抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌及其生產工藝的製作方法
2023-08-12 15:32:56
專利名稱：抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌及其生產工藝的製作方法
技術領域：
本發明是關於鐵路道岔鋼軌，具體是一種具有抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌及其生產工藝。
背景技術：
道岔是線路設備的薄弱環節之一。隨著通過道岔總重及速度的逐年增加與提高，列車通過道岔時輪軌間的衝擊、磨耗日益嚴重，特別是列車側向通過道岔轉轍部分時，尖軋的軋傷及側向磨耗問題尤為突出。道岔鋼軌加工的AT尖軌是轍叉的重要部件之一。它引導列車運行方向，承受運動車輪的擠壓、衝擊和磨耗，其性能的好壞直接關係到鐵路運營的安全和效率。
目前，國內鐵路主要採用強度級別為880MPa的U71Mn鋼生產道岔鋼軌，這種道岔鋼軌製造加工成AT尖軌後需經全長淬火處理。此外還試驗了用980MPa級別的BNbRE和PD3道岔鋼軌製造的AT尖軌，以熱軋態鋪設，試驗表明仍難以滿足繁忙幹線的需要。我國AT尖軌在使用中存在的問題主要有1、曲線尖軌使用壽命平均不超過200天，最短的僅為2個多月，均因壓潰和側向磨耗超限而更換。
2、尖軌使用1～3個月就會出現飛邊，如不及時打磨掉就會連續發生掉塊，連續掉塊長度可近數百毫米。軌尖出現飛邊後，一般採用手提砂輪打磨，不僅給現場維修護養帶來很大的工作量，還影響安全行車。
3、尖軌與轍叉叉心(採用M13鋼製造)都採用高碳鋼製造，焊接非常困難，質量也不穩定。
二十一世紀末期以來，貝氏體鋼軌以其優異的強韌性配合、較好的抗磨損及抗疲勞損傷性能而引起人們的關注，被譽為「劃時代的鋼軌」。用貝氏體鋼生產道岔鋼軌可以很好地解決上述問題，為提高鐵路運行效率創造條件。
以往，強韌性俱佳的貝氏體鋼只有通過等溫處理才能實現，這種處理方法限制了貝氏體鋼的應用。為了解決這個問題，CN1172171A中公開了一種準貝氏體鋼，這種準貝氏體(即無碳化物貝氏體)理論的建立為貝氏體鋼在工業產品上的應用奠定了基礎。準貝氏體鋼理論的建立為人們通過熱軋後空冷得到強韌性匹配非常好的貝氏體鋼提供了一種有效途徑。但是將這種理論應用到具體的產品上還需要解決一系列技術問題。
文獻CN1175980A，介紹了一種貝氏體鋼軌的化學成分、軋後冷卻方式，對生產過程中的冶煉及軋制工藝的控制和熱軋後控冷的工藝或細節未提出具體要求，鋼軌的綜合性能指標也不是最優的。
上述兩個文獻均未提及用準貝氏體鋼生產準貝氏體道岔鋼軌。
發明內容
本發明的目的是，提供一種具有抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌及這種道岔鋼軌的生產工藝。
上述本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
(1)抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌，其特徵是，以重量百分數計算，含有C0.10-0.40％，Si0.80-2.00％，Mn0.80-3.30％，Cr＜2.00％，Mo0.10-0.80％，N10-150ppm，Al≤0.005％，餘量為Fe和不可避免的雜質，將上述成分的鋼熱軋成道岔鋼軌後冷卻空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速緩慢冷卻至200℃，其後在空氣中自然冷卻，得到高強韌性準貝氏體道岔鋼軌。
(2)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，還含有Nb0.005-0.10％。
(3)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％。
(4)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，矽含量為0.80-1.80％。
(5)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，鉬含量為0.10-0.55％。
(6)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％，矽含量為0.80-1.80％。
(7)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％，矽含量為0.80-1.80％，鉬含量為0.10-0.55％。
