CN113416818B - 一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，通过控制钢轨在不同温度阶段的冷却速度，避免上贝氏体、粒状贝氏体这些性能较差的组织，进而形成下贝氏体与低碳马氏体复相组织，可有效的改善组织偏析(马氏体偏析带)，可以细化原奥氏体晶粒、降低组织片间距、降低残奥数量，从而使钢轨具有高强度、高塑性、高韧性、高抗剥离掉块性、高耐磨性、高滚动接触疲劳性能等特点。

Description

一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺。
背景技术
随着铁路重载运输技术的进步，我国铁路重载运输能力在不断提高，重载货车轴重在逐步提高，重载铁路具有轴重大、运量大、发车密度高等特点，例如2019年太原局大秦线通货量达5亿吨/年。重载铁路用钢轨的迅猛发展，对钢厂的钢轨材料强韧性、耐磨性和抗疲劳性能提出了更苛刻的要求。目前普遍使用的珠光体钢轨，由于其成分和组织结构的特点其强韧性基本发挥到极限，且冲击韧性、断裂韧性也较低，已无法完全满足重载铁路服役要求。在以上的背景下，促进了适合重载运输铁路钢轨的开发，贝氏体钢轨具有良好的强度、塑性、冲击韧性、耐磨性、耐滚动接触疲劳性能，且贝氏体钢轨具有更优的焊接性，非常适合重载铁路道岔及正线铺设。
重载铁路钢轨服役条件恶劣，承受较高的外部作用力。为了满足重载铁路用钢轨高强韧性、高耐磨性和优良的抗疲劳性，贝氏体钢轨需选采用在线控冷工艺来生产，从而保证钢轨晶粒细化、组织均匀，各项力学性能指标明细提升。但贝氏体钢轨在不同的冷速下，贝/马组织转变比例及常规力学性能不同，且在线控冷过程中会产生较高的组织应力，影响钢轨平直度，同时钢轨在矫直过程中还会产生矫直应力，组织应力和矫直应力的叠加，使钢轨产生较高的残余应力，严重影响钢轨使用及服役。所以，合理的在控冷工艺和回火工艺，可有效地提高贝/马复相贝氏体钢轨综合力学性能、耐磨性及抗疲劳性，降低钢轨残余应力，降低贝/马复相组织对夹杂物敏感性，从而有效的提高钢轨服役性能。
贝氏体钢轨的研制和开发,大多采用中、低碳含量设计,辅以适量的Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ni、Ti等元素，在空冷、控冷条件下得到以贝氏体、马氏体为主的金相组织,同时包含残余奥氏体碳化物等的复相钢。贝氏体钢轨组织中应避免出现上贝氏体、马氏体偏析带、不稳定残余奥氏、粗大的碳化物等。1380MPa级别在线控冷贝氏体钢轨理想组织为低碳贝氏体、马氏体复相组织及少量残余奥氏体，通过位错强化、细晶强化、固溶强化、析出强化来提高钢轨综合力学性能。
北京特冶工贸有限责任公司提出了“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN101921971A)，但由于采用风冷以冷速为10～20℃/分钟冷却，获得钢轨的强度低，仅为1200～1300MPa，不能满足日益发展的重载铁路建设。鞍钢股份有限公司提出了“具有优异的抗疲劳性能的贝氏体组织的钢轨及其生产方法”(公开号为CN1978690A)，但是采用“热轧后在空气中自然冷却”，必然会引起季节变化对冷速的影响，造成性能和组织不均匀。钢铁研究总院提出了“一种合金体系及其贝氏体钢轨的热处理方法”(公开号为CN105385938A)，但是由于需要将钢轨再进行重新奥氏体化和正火处理，没有采用余热热处理，不利于节能减排。攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司提出了“一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法”(公开号为CN104087852A)；虽然采用余热热处理工艺，450℃-500℃时采用3℃/S-6℃/S冷速对钢轨的轨头部位进行加速冷却，在此温度区间属于上贝氏体转变区间，造成组织粗化、性能较差，且没有对钢轨不同温度进行温度精准控制，导致性能波动大，没有回火步骤，马氏体比较脆，不利于钢轨的服役性能改善。
钢轨在热处理过程中，由于钢轨截面位置处的热容不同，从而导致钢轨在热处理过程中容易出现组织转变的不均匀、弯曲变形程度过大、残余应力较高、性能差异等突出问题；钢轨在热处理过程中由于热交换梯度的不同，材料的内部组织和结构发生变化，其性能也发生变化，合理的热处理工艺可以使钢轨组织转变均匀、减少弯曲变形量、降低残余应力等。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，可以生产出贝/马复相贝氏体钢轨，结合下贝氏体和马氏体优良的机械性能，从而提高钢轨的常规力学性能、耐磨性、接触疲劳性耐磨性及服役性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，包括：
1)钢轨经CCS高精度轧制后，钢轨轨头以1.5～3.0℃，空冷到710～780℃；
2)使用20-30KPa高压风,将钢轨轨头以3.0～5.0℃的冷速，高压风冷控制冷却到350～420℃；
3)使用10-20MPa弱风压，将钢轨轨头以0～1.0℃的冷速，风冷控制冷却到320～370℃；
