CN104233073A - 一种表面脱碳层小于0.3mm钢轨及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面脱碳层小于0.3mm钢轨及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.60%～0.66%，Si：0.10%～0.30%，Mn：0.8%～1.2%，Cr:0.2%～0.5%， P≤0.020%，S≤0.015%，氢≤0.0002%，氧≤0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。方法：冶炼、连铸：精炼采用VD真空处理，时间大于25min，氢含量小于2.0PPm；铸坯处理：热送热装，铸坯温度大于760℃；加热炉内加热段弱氧化性气氛，加热段炉温1250℃～1320℃，空气系数为1. 0～ 1. 20；均热段还原性气氛，均热段炉温1150℃～1250℃，空气系数为0. 80～1. 00。钢轨表面脱碳层小于0.3mm，可减少高速轨上道打磨量；钢轨表层组织细化，有助于提高钢轨表层硬度，减少钢轨表面接触疲劳伤损的出现，延长钢轨使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于铁路用钢轨领域，尤其涉及一种表面脱碳层深度小于0.3mm的高速铁路用钢轨。
背景技术
近年来，我国高速铁路客运专线越来越多，铁路客运量不断加大，对客运专线用钢轨的要求也越来越高。脱碳层是影响钢轨使用性能的重要因素，车轮与钢轨轨头踏面直接接触， 钢轨踏面脱碳严重, 表层硬度降低, 会导致钢轨表面过早出现裂纹、波状磨损等伤损，显著降低钢轨的使用寿命。
目前国内外用于客运的钢轨主要是加入适量Si和Mn的高碳钢（不含其它合金元素）,以保证钢轨具有足够的强硬性和良好韧塑性。我国主要有U71Mn和U75V两种钢轨用于客运线路，U71Mn化学成分为C：0.65%~0.75%，Si：0.15%~0.58%，Mn：0.7%~1.2%；U75V强度略高于U71Mn,化学成分为C：0.71%~0.80%，Si：0.50%~0.70%，Mn：0.75%~1.05%，V:0.04%~0.08%.这些现有钢轨的脱碳层深度一般为0.4mm~0.5mm。
为除去钢轨脱碳层及施工过程中造成的表面伤损，在高速铁路开通运行前，均要对新轨进行打磨，同时为避免打伤钢轨并保证钢轨表面光洁度，打磨深度一般不超过0.3 mm。因此，铁道部运输局已明确提出，各钢厂应将高速轨脱碳层控制在0.3mm以内。但目前现有钢轨的脱碳层深度一般只能控制在0.5mm以内，不能达到小于0.3mm的要求。
目前，主要有两种技术降低钢轨脱碳层深度，一种是铸坯下线冷却后在铸坯表面喷涂涂料降脱碳，需先将热铸坯下线冷却，清理表面，再在铸坯表面喷涂涂料，钢轨轧制前再将铸坯二次加热，铸坯二次加热即消耗能源，增加生产成本，又影响生产节奏。
另一种方法就是通过控制加热条件改善铸坯脱碳深度或通过改变轧制工艺方降低钢轨脱碳层深度，此种方法要求燃料成分稳定，设备控制精度高，操作难度大，不容易实现，且效果不明显。
专利《一种防止高碳钢坯或钢锭脱碳的加热方法》（CN 1438334A）介绍了一种防止高碳钢坯或钢锭脱碳的加热方法，通过控制空气、煤气等燃料比值，调节空气过剩系数，进而控制炉内气氛降低铸坯脱碳，此种方法需要加热炉配有精确的控制***，精确控制空气、煤气量，操作困难，难以实现；专利“CN 102399959 一种减小钢轨脱碳层厚度的方法”介绍，按铸坯温度精确控制空气过剩系数，根据钢轨规格变更铸坯规格并相应的控制万能轧制压缩比，降低钢轨脱碳深度，变更铸坯规格需频繁更换连铸机配套设备，操作控制难度大，影响生产节奏，且仅能将U71Mn钢轨脱碳层控制在0.5mm以内.