(8)上面第(1)項所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.12-0.35％，矽含量為0.80-1.80％，鉬含量為0.10-0.55％，鈮含量為0.005-0.10％。
(9)上面第(1)-(8)項中任一項所述的道岔鋼軌，其特徵是，所述的鋼軌是鐵路道岔鋼軌或轍叉。
(10)上面第(1)-(8)項中任一項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，採用轉爐冶煉按所述成分製造熔融的鋼，進行爐外精煉，然後經稀土處理，真空除氣，連鑄成大方坯，採用萬能軋製法或孔型軋製法熱軋或控軋成道岔鋼軌後冷卻首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速緩慢冷卻至200℃，其後在空氣中自然冷卻。
(11)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，轉爐冶煉時採用無鋁脫氧劑進行脫氧。
(12)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，連鑄大方坯的截面尺寸為200mm×200mm～650mm×650mm。
(13)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，所述的熱軋是，將連鑄坯在1150-1350℃加熱，採用萬能軋製法或孔型軋製法軋製成道岔鋼軌，終軋溫度≥1000℃。
(14)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，所述的控軋是，將連鑄坯在1100-1350℃加熱，採用萬能軋製法或孔型軋製法軋製成道岔鋼軌，開軋溫度控制在850-1150℃，終軋溫度控制在650-950℃。
(15)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，採用萬能軋製法或孔型軋製法控制軋製成道岔鋼軌以後空冷到室溫。
(16)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，軋製成形以後空冷，並進行回火處理，回火溫度為240～660℃。
(17)上面第(10)項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，熱軋空冷至相變點後在150～580℃等溫處理。
本發明的優點和效果是1、化學成分設計從企業的實際生產出發，趨於合理，控制殘Al含量，儘量降低鋼中氮含量，不採用硼元素；2、冶煉工序中要求採用無鋁脫氧劑脫氧，並對鋼液進行稀土處理，真空處理；對連鑄坯加熱、軋制道岔鋼軌的開軋及終軋溫度作業進行嚴格規定，採用先進的萬能軋製法軋制；3、本發明準貝氏體組織的典型特徵是板條(或非等軸)鐵素體+(膜或島狀)殘餘奧氏體。為提高鋼的組織穩定性以達到提高鋼的力學性能的目的，提出如下四種工藝a.道岔鋼軌熱軋以後空冷，並在400℃～200℃之間以0.01～0.002℃/s實施緩慢冷卻，其後在空氣中自然冷卻。
b.熱軋成形道岔鋼軌空冷以後進行回火處理。
c.控制軋製成形的道岔鋼軌在空氣中自然冷卻至室溫。
d.熱軋空冷至相變點以下在某一溫度等溫處理。
上述幾種軋制及軋後處理工藝，都可以提高本發明道岔鋼軌的組織穩定性，從而提高鋼的強韌性等力學性能。
4.本發明生產的準貝氏體道岔鋼軌硬度均勻一致，具有優越於珠光體道岔鋼軌的強韌性、優良的耐磨及抗剝離性能，良好的輪軌匹配關係。
這種準貝氏體鋼軌的綜合性能更加優異；鋼軌橫截面的硬度均勻一致，鋼軌更容易加工；鋼軌產品質量更加穩定，本發明採用的軋制及軋後處理工藝，提高了本發明鋼的組織穩定性，從而提高了鋼的強韌性等力學性能，使鋼軌的抗磨損性能更加優異。
圖1是熱軋後緩慢冷卻時鋼中的硼以硼化物相沿晶界析出的顯微照片(放大200倍)。
圖2是AlN夾雜掃描電子顯微鏡照片(放大800倍)圖3是本發明貝氏體組織的透射電鏡的組織照片(放大12000倍)，為板條鐵素體+(膜或島狀)殘餘奧氏體組成。
圖4是本發明準貝氏體鋼的CCT曲線圖5是本發明準貝氏體道岔鋼軌的橫截面硬度(洛氏硬度)圖6是本發明準貝氏體道岔鋼軌的實驗室磨耗失重曲線圖7是實驗室不同組織道岔鋼軌與車輪鋼對磨後車輪的失重曲線圖8是三種道岔鋼軌鋼與車輪鋼對磨8萬轉後表面狀態的照片具體實施方式
我們發明的具有優異的抗磨損性能的高強韌性準貝氏體道岔鋼軌軋後不採用強冷工藝，這種工藝條件下不宜採用硼作為合金元素，這是因為，道岔鋼軌軌頭截面較大，軋製成形以後空冷時，軌頭的冷速較慢，這種冷卻條件不足以抑制硼元素在晶界的偏聚，鋼中的硼會形成硼化物沿晶界析出，見附圖1，沿晶界析出的硼化物相使鋼的力學性能惡化，特別是塑韌性急劇下降(見表1中1#鋼的成分及性能)。無法保證道岔鋼軌鋪設時的使用安全性。
