一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法

2023-08-12 14:51:51

專利名稱：一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法
技術領域：
本發明涉及道岔鋼軌的熱處理方法，特別是一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法。
背景技術：
鐵路道岔作為引導機車車輛從一條股道轉向另一股道的關鍵連接部件，其質量的高低、性能的優劣直接影響鐵道線路的運輸效率和行車安全。道岔質量的高低除取決於加工技術外主要由其原料一道岔鋼軌的質量所決定。近年來，隨著鐵路向重載化的快速發展，道岔鋼軌的服役條件愈加苛刻，部分路段道岔僅能使用數月甚至數十天就需更換下道，嚴重製約鐵路的快速發展。在道岔鋼軌的研製中，除滿足強硬度更高的指標外，還需獲得更優良的強韌性匹配，以提高道岔鋼軌的抗衝擊疲勞和磨損性能。研究表明，採用貝氏體材質製造的道岔鋼軌能夠滿足上述需求。

目前，道岔鋼軌的生產主要採用軋後空冷並配合後序的回火工藝實現。此外，還有採用軋後加速冷卻以獲得更細小貝氏體組織的方式。在公開號為CN1095421A的中國專利文獻中公開了一種具有優異耐滾動接觸疲勞傷損性的貝氏體系高強度鋼軌的製造方法，將熱軌後保留有高溫餘熱的鋼軌、或加熱至高溫的鋼軌，以I 10°c /s的冷速冷卻鋼軌上端，在500 300°C區間停止加速冷卻，其後，自然放冷或控冷至常溫，可得到鋼軌上端硬度為HV300 400，上端角部硬度在HV350以上的鋼軌。該方法應用於道岔軌熱處理方面存在的問題是由於普通鋼軌為對稱斷面，在實施加速冷卻時僅需要考慮鋼軌表層及一定深度內的性能即可滿足使用需求，而道岔鋼軌作為製作道岔的原料，需在軌頭部位切銑加工後才能使用，銑削後的道岔軌軌頭尖端後的一定距離內就需承受列車車輪的衝擊載荷，此時，與車輪接觸的部位位於軌頭心部一定深度內。因此，道岔軌不僅要求軌頭的表層性能，同樣注重軌頭心部的關鍵指標。同時，道岔鋼軌為非對稱斷面，軌頭工作側面積所佔比例高於非工作側，如果兩側採用相同的冷卻工藝，在加速冷卻過程中，由於軌頭工作側熱容高，冷卻較慢，一方面無法獲得優異的性能指標，更重要的是，在冷卻過程中，冷速較快的一側將向冷速較慢的一側彎曲，對道岔鋼軌全長平直度即後序的矯直工序帶來不利影響。因此，現有方法無法滿足道岔鋼軌的生產要求，亟需一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，使其能夠同時滿足軌頭表層和軌頭心部的性能要求，並且可以解決道岔鋼軌的非對稱斷面對通長平直度帶來的不利影響。

發明內容
本發明是為了克服上述現有技術存在的問題提出的，其所解決的技術問題是提供一種同時滿足軌頭表層和軌頭心部硬度要求的熱處理方法，且道岔鋼軌通長具有良好的平直度。需要指出的是，通長具有良好的平直度是指在道岔鋼軌的整個長度方向都具有良好的平直度。為了實現上述目的，本發明提供了一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，所述方法包括以下步驟a、將終軋後處於奧氏體區域溫度的道岔鋼軌自然冷卻至軌頭踏面中心的溫度為450 480°C ;b、將所述自然冷卻後的道岔鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心的溫度為230 270°C，其中，所述道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度大於軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度；c、然後，將所述軌頭工作側、軌頭踏面中心和軌頭非工作側均以O. 05
O.25V /s的冷卻速度繼續加速冷卻，再次使軌頭踏面中心的溫度降至265 270°C ;d、最後，使道岔鋼軌自然冷卻至室溫。在步驟b中，所述道岔鋼軌的軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度為I. 5
5.0°C /s，軌頭工作側的冷卻速度在I. 5 5. (TC /s的基礎上提高O. I I. (TC /s。根據本發明，所述加速冷卻所採用的冷卻介質為水霧混合氣或壓縮空氣。