专利《一种控制钢轨轨头脱碳的轧制方法》（CN 102240671A），通过改变钢轨轨头孔型***降低钢轨脱碳层深度，且要求严格控制道次压下量和特殊的孔型***，设计加工轧辊存在较大难度，且脱碳层降低幅度有限，也仅能将钢轨脱碳层降至0.33mm左右，不能保证脱碳层完全小于等于0.3mm。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种高速铁路用钢轨，使其表面脱碳层深度≤0.3mm，改善钢轨表面质量，提高表面硬度，延长使用寿命。
在本发明中，一种表面脱碳层小于0.3mm钢轨，其化学成分重量百分比为：C：0.60%～0.66%，Si：0.10%～0.30%，Mn：0.8%～1.2%，Cr:0.2%～0. 5%，杂质元素 P≤0.020%，S≤0.015%，氢≤0.0002%，氧≤0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
以下详细阐述本发明的结构用钢各合金成分作用机理，本发明成分设计理由如下：
C：0.60%~0.66%
C是钢轨钢中Fe以外的主要元素，也是主要的强化元素，它能够增强重轨的强度、硬度以及耐磨性。随着碳含量的增加，钢轨钢的强度极限、硬度及耐磨性迅速增加，当碳含量从0.35%增加到0.60%时，可使钢的耐磨性提高60%，C含量若低于0.60%，则很难保证钢轨钢的强度，另一方面C含量若高于0.66%，铸坯加热过程中脱碳严重，碳高还可能恶化钢的焊接性能和韧性。因此，C含量要控制在0.60%~0.66%。
Mn：0.80%~1.2%
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素，锰和铁形成固溶体，能提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。Mn含量太低不能满足钢轨强度要求，Mn含量过高易形成成分偏析，影响使用性能，因此，综合考虑，Mn含量应该控制在0.80%~1.2%。
Si：0.10%~0.30%
Si作为炼钢过程中的还原剂和脱氧剂，是钢中常见元素之一。固溶在铁素体中的Si可以使铁素体晶粒发生畸变，有效提高铁素体基体强度，尤其提高钢的屈服强度，但Si高不仅增加钢的变形抗力，使进钢轨轧制过程中脱碳，还会降低韧性和焊接性能。因此控制Si含量在0.10%~0.30%内。
P：≤0.020%、S：≤0.015%
P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020%，最高S含量限制在0.015%。
Cr：0.2%~0.5%
Cr能显著提高钢的淬透性,可以细化珠光体片间距，从而细化组织，提高强度。Cr还可以提高碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向，与Si相比，Cr更不易促进脱碳，因此，在重轨钢中加入适量的Cr,细化表层组织，降低脱碳层深度，提高轨头表面强硬性。
氢≤0.0002%
氢含量>0.0002%，钢中易出现白点缺陷，可能导致钢轨断裂，影响疲劳性能。
氧≤0.0020%
氧含量高，钢中氧化物类夹杂多，钢轨易出现核伤等疲劳缺陷，因此，为保证钢质洁净，要求钢中氧含量≤0.0020%。
本发明一种表面脱碳层小于0.3mm钢轨制造方法，包括冶炼、连铸、冶炼、铸坯处理、轧制。
冶炼、连铸：上述成分的铸坯由转炉冶炼、炉外精炼、连铸生产而成；精炼采用VD真空处理，处理时间大于25min，保证钢水氢含量小于2.0PPm, 避免钢轨出现白点缺陷导致过早疲劳断裂；为使钢轨表面晶粒细小，降低表面脱碳层深度，铸坯轧制钢轨时要保证有足够的压缩比，因此，铸坯截面尺寸应大于等于280*380mm；
铸坯处理：连铸坯采用热送热装，连铸坯切割定尺后不下线，，直接进加热炉加热、轧制， 该钢AC3相变点为750℃左右，采用铸坯温度大于760℃的热送热装生产工艺，一方面可以避免加热前铸坯表面形成铁素体组织，增加脱碳倾向，另一方面，采用热送热装的生产工艺可以减少铸坯在加热炉内停留时间，降低铸坯在加热炉内脱碳倾向，减小钢轨表面脱碳深度；铸坯温度大于760℃的热送热装生产工艺；加热炉内加热段弱氧化性气氛，均热段还原性气氛，有助于降低铸坯表面脱碳。铸坯在炉内停留时间过长，温度过高会增加铸坯脱碳倾向，因此，加热段炉温1250℃～1320℃，空气系数为1. 0～ 1. 20；均热段炉温1150℃～1250℃，空气系数为0. 80～1. 00；铸坯在炉内停留总时间1.5～3小时，铸坯出炉温度1100℃～1150℃；