如附圖2所示準貝氏體鋼採用Al合金化或用鋁脫氧時，如果鋼中氮含量過高，鋼中就會析出大量的氮化鋁夾雜(附圖2中夾雜物的能譜分析表明其中N為11.53％；Al為61.89％)，當鋼中N、Al含量達到表1中2#鋼的水平時，比照GB10561-89D類夾雜物評級，鋼中AlN類夾雜為2.5級，此時，由於AlN的作用，同樣會使鋼的塑韌性急劇下降，無法保證道岔鋼軌鋪設時的使用安全性，表1中2#鋼的性能檢驗結果充分說明了這一點。
因此，我們在進行準貝氏體道岔鋼軌的成分設計時，不考慮硼及鋁元素。冶煉過程中，為了控制鋼中鋁含量，採用無鋁脫氧劑脫氧，同時控制鋼中氮含量在一定範圍之內。
鋼水經過LF爐精煉和VD真空處理後，使道岔鋼軌鋼質純淨度有極大提高，已經可以滿足普通道岔鋼軌的生產，但是由於準貝氏體鋼的強度水平比較高，因此對鋼的內在質量有更高的要求，針對這種要求，我們進行稀土處理，一方面對鋼中長條形(如MnS)夾雜有一定的變質作用，另一方面可以提高道岔鋼軌橫向的衝擊韌性。
表1
如附圖3所示準貝氏體道岔鋼軌的組織為板條(或非等軸)鐵素體+(膜或島狀)殘餘奧氏體(見附圖3)，其力學性能良好。
本發明準貝氏體道岔鋼軌的貝氏體組織是在熱軋空冷條件下獲得的，其連續冷卻曲線見附圖4。
本發明為獲得上述組織，其化學成分按表2a控制。
表2a化學成分
表2b性能指標
一般熱軋空冷條件下準貝氏體鋼的組織穩定性較差，鋼的力學性能也較差，為了提高鋼的組織穩定性，改善其力學性能，我們確定了十分有效的道岔鋼軌軋制及軋後處理工藝。
只有將上述方法結合起來，才能得到理想的性能指標(參見表2b)。
附圖5中示出準貝氏體道岔鋼軌的橫截面硬度(洛氏)，軌頭、軌腰、軌底硬度均勻一致。
本發明準貝氏體道岔鋼軌的實驗室磨耗失重試驗結果(見附圖6)表明，試驗至8萬轉時準貝氏體道岔鋼軌鋼的試樣耐磨性能比PD3熱處理鋼軌提高25％，比PD3未熱處理鋼軌提高40％。
實驗室不同組織道岔鋼軌與車輪鋼對磨後車輪的失重曲線見附圖7，試驗結果表明，本發明道岔鋼軌雖然硬度高，但對車輪的磨耗最少試驗至8萬轉時，本發明道岔鋼軌對車輪的磨耗不到PD3熱軋軌對車輪磨耗的10％。因此，準貝氏體道岔鋼軌將具有良好的輪軌匹配關係。
三種道岔鋼軌鋼與車輪鋼對磨8萬轉後表面狀態的照片見附圖8，照片說明即使試驗至8萬轉，準貝氏體道岔鋼軌鋼接觸表面非常光滑，未出現任何表面麻坑，而PD3熱軋鋼軌鋼以及PD3熱處理鋼軌鋼則隨著試驗的進行從1萬轉開始接觸表面就出現麻坑，並隨著轉數的增加麻坑由小變大、由少變多、呈長條狀，從這裡可以看出，準貝氏體道岔鋼軌具有比珠光體道岔鋼軌更優異的抗表面傷損的能力。
從控制組織形態、化學成分、冶金質量、軋制及軋後工藝以提高準貝氏體道岔鋼軌的綜合性能指標，即充分挖掘準貝氏體道岔鋼軌韌塑性方面的潛力等方面考慮，本發明有五個特點1、化學成分設計從企業的實際生產出發，趨於合理，控制殘Al含量，儘量降低鋼中氮含量，不採用硼元素；2、冶煉工序中要求採用無鋁脫氧劑脫氧，並對鋼液進行稀土處理，真空處理；對連鑄坯加熱、軋制鋼軌的開軋及終軋溫度作業進行嚴格規定，採用先進的萬能軋製法軋制；3、本發明貝氏體組織的典型特徵是板條(或非等軸)鐵素體+(膜或島狀)殘餘奧氏體。為提高鋼的組織穩定性以達到提高鋼的力學性能的目的，提出如下四種工藝a.道岔鋼軌熱軋以後空冷，並在400℃～200℃之間以0.01～0.002℃/s的冷速實施緩慢冷卻，其後在空氣中自然冷卻到室溫。
b.熱軋成形的道岔鋼軌空冷至室溫以後進行回火處理，回火溫度為200～650℃。
c.控制軋製成形的道岔鋼軌在空氣中自然冷卻至室溫。
d.熱軋成形的道岔鋼軌空冷至相變點，在200～600℃等溫處理。
上述幾種軋制及軋後處理工藝，都可以提高本發明道岔鋼軌的組織穩定性，從而提高鋼的強韌性等力學性能。
4.依據本發明生產的準貝氏體道岔鋼軌硬度均勻一致，強韌性等綜合性能指標優於引用文獻介紹的貝氏體鋼或貝氏體鋼軌。
5.依據本發明生產的準貝氏體道岔鋼軌具有優越於珠光體鋼軌(或道岔鋼軌)的強韌性、優良的耐磨及抗剝離性能、良好的輪軌匹配關係。
本發明最佳實施例中的合金成分見表3。
表3最佳實施例合金成分
權利要求
1.一種抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌，其特徵是，以重量百分數計算，含有C0.10-0.40％，Si0.80-2.00％，Mn0.80-3.30％，Cr＜2.00％，Mo0.10-0.80％，N10-150ppm，Al≤0.005％，餘量為Fe和不可避免的雜質，將上述成分的鋼熱軋成道岔鋼軌後冷卻首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速緩慢冷卻至200℃，其後在空氣中自然冷卻，得到高強韌性準貝氏體道岔鋼軌。
