一种重载铁路用超细珠光体钢轨及其生产方法与流程

1.本发明属于钢轨技术领域，涉及一种钢轨材料，特别涉及一种重载铁路用超细珠光体钢轨及其生产方法。


背景技术：

2.随着经济的发展，货运列车轴重、速度和运行密度的不断提高，钢轨侧磨和踏面接触疲劳损伤日益严重，小半径曲线上股钢轨在使用中面临更大的接触应力，往往因为轨头侧面磨耗超限和踏面接触疲劳损伤提前下道，大大增加了铁路的维修养护工作量。钢轨的磨耗和耐接触疲劳性能与钢轨的强度和硬度有关，提高钢轨踏面硬度有利于提高其耐接触疲劳性能，有研究表明每提高踏面硬度60hbw可以提高其耐磨性能一倍以上。超细珠光体钢轨以较小的珠光体团直径和片层间距，在得到较高的强度和硬度的同时也可以获得较好的塑性，超细珠光体钢轨是一种比较适用于重载铁路钢轨发展趋势的钢轨。
3.目前超细珠光体钢轨主要采用合金化成分设计和在线热处理工艺相配合的制备手段，通过利用热轧钢轨的余热，对轨头部位喷吹压缩空气或水雾混合气的方式使轨头部位快速冷却，以获得较细的微观组织，提高钢轨轨头踏面硬度，从而实现耐磨损、抗接触疲劳性能同步改善的目的。公告号cn104032222a提供了一种纳米珠光体钢轨的制备方法，该方法制备了一种片层间距在60nm的全珠光体组织钢轨，抗拉强度大于1300mpa，但该专利文件提供的合金化方案复杂，除常规si、mn元素外，添加6种合金化元素，提高钢水精炼控制和成分调控难度，合金化成本较高，同时该专利文件提供的在线热处理方式需要长时间的保温，会降低生产的效率。公告号cn104087836b提供一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨的制备方法，通过采用cr、v合金化成分设计配合两段式在线热处理工艺制备钒铬微合金化超细珠光体钢轨的抗拉强度≥1400mpa、延伸率≥10％、轨头踏面硬度≥420hb、轨头踏面下方20mm处硬度≥375hb，但该方法制备的超细珠光体钢轨的片层间距在70-100nm，不能充分发挥超细片层珠光体组织对钢轨材料性能的提升。公告号cn105051220b提供了一种含稀土ce及nb元素的耐腐蚀纳米珠光体钢轨制备方法，在钢中添加稀土ce元素及nb元素，采用形变热处理工艺及控制冷却得到细化至62nm～83nm的珠光体片层结构，钢轨抗拉强度不低于1230mpa，室温下的冲击功不低于68j，踏面硬度不低于438hb，该专利提供的方法通过利用ce、nb在轧制过程中的析出提高材料再结晶温度，终轧在未再结晶区轧制来细化奥氏体晶粒，但该方法终轧时材料加工硬化明显，提高轧制难度，会降低轧辊和轧机的使用寿命。
4.以上有关超细珠光体的钢轨制备技术中都采用合金化和热处理结合的方式进行制备纳米级片层珠光体，但都存在合金化复杂，轧制难度大等问题，本发明在合金化成分设计和控冷工艺的基础上增加控制轧制工艺，提供了一种易于轧制的超细珠光体钢轨的生产方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种重载铁路用超细珠光体钢轨及其生产方法，主要应用于
重载铁路小半径线路(半径小于300m的曲线线路)，随着重载列车轴重的增加，在小半径曲线路段钢轨面临更大的接触应力，钢轨轨头踏面和轨头侧面容易产生接触疲劳导致的损伤降低钢轨的使用寿命，本发明通过合金成分设计、控制轧制和控制冷却技术，制备一种珠光体片层间距在57～75nm的超细珠光体在线热处理钢轨，钢轨踏面硬度≥435hbw，抗拉强度≥1430mpa，延伸率≥12％，本发明的钢轨在提高钢轨强度和硬度的同时保持其有良好的韧性，本发明钢轨-20℃断裂韧性均值不低于35mpa
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，提高钢轨耐接触疲劳性能。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
7.一种重载铁路用超细珠光体钢轨，钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.84％～0.94％、si 0.50％～0.70％、mn 0.75％～0.90％、cr 0.3≤cr/c≤0.5、v 0.07％～0.10％、nb 0.01％～0.03％、p≤0.015％、s≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。