本發明得到的貝氏體道岔鋼軌的拉伸性能、常溫與低溫衝擊性能以及軌頭斷面硬度等指標均得到有效提升，特別是貝氏體道岔鋼軌心部硬度高。與現有技術相比，本發明的有益效果為提高了貝氏體道岔鋼軌軌頭心部性能，同時，道岔軌通長具有良好的平直度。


圖I是貝氏體道岔鋼軌的軌頭斷面硬度測試位置的示意圖。附圖標記說明I-軌頭工作側、2-軌頭非工作側、3-軌頭踏面中心、4-軌腰，Al、BI、Cl、D1、E1分別代表軌頭表層五處位置，A6、B6、C6、D4、E4分別代表軌頭心部五處位置。
具體實施例方式本發明提供了一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法首先將終軋後處於奧氏體區域溫度的道岔鋼軌直立於臺架或輥道上自然冷卻至軌頭踏面中心的溫度為450 480°C ;然後，將所述自然冷卻後的道岔鋼軌採用水霧混合氣或壓縮空氣加速冷卻至軌頭踏面中心的溫度為230 270°C，其中，所述道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度大於軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度。此處，軌頭工作側是指道岔軌軌頭經銑削加工並組裝成道岔後，在引導列車行走時受到車輪碾壓及衝擊載荷作用的部分；軌頭非工作側是指軌頭部位不與車輪接觸的另一側面；軌頭踏面是指軌頭頂面與車輪接觸的部分。根據本發明，所述加速冷卻步驟在所述軌頭踏面中心的溫度自然冷卻至450 480°C開始，若所述軌頭踏面中心的溫度高於480°C，則在加速冷卻時，軌頭表層溫度下降較快，在軌頭表層與軌頭心部出現溫度差，即出現溫度梯度，導致軌頭心部溫度高而向表層傳遞熱量，並且此現象將視冷速的高低而持續一定時間，隨著加速冷卻的進行，道岔鋼軌軌頭心部在開始相變時仍處於較高的溫度，易形成相對粗大的貝氏體組織，從而導致軌頭心部的力學性能降低，無法充分發揮加速冷卻提升力學性能的作用；若所述軌頭踏面中心的溫度低於450°C，由於接近相變點溫度，軌頭表層易於形成馬氏體組織，並且該馬氏體組織在隨後的溫度回升過程中無法轉變並最終保留至室溫，該馬氏體組織的存在，會使道岔鋼軌在使用過程中，受到輪對衝擊載荷的作用時，發生脆斷的風險顯著增加。將第一次加速冷卻溫度設定為軌頭踏面中心的溫度為230 270°C的理由是，若溫度低於230°C，則軌頭溫度過低，來自軌頭心部與軌腰的熱量難以有效補充軌頭部位，形成大量馬氏體組織；若溫度高於270°C，軌頭心部無法在更大的過冷度下完成相變，進而無法獲得更高的強硬度指標，即無法充分發揮加速冷卻對綜合力學的提升。所述道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度大於軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度。進行上述設定的原因是如果軌頭踏面中心與兩側施加相同冷速的冷卻介質，由於軌頭工作側面積佔比大、熱容高，冷卻速度相對較慢，即心部熱量的補充能力強，在相同冷卻時間內，軌頭工作側降溫速度明顯低於踏面中心和非工作側，將導致道岔鋼軌向一側彎曲，即出現旁彎現象。該現象不僅嚴重影響後序的矯直工序，出現矯斷等異常情況；同時，道岔鋼軌軌底中心殘餘應力顯著增大，無法滿足標準要求。如果在加速冷卻過程中，適當增加軌頭工作側的冷卻速度，可解決上述問題，所以，本發明中道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度大於軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度。 其中，所述道岔鋼軌的軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度為I. 5 5. (TC /S，軌頭工作側的冷卻速度在I. 5 5. 0°C /s的基礎上提高O. I I. 0°C /s ;將所述軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度限定在I. 5 5. (TC /s的範圍的原因是，當以5. (TC /s以上的速度冷卻時，軌頭表層由於冷卻過快而易於形成馬氏體組織，並且該馬氏體組織在溫度回升中也無法轉變，影響道岔鋼軌的使用安全性；當以不到1.5°C /s的速度冷卻時，軌頭表層溫度在冷卻開始時明顯下降，隨後，由於軌頭心部的熱量補充，軌頭表層的溫度不再下降，甚至反而升高，不能達到加速冷卻的目的，所以將軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度限定在I. 5 5. (TC /s的範圍內；另外，軌頭工作側冷卻速度的提高幅度為
