一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法
2023-07-04 21:25:06 2
一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法
【專利摘要】本發明涉及一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法。接觸疲勞性能優良的鋼軌，以重量百分比計，含0.68-0.75％C、0.2-0.8％Si、0.4％-1％Mn、0.3％-0.7％Cr、0.04％-0.12％V，S≤0.01％，P≤0.02％，餘量為Fe及不可避免的雜質，採用轉爐、LF精煉、RH真空處理獲得方坯軋制為50-75kg/m斷面後，利用鋼軌餘熱，採用冷速為5-8℃/s的水霧混合氣對軌頭部位加速冷卻，當軌頭表層溫度降至500-550℃時換為冷速為2-4℃/s的壓縮空氣繼續冷卻直至軌頭表層溫度低於400℃時停止加速冷卻並空冷至室溫，該鋼軌軌頭踏面至下方20mm處珠光體片間距0.07-0.1μm，抗拉強度≥1200MPa、延伸率≥12％，具有良好的耐滾動接觸疲勞性能。
【專利說明】一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼軌，更具體地講，涉及一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產 方法。
【背景技術】
[0002] 高速、重載鐵路的飛速發展極大地方便了人們的日常出行及大宗貨物的高效運 輸，鐵路運輸已逐步成為交通領域最具性價比、不可或缺的運輸方式。鐵路工業中一直難 以解決的技術問題是輪軌滾動接觸疲勞問題，科研和技術人員採取了各種方法與措施來減 少它的危害，如發展輪軌新材料，優化輪軌廓形匹配，以減少輪軌接觸應力和改善軌道與車 輛結構性能來減少輪軌之間的動力作用，延長鋼軌的服役壽命，但效果均不顯著。隨著鐵路 客貨運量的增大、列車速度的提高和線路年通過總重的提高，滾動接觸疲勞破壞變得越來 越顯著，尤其是高速重載線路，情況更加嚴重，不僅顯著增加了鐵路的運營維護成本，還直 接威脅到列車的行車安全。世界各國鐵路部門每年需花費巨資來維護與更換疲勞輪對與鋼 軌，我國鐵路部門每年也要花費數十億元在這項工作上，使我國的鐵路運輸成本居高不下。 此外，輪軌滾動接觸過程中引起的疲勞現象往往引起輪軌突發性的斷裂破壞。因此，解決輪 軌滾動接觸疲勞問題，對降低鐵路運輸成本、保障行車安全是十分重要的。
[0003] 作為承載並引導列車運行並將載荷傳遞至道床的關鍵部件一鋼軌，其質量的高 低及性能的優劣與鐵路運輸密切相關。在材質方面，為抵抗軸重與運能的不斷提升，鋼軌 的碳含量及強度呈現不斷提高的趨勢，以抵抗來自車輪的載荷和磨耗。目前，用量最大、使 用範圍最廣的仍是普通碳素及微合金化系列珠光體鋼軌。然而，珠光體鋼軌顯著的劣勢是 韌塑性偏低，導致鋼軌耐滾動接觸疲勞強度低，在輪軌各向複雜接觸應力的作用下，在輪軌 接觸部位易產生斜裂紋、剝離掉塊、核傷等缺陷，危機列車的行車安全，儘管通過線路檢查 或探傷，能夠提前發現缺陷並採取相關措施，但鋼軌突然斷裂，危機行車安全的問題仍然嚴 峻。為此，研究人員嘗試了另一種新材質一貝氏體鋼軌，這種鋼軌具有更高的疲勞強度但 面臨著耐磨損性能不足、生產工藝複雜、合金化成本高等一系列難題，至今未能大規模推廣 應用。因此，在現有珠光體鋼軌的基礎上，發明一種具有良好接觸疲勞性能、同時兼具適中 耐磨損性能的鋼軌十分重要。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於提供一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法，在特定合金 化條件下，通過對珠光體片層間距的細化至極限可達到進一步提高鋼軌綜合性能的目的。
[0005] 本發明的技術方案：