8.上述各元素加入量(重量百分比)选择及其作用说明如下：
9.c元素是最廉价的用于提高基体的强度和硬度的元素，对于本发明超细珠光体钢轨来说，大于0.84％的c含量有利于提高珠光体中渗碳体含量，提高钢轨的强度和硬度，但轨腰处过高的c含量在控制冷却过程中，容易在原奥氏体晶界处形成渗碳体网，降低轨腰的强度，所以本发明选择c含量为0.84％～0.94％。
10.si是主要固溶于铁素体中的固溶型强化元素，本发明中si的主要作用主要是固溶强化元素存在于铁素体中提高组织的强度，但过高的si含量会降低材料断面收缩率，恶化材料朔性。所以本发明选择si含量为0.50％～0.70％。
11.mn可以溶入渗碳体中，形成(fe、mn)3c，mn同时提高冷奥氏体稳定性，降低珠光体转变的温度区间，使钢材在热轧后冷却时得到片层较细，强度较高的珠光。所以本发明选择mn含量为0.75％～0.90％。
12.nb、v都是微合金元素，两者都能形成c化物，本发明充分利用nb、v在控轧控冷过程中不同条件下的析出达到抑制奥氏体晶粒的长大和沉淀强化效果，0.01％～0.04％的nb含量主要用于控制轧制过程中诱导析出产生阻碍奥氏体再结晶晶粒长大的作用，0.07％～0.1％的v含量主要用于在控制冷却过程中产生沉淀强化作用，同时在轨腰处抑制先共析渗碳体在晶界处形成网状组织。
13.cr元素可以提高材料的淬透性，改善钢轨的耐磨损性能。cr有利于提高珠光体的平衡相变温度，获得更大的过冷度细化珠光体片层，本发明cr含量要与c含量进行一定配比，要求0.3≤cr/c≤0.5，使过冷奥氏体分解只能产生富cr的合金渗碳体。
14.p是钢轨的有害元素，极易在晶界处产生偏析。在保证炼钢条件、炼钢成本等前提下，本发明要求p含量≤0.015％。
15.s是本发明钢轨的有害元素，过高的s含量容易形成大尺寸的a类非金属夹杂，造成焊接热影响区质量缺陷，所以在保证不增加非必要成本的前提下越低越好，本发明要求s≤0.010％。
16.本发明钢轨抗拉强度rm≥1430mpa，延伸率a≥12％，轨头踏面硬度≥435hbw，-20℃断裂韧性均值不低于35mpa
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17.本发明钢轨轨头踏面下25mm内组织为片层间距57～75nm的珠光体组织，珠光体含量占100％；轨腰处组织为片层间距为100～130nm的珠光体组织和长粒状先共析渗碳体组织，珠光体含量占95％～98％，先共析渗碳体占2％～5％，无马氏体、贝氏体异常组织出现。
18.本发明通过合金成分设计、控制轧制和控制冷却技术，提高钢轨强度和硬度来保证钢轨耐接触疲劳性能。重载铁路用超细珠光体钢轨的生产方法，包括连铸、连铸坯加热、钢轨轧制和在线热处理制度，具体方法包括：
19.1)连铸坯采用280～320mm
×
380～410mm大尺寸断面连铸坯，保证钢轨轧制压缩比大于11，经高压水除磷后采用万能法或孔型法轧制为50～75kg/m所需断面钢轨；连铸坯在轧制前需要在步进式加热炉中进行加热，连铸坯均热温度为1250～1310℃，保温时间2.5～3.5小时，在此温度对连铸铸坯进行保温，有利于c元素的均匀化，均匀的c含量有利于抑制轧制后轨腰晶界处二次渗碳体的网状析出。粗轧bd1开坯轧制温度为1180～1240℃，bd1轧制变形大于70％，平均变形速率1.5～3.5s-1
，粗轧bd2轧制温度980～1040℃，bd2轧制变形大于100％，平均变形速率1.2～3.2s-1
，bd2轧制后在1000℃～950℃区间缓冷，时间控制在200～240s，使材料完全再结晶，并析出少量的nbc，消除材料内部加工硬化，精轧万能轧机组终轧温度为900～930℃，在部分再结晶区间采用多道次轧制，道次变形大于30％，平均变形速率1～2s-1
，轧制后钢中nbc完全析出，钉扎晶界抑制再结晶晶粒的长大，细化奥氏体晶粒；
20.2)钢轨终轧后钢轨余热温度在900～850℃，对钢轨的轨头踏面及两侧施加冷速为5.0～9.0℃/s的压缩空气或水雾混合气进行强制冷却，当轨头表层温度降至700～650℃时，停止强冷，采用空冷20～50s，以大的冷速冷却到珠光体相变点以上，短时间的空冷既有利vc在过冷奥氏体中弥散析出形成弥散强化的作用，也有利于降低钢轨内中心到表面的温度梯度，由于奥氏体晶粒细化，减小过冷奥氏体向珠光体转变的孕育期，空冷时间不可以过长，随后继续采用冷速为2～4℃/s的强制冷却，当轨头表层温度降至510～480℃时，停止冷却，钢轨表面在降低到500～600℃区间时开始产生珠光体相变，由于相变在一个温度区间发生，采用适中的冷却速度有利于钢轨踏面下25mm以内大部分的珠光体相变发生在较低的温度范围，形成片层间距57～75nm的珠光体，停止强冷之后进行空冷，钢轨表层返温至530～500℃范围，钢轨在冷到510～480℃时由于强制冷却冷速较大，可能存在少量未相变完成的过冷奥氏体，利用钢轨内部温差使钢轨表层返温到530～500℃，保证组织完全转化成珠光体组织。钢轨继续空冷至室温后经矫直、探伤、加工等工序获得成品钢轨。