4)使用5-20m3/h水雾冷却方式，将钢轨轨头以4.0～6.0℃的冷速，加速控制冷却到120～180℃；钢轨轨腰以3.0～5.0℃的冷速，控制冷却到380～470℃；
5)钢轨轨头以0.5-2℃的速度，空冷返温到280～330℃；钢轨轨腰以0～1.0℃的冷速，空冷到310～360℃；
6)钢轨达到最高返温后，自然空冷至室温；
7)钢轨应采用平立复合矫直机进行矫直，矫直压下量≤18mm，矫直速度≥1.5m/s；
8)将矫直后钢轨及时加热至250℃～330℃，保温10～30h回火处理。
进一步的，所述7)中，对钢轨端头或局部不平直可以用压力机补充矫直。
进一步的，钢轨应采用轻压下矫直，钢轨矫直附加残余应力≤150MPa。
进一步的，钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.30％，Si：0.60～1.40％，Mn：1.60～2.60％，Cr：0.45～1.30％，Ni:0.20～0.70％，Mo:0.20～0.60％，V:0～0.20％,Nb：0～0.06％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，坯料经冶炼、连铸、钢坯缓冷；其中冶炼后的钢坯在600～900℃区间及时进行连铸坯缓冷处理，缓冷时间＞60h，进一步降低钢坯中氢含量。
进一步的，钢坯经过BD1、BD2、CCS往复轧制，轧制压缩比不应小于9：1，保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明得到的在线热处理贝氏体钢轨的抗拉强度在1380～1450MPa之间，屈服强度在1000～1300MPa之间，延伸率在14％～19％之间，冲击韧性在110J～180J之间，踏面硬度在420～460HBW之间，-20℃K1C在100～120MPa.m1/2之间,钢轨耐磨性(失重量)在0.20g/10万次～0.30g/10万次之间。
本发明通过控制钢轨在不同温度阶段的冷却速度，避免上贝氏体、粒状贝氏体这些性能较差的组织，进而形成下贝氏体与低碳马氏体复相组织。控制不同阶段冷却速度和冷却方式使贝/马复相贝氏体钢轨在下贝氏体区间进行充分的组织转变，保证一定的贝氏体组织比例，然后进行低碳马氏体组织转变，从而形成机械性能优良的下贝氏体/马氏体复相组织，且可有效的改善组织偏析(马氏体偏析带)。下贝氏体/马氏体复相组织可以细化原奥氏体晶粒、降低组织片间距、降低残奥数量，从而使钢轨具有高强度、高塑性、高韧性、高抗剥离掉块性、高耐磨性、高滚动接触疲劳性能等特点。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为实施例1-4的显微组织图。
具体实施方式
本发明钢轨以C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo为主要合金元素，添加Nb、V等微合金化元素，钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.30％，Si：0.60～1.40％，Mn：1.60～2.60％，Cr：0.45～1.30％，Ni:0.20～0.70％，Mo:0.20～0.60％，V:0～0.20％,Nb：0～0.06％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe。以上成分坯料经冶炼、连铸、钢坯缓冷。冶炼后的钢坯在600～900℃区间及时进行连铸坯缓冷处理，缓冷时间＞60h，进一步降低钢坯中氢含量。
2)钢坯经过BD1、BD2、CCS往复轧制，轧制压缩比不应小于9：1，保证钢轨原始奥氏体的晶粒度；钢轨在轧制过程中应采用多级高压喷射除鳞，以有效除去氧化皮，防止氧化皮压入导致的表面缺陷及轨腰、轨底探伤异常反射波。
3)钢轨CCS终轧温度控制在920～960℃，控制终轧温度从而保证钢轨的晶粒度。
4)钢轨经CCS高精度轧制后，钢轨轨头以1.5～3.0℃，空冷到710～780℃；
5)使用20-30KPa高压风,将钢轨轨头以3.0～5.0℃的冷速，高压风冷控制冷却到350～420℃；
6)使用10-20MPa弱风压，将钢轨轨头以0～1.0℃的冷速，风冷控制冷却到320～370℃；
7)使用5-20m3/h水雾冷却方式，将钢轨轨头以4.0～6.0℃的冷速，加速控制冷却到120～180℃；钢轨轨腰以3.0～5.0℃的冷速，控制冷却到380～470℃；
8)钢轨轨头以0.5-2℃的速度，空冷返温到280～330℃；钢轨轨腰以0～1.0℃的冷速，空冷到310～360℃。
9)钢轨达到最高返温后，自然空冷至室温。
10)钢轨应采用平立复合矫直机进行矫直，矫直压下量≤18mm，矫直速度≥1.5m/s,只允许矫直一次，对钢轨端头或局部不平直可以用压力机补充矫直，钢轨应采用轻压下矫直，钢轨矫直附加残余应力≤150MPa。
11)将矫直后钢轨及时加热至250℃～330℃，保温10～30h回火处理。
表1各实施例不同热处理工艺对比
Figure BDA0003062204830000061
