CN102899471A - 贝氏体钢轨的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贝氏体钢轨的热处理方法。该贝氏体钢轨的热处理方法包括：将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460℃-490℃；将钢轨以2.0℃/s-4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250℃-290℃；使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；将钢轨置于炉膛温度为300℃-350℃的加热炉内回火处理2h-6h；将钢轨空冷至室温。经根据本发明的热处理方法得到的钢轨在获得稳定残余奥氏体组织的同时具有良好的综合力学性能。

Description

贝氏体钢轨的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种贝氏体钢轨的热处理方法，更具体地讲，涉及一种含有稳定残余奥氏体的高性能贝氏体钢轨的热处理方法。

背景技术

钢轨是引导列车运行并将车轮载荷传递给道床的关键部件，其质量的优劣直接影响线路的运营效率和行车安全。近年来，随着铁路轴重和通过总重的不断提高，对钢轨的性能和综合质量提出了更高的要求。

研究已证明，由贝氏体型铁素体、残余奥氏体及微量马氏体组成的无碳化物贝氏体/马氏体复相钢在钢轨领域拥有巨大的开发潜力，世界各国学者在贝氏体钢轨的研制、应用与完善方法开展了大量工作。目前，贝氏体钢轨的生产工艺主要分为以下三种：

（1）将钢坯轧制为钢轨后直接空冷至室温，此时将得到上贝氏体（微量）＋无碳化物贝氏体＋残余奥氏体（少量）＋马氏体（微量）的复相钢，配合后续回火工序稳定钢中残余奥氏体并使得马氏体也转变为回火马氏体，钢轨的强韧性较空冷条件下有所改善；

（2）提高钢中Mo、Ni、V、Ti等贵重合金元素的含量，将轧制后的钢轨直接空冷至室温，从而得到具有良好强韧性的无碳化物贝氏体＋残余奥氏体＋马氏体复相钢。该方法由于无奥氏体稳定化措施，所以钢中残余奥氏体在列车车轮冲击载荷等外力作用存在诱发形成脆性的马氏体的趋势；

（3）将钢坯轧制为钢轨后自奥氏体相区施加冷却介质，以1-10℃/s的冷速对钢轨实施加速冷却至300-500℃时停止冷却，其后空冷至室温，得到强韧性良好的贝氏体钢轨，公开号为CN1095421A的专利申请即采用上述方法。研究表明，采用该方法生产的钢轨在加速冷却过程中，由于钢轨横断面热容的不均匀分布，易于产生较大弯曲变形，导致钢轨的平直度降低，在后续矫直工序将产生较大的残余应力，影响钢轨的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种贝氏体钢轨的热处理方法。

根据本发明的贝氏体钢轨的热处理方法包括：将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460℃-490℃；将钢轨以2.0℃/s-4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250℃-290℃；使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；将钢轨置于炉膛温度为300℃-350℃的加热炉内回火处理2h-6h；将钢轨空冷至室温。

根据本发明的实施例，可以通过向钢轨轨头施加冷却介质进行强制冷却。

根据本发明的实施例，冷却介质可以为水雾混合气体或压缩空气。

经根据本发明的热处理方法得到的钢轨在获得稳定残余奥氏体组织的同时具有良好的综合力学性能。

附图说明

通过结合附图进行的示例性实施例的以下描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚和更易于理解，其中：

图1是中国铁道行业标准中的钢轨轨头断面硬度测试位置的示意图。

图2是根据本发明示例性实施例的热处理方法得到的贝氏体钢轨的显微组织照片。

图3是根据现有技术的热处理方法得到的贝氏体钢轨的显微组织照片。

具体实施方式

在贝氏体钢轨的轧制过程中，通常将含有贝氏体钢轨成分的钢坯送至加热炉中加热，并且通常采用1200℃-1300℃的均热温度和不小于2h的均热时间，并且均热通常采用先快后慢的加热方式。然后，在保温至规定时间之后在轧机中轧制为所需断面钢轨。此外，终轧温度通常为大约900℃-1000℃。

下面将参照示例性实施例详细地描述根据本发明的例如经上述轧制后得到的钢轨的热处理方法，然而，本发明不限于对上述轧制后的钢轨进行热处理。

首先，将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至大约460℃-490℃；然后，将钢轨以大约2.0℃/s-4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至大约250℃-290℃。