0.1-1. (TC /S，即道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度在I. 5 5. (TC /s的基礎上提高O. I
1.(TC /S，在此範圍內，具體的提高值需依據所處理鋼種的特性以及採用的基準冷速確定。隨後，將所述軌頭工作側、軌頭踏面中心和軌頭非工作側均以O. 05 O. 250C /s的冷卻速度繼續加速冷卻，再次使軌頭踏面中心的溫度降至265 270°C ;在此過程中，軌腰、軌頭心部與軌頭表層不斷進行熱交換，軌頭表層溫度將先升高後降低，當軌頭踏面中心的溫度再次降至265 270°C時停止加速冷卻，將加速冷卻步驟停止在265 270°C的理由是，道岔鋼軌斷面較大，軌腰較厚，因此熱交換能力強，軌頭部位在加速冷卻時已完成大部分貝氏體轉變，其餘未轉變貝氏體將在溫度緩慢回升及下降過程中逐步完成。因此，當軌頭踏面中心溫度再次降至265 270°C已基本完成相變，繼續施加冷卻介質對道岔鋼軌性能並無顯著益處，反而會造成資源浪費。其中，第二次加速冷卻的冷卻速度設置為O. 05-0. 250C /s的原因是當冷速低於
O.050C /S，難以發揮冷卻作用，軌頭表層溫度明顯升高，未達到加速冷卻目的；當冷卻速度高於O. 250C /s時，軌頭表層溫度難以緩慢回升，甚至出現下降，對軌頭心部形成細小貝氏體組織無益，因此，將冷速設定為O. 05-0. 250C /S。最後，使道岔鋼軌自然冷卻至室溫。在本發明的一個示例中，作為加速冷卻時的冷卻介質，可使用水霧混合氣或壓縮空氣。在本發明的一個示例中，在轉爐冶煉-LF爐精煉-RH真空處理-連鑄的工藝條件，生產一定斷面尺寸的鋼坯，然後送至加熱爐中加熱，一般加熱溫度為1200-1300°C，保溫時間為3-6h，接著採用孔型法或萬能法將鋼坯軋制為所需斷面的道岔鋼軌，其中，軋制完成後道岔鋼軌的表層溫度為850-1000°C。
在本發明的一個示例中，所述自然冷卻步驟為將道岔鋼軌直立於輥道或臺架上，在空氣中自然冷卻。此外，結合圖I所示出的道岔鋼軌軌頭的稱呼部位，本發明的貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法也可採用如下的步驟來實施A、將終軋後處於奧氏體區域溫度的道岔鋼軌在空氣中自然冷卻至軌頭踏面中心的溫度為450 480°C ；B、分別向軌頭工作側1，軌頭非工作側2，軋頭踏面中心3施加水霧混合氣或壓縮空氣，使軌頭非工作側2和軋頭踏面中心3的冷卻速度為I. 5 5. (TC /s，軌頭工作側I的冷卻速度在此基礎上提高O. I I. (TC /s，加速冷卻至軌頭踏面中心3的溫度為230 270 0C ；C、然後，將軌頭工作側I，軌頭非工作側2，軋頭踏面中心3均以O. 05 O. 25°C /s的冷卻速度繼續加速冷卻，再次使軌頭踏面中心3的溫度降至265 270°C ；·D、最後，使道岔鋼軌自然冷卻至室溫。下面結合實施例和對比例對本發明的貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法做進一步的說明。實施例I 實施例8採用本發明的熱處理方法，將表I中的鋼坯軋制為AT60道岔鋼軌，將處於奧氏體相區的道岔鋼軌按照表2中列出的8組參數進行熱處理，然後，按照現行技術中對道岔鋼軌軌頭斷面硬度測試的方法，如圖I中所示，沿著虛線方向每隔5mm對道岔鋼軌軌頭橫斷面進行硬度測試，在本發明中，只選取了圖I中A1、B1、C1、D1、E1、A6、B6、C6、D4、E4共計10點的測試結果進行分析，其中，Al、BI、Cl、D1、E1至軌頭表面的距離為5mm，A6、B6、C6至軌頭表面的距離為30mm，D4、E4至軌頭表面的距離為20mm，並對軌頭工作側的拉伸性能和衝擊性能進行了測試。