[0006] 本發明提供一種接觸疲勞性能優良的鋼軌，以重量百分比計，含有0. 68%-0. 75% C、0. 20-0. 80 % Si、0. 40 % -1. 00 % Μη、0· 30 % -0· 70 % Cr、0. 04 % -0· 12 % V，P 含量 彡0. 020%，S含量彡0. 010%，餘量為Fe及不可避免的雜質；
[0007] 其生產方法包括冶煉-精煉-真空精煉-連鑄-軋制-熱處理，其中，熱處理工序 中，對終軋後帶有餘熱的鋼軌的軌頭部位施加冷速為5. 0-8. 0°C /s的水霧混合氣，當軌頭 表層溫度降至500-550°C時停止水霧混合冷卻，採用冷速2. 0-4. 0°C /s的壓縮空氣繼續冷 卻直至軌頭表層溫度低於400°C時停止加速冷卻並空冷至室溫。
[0008] 進一步，本發明的鋼軌採用轉爐或電爐冶煉、經LF精煉、RH或VD處理後連鑄為 250mm X 250mm-450mmX 450mm 斷面方述。
[0009] 發明人在研究過程中發現，目前鐵路應用的珠光體鋼軌片層間距一般在 0. 12-0. 20 μ m之間。通過特定的化學成分設計並配合接近極限的熱處理工藝，軌頭部位特 別是距離軌頭表層20mm深範圍內珠光體片層間距可細化至0. 07-0. 10 μ m，這種細化了的 珠光體組織不僅保持了鋼軌良好的耐磨損性能，具有較高的強硬度；同時，依託強烈的細晶 強化效應，韌塑性較現有鋼軌顯著改善，鋼軌的耐接觸疲勞性能隨之改善。為了實現上述目 的，本發明提供了一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其生產方法。具體來說，在現有珠光體鋼 軌碳含量基礎上，輔以適量Si、Μη元素並採用V、Cr複合微合金化，通過對餘熱鋼軌施加兩 段具有不同冷卻速度的冷卻方式，在確保鋼軌全斷面仍為珠光體組織的同時提升鋼軌的強 韌性指標，這種採用細晶強化方式獲得的鋼軌不僅保持了良好的耐磨損性能，同時耐接觸 疲勞性能明顯由於現有產品。
[0010] 本發明的有益效果：
[0011] 利用本發明所得的鋼軌，鋼軌軌頭踏面至下方20mm處珠光體片間距 0. 07-0. ΙΟμπι，抗拉強度彡1200MPa、延伸率彡12%、軌頭踏面硬度彡370HB、軌頭踏面下方 20mm處硬度> 340HB，該鋼軌具有良好的耐滾動接觸疲勞性能，適宜於剝離掉塊等疲勞傷 損突出的路段。
【具體實施方式】
[0012] 本發明鋼軌採用如下化學成分：0. 68 % -0. 75 % C、0. 20-0. 80 % Si、 0· 40 % -1· 00 % Μη、0· 30 % -0· 70 % Cr、0. 04 % -0· 12 % V，S 含量彡 0· 010 %，P 含量 < 0. 020 %，餘量為Fe及不可避免的雜質。採用轉爐或電爐冶煉含有上述成分的鋼水，無鋁 脫氧，經LF精煉後降低鋼中S含量，RH真空處理或VD處理後進行成分微調至目標範圍內， 同時進一步降低鋼中Η、0、Ν含量；將鋼液連鑄為250mmX250mm-450mmX 450mm斷面鋼坯後 冷卻進入加熱爐中加熱至1200-1300°C並保溫一定時間後出爐，經高壓水除磷後採用萬能 法或孔型法軋制為50-75kg/m所需斷面鋼軌。
[0013] 鋼軌終軋後的溫度為850-1000°C，利用鋼軌的軋制餘熱，分別對鋼軌的軌頭踏面 及兩側施加冷速為5. 0-8. 0°C /s的水霧混合氣強制冷卻，進行5. 0-8. 0°C /s冷速設定的原 因是：為獲得更細的珠光體片層間距，進而獲得更高的強韌性能，相變需在更大的過冷度下 完成。如冷速低於5. 0°C /s，在珠光體相變前及相變過程中的過冷度較低，無法充分細化 組織，進而無法達到本發明所述目的；如冷速高於8. 0°C /s，由於冷速過快，在鋼軌表層將 生成貝氏體、馬氏體等異常組織而導致鋼軌判廢。因此，由奧氏體相區加速冷卻的冷速為 5. 0-8. 0°C /s。當軌頭表層溫度降至500-550°C時加速冷卻介質更換為冷速為2. 0-4. 0°C /s 壓縮空氣，進行上述設置的原因是：本發明鋼軌中提高鋼軌淬透性元素含量高於現有珠光 體鋼軌，如一直採用5. 0-8. 0°C /s冷速的水霧混合氣，產生異常組織的風險極大。因此，在 珠光體相變即將開始及相變過程中，冷速需有所降低。