根据本发明的示例性实施例，可以将终轧后的钢轨直立于辊道后进行空冷直至钢轨轨头表层温度降至大约460℃-490℃，然后可以通过向钢轨轨头施加冷却介质对钢轨进行强制冷却，例如可以向钢轨轨头的顶表面和两个侧面施加冷却介质对钢轨进行强制冷却。这里，可以将钢轨的冷却速度控制为大约2.0℃/s-4.0℃/s。然而，本领域技术人员将认识到，对钢轨的强制冷却不限于以上方式。此外，根据本发明的示例性实施例，冷却介质可以为水雾混合气体或压缩空气。

在轧后空冷条件下，贝氏体钢轨的相变温度在大约350-400℃之间。在现有技术中，从奥氏体相区开始实施加速冷却，由于开始加速冷却温度距离相变温度范围较宽，需冷却较长时间，这样将耗费较多的冷却介质能源；此外，从奥氏体相区开始实施加速冷却，在加速冷却过程中，钢轨轨头表层受到冷却介质加速冷却的同时，来自轨头心部和轨腰部位的热量将通过热传递方式向轨头表层扩散，导致轨头难以在更大的过冷度下完成相变，并最终导致轨头断面的强硬度出现由表层至心部递减的现象，无法实现全面硬化。因此，在奥氏体相区至490℃温度区间实施加速冷却，对提高钢轨的综合性能指标无显著帮助。然而，根据本发明的示例性实施例，当钢轨轨头表层温度自然冷却至大约460℃-490℃时，轨腰与轨底的温度均低于500℃。此时实施加速冷却，轨头表层温度显著降低，而来自轨头心部的热量难以有效补充，同时，因距离贝氏体相变点较近，可使钢轨轨头全断面特别是轨头心部在更大的过冷度下完成相变。因此，钢轨可获得比背景技术中提到的热处理方法更高的性能指标。

此外，在强制冷却过程中，如果冷却速度低于2℃/s，则轨头表层的温度难以快速下降，无法有效传递至心部，同时来自心部的热量将反补表层，不利于提高钢轨的综合性能；如果冷却速度高于4℃/s，则由于表层冷却速度过快而产生较多的马氏体，尽管结合后续的回火处理，可转变为回火马氏体，但也无法完全转变，最终保留至室温的马氏体组织将不利于钢轨的安全使用。

此外，在强制冷却后，如果钢轨轨头表层的强制冷却终温高于290℃，则尽管轨头表层已获得细小的贝氏体组织，但轨头心部由于温度较高而将产生粗大的贝氏体组织并最终影响室温下钢轨的性能，不利于实现全断面性能的统一；如果钢轨轨头表层的强制冷却终温低于250℃，则在贝氏体组织中将生成大量的马氏体，即使通过后续的回火处理也难以消除，从而导致钢轨韧塑性显著降低甚至导致钢轨无法使用。

接下来，使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；然后将钢轨置于炉膛温度为300℃-350℃的加热炉内回火处理2h-6h。

根据本发明的示例性实施例，在完成强制冷却后，将钢轨置于空气中，此时，来自轨头心部和轨腰部位的热量将会使轨头表层温度回升50-60℃。因此，在上述强制冷却至250℃-290℃之后，钢轨表层温度可以自然回升至300℃以上。在前述强制冷却阶段完成后，来自轨腰和轨头心部的热量仍向轨头表层补充，即钢轨全断面处于均热状态，通过一段时间的均热后，钢轨平均温度在大约300-350℃之间，此时进行回火处理，可显著缩短回火时间，并可获得更加均匀的性能分布。此外，通过前述强制冷却，细小的贝氏体组织已经形成，在薄片状贝氏型体铁素体的片层间包含残余奥氏体，此时的残余奥氏体是不稳定的，需通过回火处理进一步稳定，才能获得强韧性俱佳的稳定钢轨。虽然钢轨强制冷却后温度的回升能够起到一定的回火作用，但其作用有限。这是因为，来自轨腰和轨底的热量只能维持较短时间内钢轨温度的回升，当钢轨达到均热态后，全断面温度将同时降低，并在很短的时间内降低至室温。因此，自身温度回升的回火处理对组织的影响较为有限，钢中部分残余奥氏体仍处于亚稳定状态。因此，本发明采用在大约300℃-350℃加热处理的回火工艺。

根据本发明的示例性实施例，将加热炉温度设置为大约300℃-350℃，当回火温度低于300℃时，钢的韧塑性指标特别是-40℃条件下冲击韧性显著降低，无法发挥贝氏体钢轨低温下高韧性的特点；当回火温度高于350℃时，尽管韧塑性指标仍在提高，但强度与硬度出现下降趋势，不利于获得综合性能优良的钢轨。此外，当回火时间小于2h，钢中部分残余奥氏体仍处于亚稳定状态，未达到稳定残余奥氏体的目的；当回火时间高于6h，钢中残余奥氏体已转变完成，回火目的已达到，继续延长处理时间已无显著益处。

