完成相變，并最終導(dǎo)致軌頭斷面的強(qiáng)硬度出現(xiàn)由表層至心部遞減的現(xiàn)象，無法實現(xiàn)全 面硬化。采用450-500°C作為冷卻開始溫度的益處是：在奧氏體相區(qū)至500°C溫度區(qū)間實施 加速冷卻，對提高鋼軌的綜合性能指標(biāo)無顯著幫助。當(dāng)鋼軌冷卻至450-500°C時，軌腰與軌 底的溫度均低于450°C ;此時，實施加速冷卻，軌頭表層溫度顯著降低，而來自軌頭心部的熱 量難以有效補(bǔ)充，同時，因距離相變點較近，可使軌頭全斷面特別是軌頭心部在更大的過冷 度下完成相變。在此過程中，冷速設(shè)定為3. 0-6. 0°C /s的原因是：如果冷速低于3. 0°C /s， 軌頭表層的溫度難以快速下降，無法有效傳遞至心部；同時，來自心部的熱量將反補(bǔ)表層， 不利于提高鋼軌的綜合性能；難以充分發(fā)揮加速冷卻強(qiáng)烈的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)；如果冷速高于 6. 0°C /s，由于表層冷速過快，將產(chǎn)生較多的馬氏體，鋼軌的強(qiáng)硬度指標(biāo)過高，不利于鋼軌的 安全使用，同時，也無法獲得本發(fā)明所述的無碳化物貝氏體+少量馬氏體+少量殘余奧氏體 復(fù)相組織的目的。
[0024] 當(dāng)鋼軌表層冷卻至220-300°C后停止加速冷卻。將加速冷卻終止溫度設(shè)定為 220-300°C的原因是：如果終冷溫度高于300°C，盡管軌頭表層已獲得細(xì)小的貝氏體組織， 但軌頭心部由于溫度較高，將產(chǎn)生粗大的貝氏體組織并最終影響室溫下鋼軌的性能，不利 于實現(xiàn)全斷面性能的統(tǒng)一；如果冷卻溫度低于220°C，將生成大量的馬氏體組織，顯著惡化 鋼軌的韌塑性，完成加速冷卻的鋼軌空冷至室溫后并經(jīng)過后部工序即可獲得成品鋼軌。
[0025] 實施例1
[0026] 在下文中，將結(jié)合實施例來具體描述本發(fā)明中一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌及其生產(chǎn)方 法。
[0027] 本發(fā)明實施例及對比例分別選用表1及表2中六組貝氏體鋼軌化學(xué)成分。其中， 對比例為現(xiàn)有技術(shù)中貝氏體鋼軌化學(xué)成分。
[0028] 表1六組實施例化學(xué)成分
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌，其特征在于：所述鋼軌軌頭上圓角部位及踏面中心顯微組 織由寬度為0.2?Ι.ομπι的貝氏體鐵素體片條和期間交替分布的厚度為0.01?0. Ιμπι 的薄膜殘余奧氏體，以及比例為1?5%的馬氏體組成的復(fù)相組織。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌，其特征在于：其化學(xué)成分以重量百 分比計為：C :0· 15 ?0· 30%，Si :1· 00 ?1. 80%，Μη :1· 50 ?2. 50%，Cr :0· 20 ?0· 60%， Mo :0. 05?0. 10%，且3. 0%彡Si+Mn+Cr，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
3. 權(quán)利要求1或2所述的一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌的生產(chǎn)方法，其特征在于：利用終軋 后的余熱鋼軌，當(dāng)軌頭踏面自然冷卻至450?500°C時，對鋼軌的軌頭部位施加冷卻介質(zhì)進(jìn) 行加速冷卻，冷卻速度為3. 0?6. 0°C /s，當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至220?300°C停止加速 冷卻并空冷至室溫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高強(qiáng)度貝氏體鋼軌的生產(chǎn)方法，其特征在于：所述冷卻 介質(zhì)為壓縮空氣和水汽混合物中的至少一種。
【文檔編號】C22C38/38GK104087852SQ201410359547
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】韓振宇, 鄒明, 郭華, 汪淵, 李大東, 鄧勇, 王春建, 袁俊 申請人:攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司