[0014] 本發明與現有同類技術的創新之處在於，在不同溫度範圍內，施加兩種具有不同 冷速的冷卻介質，以下詳述軌頭表層溫度降至500-550°C時加速冷卻介質更換為冷速為 2. 0-4. 0°C /s壓縮空氣的原因：由於水霧混合氣由水及空氣按一定壓力及流量配比形成， 從噴嘴中噴出作用與鋼軌表面時對表層的激冷作用較強，使得鋼軌表層及一定深度內獲得 較大的相變過冷度，一般不超過15mm ;當鋼軌表層溫度降至500-550°C時，距表層30mm的軌 頭心部溫度為580-650°C，高於軌頭表層至少80°C，此時軌頭心部處於相變前或相變過程 中，仍需維持所需的過冷度，由於軌頭表層溫度明顯低於軌頭心部，受熱交換的影響，軌頭 心部熱量將向軌頭表層傳遞，特別是相變過程中因相變潛熱的釋放，軌頭表層的溫度將顯 著回升。此時，軌頭表層施加2. 0-4. 0°C /s壓縮空氣加速冷卻是為了抑制因溫度升高產生 的組織粗化導致性能的降低。另外，相比於水霧混合氣，壓縮空氣最顯著的優勢是冷速可精 確控制的同時能均勻施加至鋼軌表層。如冷速低於2. 0°C /s，則軌頭表層溫度迅速升高，導 致軌頭心部組織粗大，性能顯著降低；如冷速高於4. 0°C /s，則軌頭全斷面出現異常組織的 風險極大，鋼軌易成廢品。當軌頭表層溫度降至400°C以下時，珠光體相變已全部完成，鋼軌 繼續空冷至室溫後經後步矯直、探傷、加工等工序獲得成品鋼軌。
[0015] 在下文中，將結合實施例來具體描述本發明中一種接觸疲勞性能優良的鋼軌及其 生產方法。
[0016] 實施例以及相應的對比例均選用以下六組本發明所述鋼軌化學成分。
[0017] 表1本發明六組實施例及對比例化學成分
【權利要求】
1. 一種接觸疲勞性能優良的鋼軌，其特徵在於，以重量百分比計，含有0. 68% -0. 75% C、0. 20-0. 80 % Si、0. 40 % -1. 00 % Μη、0· 30 % -0· 70 % Cr、0. 04 % -0· 12 % V，P 含量 彡0. 020%，S含量彡0. 010%，餘量為Fe及不可避免的雜質； 其生產方法包括冶煉、LF精煉、真空精煉、連鑄、乳制和熱處理，其中，熱處理工序中，對 終軋後帶有餘熱的鋼軌的軌頭部位施加冷速為5. 0-8. 0°C /s的水霧混合氣，當軌頭表層溫 度降至500-550°C時停止水霧混合冷卻，採用冷速2. 0-4. 0°C /s的壓縮空氣繼續冷卻直至 軌頭表層溫度低於400°C時停止加速冷卻並空冷至室溫。
2. 如權利要求1所述的接觸疲勞性能優良的鋼軌，其特徵在於，採用轉爐或電爐冶煉、 經LF精煉、RH或VD處理後連鑄為25(tomX250mm-45(tomX45(tom斷面方坯。
3. -種接觸疲勞性能優良的鋼軌的生產方法，包括冶煉、LF精煉、真空精煉、連鑄、軋 制和熱處理，其特徵在於，熱處理工序中，對終軋後帶有餘熱的鋼軌的軌頭部位施加冷速為 5. 0-8. 0°C /s的水霧混合氣，當軌頭表層溫度降至500-550°C時停止水霧混合冷卻，採用冷 速2. 0-4. 0°C /s的壓縮空氣繼續冷卻直至軌頭表層溫度低於400°C時停止加速冷卻並空冷 至室溫； 其中，以重量百分比計，鋼軌含有0. 68% -0. 75% C、0. 20-0. 80% Si、0. 40% -1. 00% Μη、0· 30% -0· 70% Cr、0. 04% -0· 12% V，P 含量彡 0· 020%，S 含量彡 0· 010%，餘量為 Fe 及不可避免的雜質。
【文檔編號】C21D8/00GK104120354SQ201410393296
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】韓振宇, 鄒明, 郭華, 汪淵, 李大東, 鄧勇, 袁俊 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司