最后，将回火处理过的钢轨空冷至室温，从而得到具有稳定残余奥氏体组织同时具有良好的综合力学性能的钢轨。

在下文中，将结合具体实施例来详细描述本发明的含有稳定残余奥氏体的高性能贝氏体钢轨的热处理方法。

表1示出根据本发明的实施例和对比示例使用的贝氏体钢轨的化学成分，然而，本发明的热处理方法不限于应用于具有表1中化学成分的钢轨。

表1

将含有上述成分的钢坯轧制成60kg/m的钢轨后分别按照表2中的工艺实施热处理，其中，在实施例中进行了后续的回火处理，在对比示例中未进行回火处理。

表2

将完成上述处理的钢轨空冷至室温，检验后得到如表3和表4所示的力学性能指标。

表3

表4

图1是中国铁道行业标准中的钢轨轨头断面硬度测试位置的示意图。表4中的轨头横断面硬度测试点A₁、B₁、C₁、A₄、B₅和C₅如图1所示，其中，A₁、B₁、C₁分别代表轨头表层三处位置，A₄、B₅、C₅分别代表轨头心部三处位置。

图2是根据本发明示例性实施例的热处理方法得到的贝氏体钢轨的显微组织照片，图3是根据现有技术的热处理方法得到的贝氏体钢轨的显微组织照片。

通过表1至表4的对比及对图2与图3的分析可知，在化学成分、冶炼及轧制工艺相同的条件下，轧制后钢轨的热处理方式对钢轨的最终性能将产生显著影响。具体地讲，采用根据本发明实施例的钢轨热处理方法，显微组织是由板条状贝氏体铁素体、在板条间交替分布并呈片层分布的不连续的残余奥氏体薄膜和少量孪晶马氏体组成的混合组织。在同一晶团内，贝氏体铁素体板条取向均匀一致，片间距更细小，细化的组织不仅显著提高钢的强硬度，而且还能略微提高钢的韧塑性，充分发挥细晶强化对钢轨综合性能的提升作用。此外，残余奥氏体含量的降低将显著降低室温条件下残余奥氏体在外力作用下诱发脆性马氏体转变的倾向性，即，残余奥氏体机械稳定性更强，更有利于列车运行中的可靠性和安全性。相比之下，采用现有技术的热处理方法，尽管组织仍由贝氏体铁素体、残余奥氏体和少量马氏体组成，但由于终止加速冷却温度较高，钢轨轨头全断面难以在更大的过冷度下完成相变，导致钢中组织粗大，并且析出少量先共析铁素体。由于无法充分发挥加速冷却对贝氏体钢轨性能的提升作用，在导致钢轨强硬度较低的同时，韧塑性也不理想。更重要的是，在现有技术的热处理方法中，残余奥氏体比例较高，尺寸较为粗大且呈连续闭合分布的形貌，容易在列车车轮作用下向马氏体转变，导致钢轨脆断，造成行车事故。因此，采用根据本发明实施例的热处理方法处理过的钢轨不仅能够满足铁路钢轨更高的性能要求，还能确保列车的平稳安全运营。

综上所述，本发明的高性能贝氏体钢轨的热处理方法应用于终轧后带有余热的钢轨，在化学成分、冶炼及轧制工艺相同的条件下，与传统的热处理方法相比，采用根据本发明实施例的钢轨的热处理方法可以使钢轨获得更加优异的强韧性，并且根据本发明实施例的热处理方法处理后的钢轨适用于对接触疲劳伤损和耐磨损性能具有较高要求的重载铁路。

虽然已参照具体实施例描述了根据本发明的钢轨的热处理方法，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在此可以对本发明做出各种修改和改变。

Claims (3)

1.一种贝氏体钢轨的热处理方法，其特征在于，所述贝氏体钢轨的热处理方法包括：

将终轧后的钢轨自然冷却，以使钢轨轨头表层温度降至460℃-490℃；

将钢轨以2.0℃/s-4.0℃/s的冷却速度强制冷却，以使钢轨轨头表层温度降至250℃-290℃；

使钢轨温度自然回升直至钢轨轨头表层温度达到300℃以上；

将钢轨置于炉膛温度为300℃-350℃的加热炉内回火处理2h-6h；

将钢轨空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的贝氏体钢轨的热处理方法，其特征在于，通过向钢轨轨头施加冷却介质进行强制冷却。

3.根据权利要求2所述的贝氏体钢轨的热处理方法，其特征在于，冷却介质为水雾混合气体或压缩空气。

Images