21.本发明钢轨采用三段式冷却，第一阶段以较大的冷速使钢轨表层温度降低到该冷速相变温度之上抑制奥氏体晶粒长大，第二阶段以空冷降低材料内温度梯度同时促进vc的弥散析出，第三段采用适中的冷速使材料在较低的温度完成珠光体相变，获得较小的珠光体团尺寸和59～75nm的珠光体片层，为实现本发明钢轨的组织性能目的和特点，在成分设计和控制轧制、控制冷却选择上的特点表现在以下两方面：
22.一是充分利用nb、v微合金元素在控制轧制和控制冷却过程中的作用，在控轧过程中形成nbc钉扎晶界阻碍奥氏体晶粒的长大，细化再结晶后奥氏体晶粒，在控制冷却过程中形成vc相间沉淀强化，并通过成分设计和分段控制冷却工艺获得片层间距在57～75nm的超细珠光体组织，通过本发明提供的合金成分、轧制、冷却工艺，在本发明范围内，抗拉强度(rm)≥1430mpa，延伸率(a)≥12％，轨头踏面硬度大于等于435hbw。
23.二是通过对钢轨合理的成分设计和连铸坯加热制度，控制轨腰位置组织为细小的珠光体组织和断续的长颗粒状形貌二次渗碳体，无马氏体、贝氏体等异常组织的出现，保证全断面组织和性能稳定性。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明提供的合金成分、轧制工艺、冷却工艺制度下生产的在线热处理钢轨抗拉强度(rm)≥1430mpa，延伸率(a)≥12％，轨头表面硬度(hbw)大于等于435hbw，本发明钢轨-20℃断裂韧性均值不低于35mpa
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26.(2)本发明的钢轨轨头踏面下25mm内组织为片层间距57～75nm的珠光体组织，珠光体含量占100％，轨腰处组织为片层间距为100～130nm的珠光体组织和长粒状先共析渗碳体组织，珠光体含量占95％～98％，先共析渗碳体占2％～5％，无马氏体、贝氏体等异常组织的出现，保证全断面组织和性能稳定性。
27.(3)本发明通过控制轧制消除钢轨在万能轧机轧制过程中的加工硬化，降低了较高合金成分设计的轧制难度，有利于延长轧机和轧辊的使用寿命，提高钢轨规格精度和钢轨表面质量，同时通过nbc粒子阻碍终轧后再结晶后晶粒的长大，细化奥氏体晶粒尺寸，配合后续控冷工艺，可以提高钢轨的力学性能。
28.综上表明，本发明的超细珠光体重载铁路小半径曲线用在线热处理钢轨具有良好的韧塑性，并且具有较高的踏面硬度适用于重载铁路铺设。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
30.本发明实施例中，钢轨化学成分、轧制工艺参数、在线热处理工艺参数及对应钢轨力学性能如表1至表5所示，在本发明给定的成分范围内并按本发明给定的轧制冷却工艺制备的钢轨力学性能拉强度(rm)≥1430mpa，延伸率(a)≥12％，轨头表面硬度(hbw)大于等于435hbw。
31.表1钢轨化学成分
[0032][0033][0034]
表2钢轨轧制主要工艺参数
[0035][0036]
表3实施例在线热处理工艺参数
[0037][0038]
表4对比例在线热处理工艺参数
[0039] 开冷温度/℃平均冷速/℃/s终冷温度/℃反温温度/℃对比例17802.7510542对比例27743.3505545对比例37813.1513547
[0040]
表5钢轨力学性能
[0041][0042]
将实施例和对比例制备钢轨按tb/t2344-2020标准进行拉伸试样，踏面硬度试样取样断裂韧性试样取样并对指定进行珠光体片层检验；本发明钢轨磨耗实验采用厚度10mm、直径36mm空心圆试样，试验载荷150kg，滑差为10％的干摩擦环境下进行实验。
[0043]