表I列出了實施例I 8的鋼坯化學成分，表2列出了實施例I 8的過程控制參數(包括加速冷卻的開始溫度，軌頭工作側加速冷卻速度，軌頭踏面中心與非工作側加速冷卻速度，軌頭工作側與非工作側的冷卻速度差，第一次加速冷卻後軌頭踏面中心溫度，第二次加速冷卻速度，軌頭踏面中心終止溫度)，表4與表5列出了實施例I 8的部分力學性能測試結果(包括拉伸性能，衝擊性能，以及軌頭斷面硬度/HRC)。對比例I 對比例8採用公開號為CN1095421A的中國專利文獻中公布的方法，將表I中的鋼坯軋制為AT60道岔鋼軌，將保留餘熱的道岔鋼軌按照表3中列出的8組參數進行熱處理，然後，按照現行技術中對道岔鋼軌軌頭端面硬度測試的方法，如圖I中所示，沿著虛線方向每隔5mm對道岔鋼軌軌頭橫斷面進行硬度測試，在本發明中，只選取了圖I中A1、B1、C1、D1、E1、A6、B6、C6、D4、E4共計10點的測試結果進行分析，其中，Al、BI、Cl、Dl、El至軌頭表面的距離為5mm, A6、B6、C6至軌頭表面的距離為30mm, D4、E4至軌頭表面的距離為20mm,並對軌頭工作側的拉伸性能和衝擊性能進行了測試。表4與表5同時列出了對比例I 8的部分力學性能測試結果(包括拉伸性能，衝擊性能，以及軌頭斷面硬度/HRC)。表I實施例I 8及對比例I 8的道岔鋼軌化學成分
權利要求
1.一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 a、將終軋後處於奧氏體區域溫度的道岔鋼軌自然冷卻至軌頭踏面中心的溫度為450 480 O ； b、將所述自然冷卻後的道岔鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心的溫度為230 270°C，其中，所述道岔鋼軌的軌頭工作側的冷卻速度大於軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度； C、然後，將所述軌頭工作側、軌頭踏面中心和軌頭非工作側均以O. 05 O. 250C /s的冷卻速度繼續加速冷卻，再次使軌頭踏面中心的溫度降至265 270°C ； d、最後，使道岔鋼軌自然冷卻至室溫。
2.根據權利要求I所述的貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，其特徵在於，在所述步驟b中，所述道岔鋼軌的軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度為I. 5 5. 0°C /s，軌頭工作側的冷卻速度在I. 5 5. (TC /s的基礎上提高O. I I. (TC /S。
3.根據權利要求I所述的貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，其特徵在於，所述加速冷卻所採用的冷卻介質為水霧混合氣或壓縮空氣。
全文摘要
本發明公開了一種貝氏體道岔鋼軌的熱處理方法，所述方法包括以下步驟a、將終軋後處於奧氏體區域溫度的道岔鋼軌自然冷卻至軌頭踏面中心的溫度為450～480℃；b、將所述自然冷卻後的道岔鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心的溫度為230～270℃，其中，所述道岔鋼軌的軌頭踏面中心與軌頭非工作側的冷卻速度為1.5-5.0℃/s，軌頭工作側冷速在此基礎上相應提高0.1～1.0℃/s；c、然後，將所述道岔鋼軌軌頭工作側、軌頭踏面中心和軌頭非工作側均以0.05～0.25℃/s的冷卻速度繼續加速冷卻，再次使軌頭踏面中心的溫度降至265～270℃；d、最後，使道岔鋼軌自然冷卻至室溫。本發明得到的貝氏體道岔鋼軌軌頭表層下方30mm處能夠達到與軌頭表層相同的硬度值，且道岔軌通長具有良好的平直度。
文檔編號C21D9/04GK102839268SQ20121030901
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者韓振宇, 鄒明, 賈濟海, 郭華, 王彥忠, 劉建華, 鄧勇, 王春建 申請人:攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司