2.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，還含有Nb0.005-0.10％。
3.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％。
4.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，矽含量為0.80-1.80％。
5.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，鉬含量為0.10-0.55％。
6.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％，矽含量為0.80-1.80％。
7.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％，矽含量為0.80-1.80％，鉬含量為0.10-0.55％。
8.如權利要求1所述的道岔鋼軌，其特徵是，碳含量為0.08-0.30％，矽含量為0.80-1.80％，鉬含量為0.10-0.55％，鈮含量為0.005-0.10％。
9.如權利要求1-8中任一項所述的道岔鋼軌，其特徵是，所述的鋼軌是鐵路道岔鋼軌或轍叉。
10.如權利要求1-8中任一項所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，採用轉爐冶煉按所述成分製造熔融的鋼，進行爐外精煉，然後經稀土處理，真空除氣，連鑄成大方坯，採用萬能軋製法、孔型軋製法熱軋或控軋成道岔鋼軌後冷卻首先空冷至400℃，以0.01-0.002℃/s的冷速緩慢冷卻至200℃，其後在空氣中自然冷卻，得到高強韌性準貝氏體道岔鋼軌。
11.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，轉爐冶煉時採用無鋁脫氧劑進行脫氧。
12.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，連鑄大方坯的截面尺寸為200mm×200mm～650mm×650mm。
13.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，所述的熱軋是，將連鑄坯在1150-1350℃加熱，採用萬能軋製法或孔型軋製法軋製成道岔鋼軌，終軋溫度≥1000℃。
14.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，所述的控軋是，將連鑄坯在1100-1350℃加熱，採用萬能軋製法或孔型軋製法軋製成道岔鋼軌，開軋溫度控制在850-1150℃，終軋溫度控制在650-950℃。
15.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，採用萬能軋製法或孔型軋製法控制軋製成道岔鋼軌以後空冷到室溫。
16.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，軋製成形以後空冷，並進行回火處理，回火溫度為240～660℃。
17.如權利要求10所述的抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌的生產工藝，其特徵在於，熱軋空冷至相變點後，在150～580℃等溫處理。
全文摘要
本發明公開了一種抗磨損、高強韌性準貝氏體道岔鋼軌及其生產工藝，該鋼軌含有(重量％)C0.10－0.40％，Si0.80－2.00％，Mn0.80－3.30％，Cr＜2.00％，Mo0.10－0.80％，N10－150ppm，Al≤0.005％，餘量為Fe和不可避免的雜質。採用轉爐冶煉按所述成分製造熔融的鋼，進行爐外精煉，然後經稀土處理，真空除氣，連鑄成大方坯，採用萬能軋製法熱軋成形後空冷至400℃，以0.01－0.002℃/s的冷速緩冷至200℃，其後在空氣中自然冷卻；也可以熱軋成形空冷後回火或熱軋空冷至相變點以下，在200－600℃等溫處理或控軋後空冷。這種鋼軌橫截面的硬度均勻、更易加工、質量更穩定；本發明採用軋制及軋後處理工藝，提高了鋼的組織穩定性、強度、韌性，使鋼軌的抗磨損性能更加優異。
文檔編號E01B7/00GK1510155SQ0215885
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月24日 優先權日2002年12月24日
發明者趙素華, 張緒平, 王立來, 慄榮全, 寧東, 王道遠, 潘玲, 楊玉 申請人:鞍山鋼鐵集團公司, 鞍鋼新軋鋼股份有限公司