铸坯采用开坯机开坯，再进万能轧机轧制，开坯前和进万能轧机前均采用高压水清理铸坯表面，高压水工作压力大于150MPa,以保证成品钢轨表面质量。
发明的钢轨钢中C含量降低，有助于减轻钢轨表面脱碳；铸坯连铸后热送热装进加热炉，铸坯装炉温度大于750℃，避免铸坯二次加热增加脱碳，同时保证良好的热工制度，降低了铸坯加热过程中表面脱碳倾向；钢中添加适量Cr元素，提高钢轨钢淬透性，在同等冷速条件下，应用该发明生产的钢轨表层显微组织细化，有助于提高钢轨表面硬度。轧制过程中，采用多次高压水处理，有助于除去钢轨表面氧化铁皮，提高表面质量。
按上述化学成分和工艺生产的钢轨，内在质量和力学性能均满足高速轨标准要求。钢轨表面脱碳层小于0.3mm，可以减少了高速轨上道打磨量；钢轨表层组织细化，有助于提高钢轨表层硬度，减少钢轨表面接触疲劳伤损的出现，延长钢轨使用寿命。
附图说明
图1为实施例1轨头圆角处脱碳层的金相组织图。
图2为实施例2轨头踏面脱碳层的金相组织图。
图3为现有高速钢轨轨头脱碳层的金相组织图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、连铸、铸坯处理、轧制。本发明实施例钢轨的冶炼成分见表1。本发明实施例钢轨的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢轨的性能见表3。
表1 本发明实施例钢轨的冶炼成分，Wt%
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | H | 0 |
| 1 | 0.64 | 0.10 | 0.85 | 0.012 | 0.014 | 0.22 | 0.00016 | 0.0018 |
| 2 | 0.61 | 0.20 | 1.18 | 0.011 | 0.0008 | 0.43 | 0.00010 | 0.0016 |
| 3 | 0.66 | 0.18 | 1.03 | 0.019 | 0.0010 | 0.28 | 0.00013 | 0.0013 |
| 4 | 0.65 | 0.30 | 0.98 | 0.009 | 0.0009 | 0.49 | 0.00008 | 0.0015 |
注：余量为Fe和不可避免的杂质
表2 本发明实例钢轨的主要工艺参数
表3本发明实施例钢轨的性能
按上述化学成分和工艺生产的钢轨，内在质量和力学性能均满足高速轨标准要求。钢轨表面脱碳层小于0.3mm，可以减少了高速轨上道打磨量；钢轨表层组织细化，有助于提高钢轨表层硬度，减少钢轨表面接触疲劳伤损的出现，延长钢轨使用寿命。
Claims (2)
1.一种表面脱碳层小于0.3mm钢轨，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C：0.60%～0.66%，Si：0.10%～0.30%，Mn：0.8%～1.2%，Cr:0.2%～0. 5%，杂质元素 P≤0.020%，S≤0.015%，
氢≤0.0002%，氧≤0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述表面脱碳层小于0.3mm钢轨制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯处理、轧制，其特征在于，
冶炼、连铸：上述成分的铸坯由转炉冶炼、炉外精炼、连铸生产而成；精炼采用VD真空处理，处理时间大于25min，保证钢水氢含量小于2.0PPm；铸坯截面尺寸应大于等于280*380mm；
铸坯处理：连铸坯采用热送热装，连铸坯切割定尺后不下线，铸坯温度大于760℃的热送热装生产工艺；加热炉内加热段弱氧化性气氛，加热段炉温1250℃～1320℃，空气系数为1. 0～ 1. 20；均热段还原性气氛，均热段炉温1150℃～1250℃，空气系数为0. 80～1. 00；铸坯在炉内停留总时间1.5～3小时，铸坯出炉温度1100℃～1150℃；铸坯采用开坯机开坯，再进万能轧机轧制，开坯前和进万能轧机前均采用高压水清理铸坯表面，高压水工作压力大于150MPa。
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