实验通过以实施例1-3的成分的铸坯作为对比例实验原材料成分，并分别对应对比例1-3，实施例采用本发明所提供的控制轧制和控制冷却工艺进行生产，对比例采用现有的轧制和在线热处理技术进行生产。由表4可知，采用本发明中的方法，钢轨标准位置强度、硬度提高的同时有良好的韧性；钢轨轨头踏面下25mm处珠光体片层间距增大，强度硬度略有下降，通过实验可知本发明提供的方法生产的钢轨片层间距更小，拥有更高的耐磨性，同时保持良好的韧性。
[0044]
综上所述，本发明提所述的一种重载铁路用超细珠光体钢轨及其生产方法，在相同成分下，采用本发明提供的轧制工艺和余热在线热处理工艺，可以有效的提高钢轨的强韧性指标，提高钢轨的抗磨损性能，适用于重载铁路半径小于300m的小半径曲线上。

技术特征：
1.一种重载铁路用超细珠光体钢轨，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.84％～0.94％、si 0.50％～0.70％、mn 0.75％～0.90％、0.3≤cr/c≤0.5、v 0.07％～0.10％、nb 0.01％～0.03％、p≤0.015％、s≤0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种重载铁路用超细珠光体钢轨，其特征在于，钢轨抗拉强度r
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≥1430mpa，延伸率a≥12％，轨头踏面硬度≥435hbw，-20℃断裂韧性均值不低于35mpa
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。3.根据权利要求1所述的一种重载铁路用超细珠光体钢轨，其特征在于，钢轨轨头踏面下25mm内组织为片层间距57～75nm的珠光体组织，珠光体含量占100％；轨腰处组织为片层间距为100～130nm的珠光体组织和长粒状先共析渗碳体组织，珠光体含量占95％～98％，先共析渗碳体占2％～5％。4.一种如权利要求1-3其中任意一项所述的重载铁路用超细珠光体钢轨的生产方法，其特征在于，包括：1)钢轨轧制压缩比大于11，轧制前，连铸坯均热温度为1250～1310℃，保温时间2.5～3.5小时，粗轧bd1开坯轧制温度为1180～1240℃，bd1轧制变形大于70％，平均变形速率1.5～3.5s-1
；粗轧bd2轧制温度980～1040℃，bd2轧制真实变形大于100％，平均变形速率1.2～3.2s-1
，bd2轧制后在1000℃～950℃区间缓冷，时间控制在200～240s；精轧终轧温度为900～930℃，轧制道次变形大于30％，平均变形速率1～2s-1
；2)钢轨终轧后温度在900～850℃，对钢轨的轨头踏面及两侧施加冷速为5.0～9.0℃/s的强制冷却，当轨头表层温度降至700～650℃时，停止强冷，采用空冷20～50s，冷却到珠光体相变点以上，随后继续采用冷速为2～4℃/s的强制冷却，当轨头表层温度降至510～480℃时，停止冷却，进行空冷。5.根据权利要求4所述的一种重载铁路用超细珠光体钢轨的生产方法，其特征在于，连铸坯采用(280～320mm)
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(380～410mm)大尺寸断面连铸坯，经除磷后采用万能法或孔型法轧制为50～75kg/m所需断面钢轨。

技术总结
本发明涉及一种重载铁路用超细珠光体钢轨及其生产方法，钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.84％～0.94％、Si 0.50％～0.70％、Mn 0.75％～0.90％、Cr 0.3≤Cr/C≤0.5、V 0.07％～0.10％、Nb 0.01％～0.03％、P≤0.015％、S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明主要应用于重载铁路小半径线路(半径小于300m的曲线线路)，通过合金成分设计、控制轧制和控制冷却技术，制备一种珠光体片层间距在57～75nm的超细珠光体在线热处理钢轨，钢轨踏面硬度≥435HBW，抗拉强度≥1430MPa，延伸率≥12％，本发明的钢轨在提高钢轨强度和硬度的同时保持其有良好的韧性，提高钢轨耐接触疲劳性能。提高钢轨耐接触疲劳性能。


技术研发人员：于海鑫 金纪勇 刘祥 廖德勇 王冬 张瑜 陈昕
受保护的技术使用者：鞍钢股份有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/7