其中实施1-4对应的钢轨成分相同，在相同的成分下进行热处理工艺对比；钢轨成分均为C：0.15～0.30％，Si：0.60～1.40％，Mn：1.60～2.60％，Cr：0.45～1.30％，Ni:0.20～0.70％，Mo:0.20～0.60％，V:0～0.20％,Nb：0～0.06％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe。
研究表明，贝/马复相贝氏体钢轨中下贝氏体的相变温度在340-370℃之间，钢轨轧后以较快的冷却速度将钢轨控制在下贝氏体相变区间。此时,钢轨表面受到轨头心部和轨腰部位的热量向轨头表层扩散和相变潜热的影响，对轨头表面以一定冷却速度,以抵消传递的热量和相变潜热，保证钢轨0-30mm位置进行长时间、同步的等温转变，从而达到组织细化、均匀的目的。且一定的返温温度和低温回火处理可有利于低碳马氏体的转变和残余奥氏体的稳定。从而有效的提高了钢轨力学性能、机械稳定性及服役性能，实现高强度、高韧塑性及高耐磨性的最佳匹配。
钢轨在控制冷却机组内完成组织相变，从而达到控制贝/马组织比例的目的，还可以有效的保证钢轨平直度，钢轨良好的平直度，可降低钢轨矫直带来的矫直应力，结合低温回火，从而使钢轨残余应力满足≤280MPa的目的。
表2各实施例不同热处理工艺对应力学性能
Figure BDA0003062204830000071
由表2可知，在淬火机组内，控制钢轨在不同阶段进行冷却速度，可以得到不同钢轨力学性能。实施例4工艺可以使钢轨抗拉强度在1380～1450MPa之间，屈服强度在1000～1300MPa之间，延伸率在14％～19％之间，冲击韧性在110J～180J之间，踏面硬度在420～460HBW之间，-20℃K1C在100～120MPa.m1/2之间,钢轨耐磨性(失重量)在0.20g/10万次～0.30g/10万次之间。本发明的热处理工艺，可获得较高的强度、硬度，且韧性、耐磨性也有一定的提高，从而使钢轨达到良好的强韧性、耐磨性，满足重载铁路用高耐磨、高强韧性贝/马复相贝氏体钢轨钢轨研发要求。且本工艺生产的钢轨具有良好平直，从而保证钢轨使用较小的矫直压力即可满足成品钢轨平直度要求，最终使钢轨残余应力残余应力可以达到≤280MPa。
由图1可知，不同的热处理工艺生产贝氏体钢轨组织不同，实施例1-实施例4，均可获得贝/马复相复相组织。但是实施例4的热处理工艺可以得到下贝氏体+回火马氏体组织，该工艺使复相组织晶粒细化、组织更加均匀、组织片间距更加细小，且可有效的改善组织偏析(马氏体偏析带)。均匀细化的贝/马复相复相组织可有效的提高了钢轨力学性能，从而使钢轨具有高强度、高塑性、高韧性、高抗剥离掉块性、高耐磨性及优良的服役性能。
以上所述的实施例例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，其特征在于，包括：
1)钢轨经CCS高精度轧制后，钢轨轨头以1.5～3.0℃，空冷到710～780℃；
2)使用20-30kPa高压风,将钢轨轨头以3.0～5.0℃的冷速，高压风冷控制冷却到350～420℃；
3)使用10-20MPa弱风压，将钢轨轨头以0～1.0℃的冷速，风冷控制冷却到320～370℃；
4)使用5-20m3/h水雾冷却方式，将钢轨轨头以4.0～6.0℃的冷速，加速控制冷却到120～180℃；钢轨轨腰以3.0～5.0℃的冷速，控制冷却到380～470℃；
5)钢轨轨头以0.5-2℃的速度，空冷返温到280～330℃；钢轨轨腰以0～1.0℃的冷速，空冷到310～360℃；
6)钢轨达到最高返温后，自然空冷至室温；
7)钢轨应采用平立复合矫直机进行矫直，矫直压下量≤18mm，矫直速度≥1.5m/s；
8)将矫直后钢轨及时加热至250℃～330℃，保温10～30h回火处理；
钢轨化学成分的重量百分比为C：0.15～0.30％，Si：0.60～1.40％，Mn：1.60～2.60％，Cr：0.45～1.30％，Ni:0.20～0.70％，Mo:0.20～0.60％，V:0～0.20％,Nb：0～0.06％,P≤0.022％，S≤0.015％，Al：≤0.010％，其余为Fe及其不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，其特征在于，所述7)中，对钢轨端头或局部不平直可以用压力机补充矫直。
3.根据权利要求2所述的高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，其特征在于，钢轨应采用轻压下矫直，钢轨矫直附加残余应力≤150MPa。
4.根据权利要求1所述的高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，其特征在于，坯料经冶炼、连铸、钢坯缓冷；其中冶炼后的钢坯在600～900℃区间及时进行连铸坯缓冷处理，缓冷时间＞60h，进一步降低钢坯中氢含量。
5.根据权利要求4所述的高强韧性贝马复相贝氏体钢轨的热处理工艺，其特征在于，钢坯经过BD1、BD2、CCS往复轧制，轧制压缩比不应小于9：1，保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。
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