專利名稱：1500MPa級高強韌性貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法
1500MPa級高強韌性貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法技術領域
本發明總體涉及鋼軌領域，尤其涉及貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法。
技術背景
近年來，隨著列車速度、軸重以及運輸密度的增加，鋼軌傷損日益嚴重，尤其在小半徑曲線或道岔尖軌或翼軌等部件上，鋼軌磨耗、剝離及擦傷十分嚴重。特別地，在小半徑曲線上，有些鋼軌使用不到一年、通過總重不到億噸，就因軌頭側面磨耗超限不得不更換； 在曲線線路中上股鋼軌的軌距角以及下股鋼軌的軌面剝離掉塊也十分嚴重，有的鋼軌上道時間不長，軌面剝離掉塊就達到幾個毫米，甚至還誘發疲勞重傷，造成鋼軌橫向斷裂。此外， 在上坡起動地段以及下坡制動地段，鋼軌擦傷也時有發生，嚴重時造成斷軌，影響鐵路運輸的安全與效率。
為了減少鋼軌的磨耗，現有技術中采用多種手段，通常是合金化或合金化與熱處理相結合的方式，來提高鋼軌的強度和硬度以提高耐磨性能。例如
1)在鋼中增加C、Si成分含量，以及添加V、Cr等合金，軋制后不加其他處理的微合金鋼軌，如U75V型鋼軌等。
2)通過加速冷卻軌頭部位而制造的軌頭硬化熱處理鋼軌，如U75V、U77MnCr、PG4 熱處理鋼軌等(例如參見名為含釩合金鋼軌的熱處理方法的中國專利ZL96117731. 4)。
3)增加鋼中的含C量至過共析成分，采用增加滲碳體密度的方式來增加其耐磨性能，再通過全斷面加速冷卻(即在線熱處理)既細化珠光體組織、提高硬度，又抑制游離滲碳體的析出，以保證有足夠的韌塑性的所謂過共析熱處理鋼軌(例如參見新日本制鐵株式會社的名為“耐磨損性和耐內部傷損性能優良的鋼軌及其制造方法”的專利ZL96190344. 9 ； 以及名為“耐磨性和延性優良的珠光體鋼軌及其制造方法”的專利申請03800576. X等)。
然而，上述鋼軌的特征在于，其含C量均超過0. 70%以上，且組織結構均為珠光體。對于珠光體鋼軌，采用合金化與熱處理相結合的方式使強度達到1300MI^級已基本接近極限，若再提高強度，就難以避免會出現在這種高碳含量情形下不允許存在的高碳脆性 (片狀或孿晶)馬氏體組織。另外，鋼中C含量越高，添加的合金越多，淬透性越強，鋼軌使用中抵抗機車車輪擦傷的能力也越差。
發明人發現，在輪軌接觸應力的反復作用下，通常在輪軌接觸區域材料發生塑性變形以及變形累積、隨后硬化、塑性耗竭而產生剝離裂紋，裂紋擴展導致掉塊；由此提高材料的塑性指標顯然對提高抗剝離掉塊的能力有利。
對于鋼軌軌面剝離掉塊傷損，用大型打磨列車定期打磨鋼軌是一種解決方法。但其不僅打磨費用昂貴，且在列車運行期間往往沒有充分的打磨時間。
針對上述珠光體鋼軌存在的問題以及其它問題，貝氏體類鋼軌應運而生。
例如，鞍鋼新軋鋼股份有限公司在其名為“抗磨損、高強韌性準貝氏體鋼軌及其制造方法”的發明專利ZL02158853. 8中公開了一種準貝氏體鋼軌，其是通過提供合金化的鋼并使熱軋后的鋼軌先空冷至400°C再以0. OrC /s-0. 002°C /s的低冷卻速度緩慢冷卻至200°C，然后再空冷獲得準貝氏體鋼軌，其鋼軌組織基本為無碳化物貝氏體。
北京特冶工貿有限責任公司在其名為“曲線和重載鋼軌用貝氏體鋼和貝氏體鋼軌及其生產方法”的專利申請20101027M70. 0中公開了一種貝氏體鋼及用該鋼制成的鋼軌，該鋼軌通過合金化和隨后的整體熱處理以及在10-20°C /s的冷卻速度的加速冷卻到 350-300°C并最后進行時效處理。
上述貝氏體鋼軌，其抗拉強度等級大體為1200或1300MI^級，軌頂面硬度為370 或380HB級別，雖然其韌塑性優于珠光體型鋼軌，但耐磨性能不及相同強度等級的珠光體型鋼軌。而且，上述專利或專利申請要求對鋼軌的全斷面進行熱處理(或冷卻)，并希望在鋼軌的全斷面中形成一致的硬度(例如見ZL02158853.8中發明內容最后一段)。而在鋼軌中通常希望提供足夠高的鋼軌軌頭表面硬度；以及在鋼軌的其它部分提供合適的硬度以適合鋼軌矯直和在鋪設中的鉆孔作業。由此，上述對比文件的鋼軌很難實現這效果。發明內容
因此，本發明針對上述問題，提供一種具有1500MI^級的高強韌性貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法。該貝氏體/馬氏體鋼軌在含C量顯著低于上述珠光體鋼軌的情形下， 精心控制其元素含量(即合金化)以及其處理工藝使得軌頭的組織成分為C含量相對低的貝氏體以及板條狀馬氏體而具有優異的抗磨損、耐剝離、抗擦傷性能。
在本發明的一個方案中，提供了一種貝氏體/馬氏體鋼軌，該鋼軌包括軌頭、軌腰和軌底且由按％ (重量)計含有 C :0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%, Mn 1. 20-2. 40%, Cr 0. 50-1.20%, Mo :0. 20-0. 60 %，且根據需要可含有選自下組的一種或多種元素Ni 0. 10-2. 00%, Cu 0. 05-0. 50%、V :0. 03-0. 15%, RE :0. 01-0. 05%，以及余量為鐵和不可避免的雜質的鋼熱軋形成。而且，該軌頭在熱軋后保留高溫或被重新加熱至高溫的情況下，從奧氏體區域溫度以大于l°c /s且小于等于5°C /s (優選大于1°C /s且小于等于3°C /s)的冷卻速度加速冷卻至小于300°C但大于200°C的加速冷卻停止溫度。
根據本發明的另一個方案，相應地提供了一種貝氏體/馬氏體鋼軌的制造方法， 其包括提供按 ％ (重量)計含有 C 0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%, Mn 1. 20-2. 40%, Cr 0. 50-1.20%, Mo :0. 20-0. 60 %，且根據需要可含有選自下組的一種或多種元素Ni 0. 10-2. 00%, Cu 0. 05-0. 50%、V :0. 03-0. 15%, RE :0. 01-0. 05%，以及余量為鐵和不可避免的雜質的鋼；將該鋼熱軋形成具有軌頭、軌腰和軌底的鋼軌；將熱軋后保留高溫或被重新加熱至高溫的鋼軌的軌頭以大于l°c /s且小于等于5°C /s (優選大于1°C /s且小于等于 30C /s)的冷卻速度，以使其從奧氏體區域溫度加速冷卻至小于300°C但大于200°C的加速冷卻停止溫度以完成組織轉變，從而在該軌頭中形成貝氏體及馬氏體組織。進一步地，軌頭在加速冷卻后可以自然冷卻或者噴霧冷卻至常溫。
而對于未經加速冷卻的其它部位，例如軌腰和軌底，可以空冷(自然冷卻)至常溫 (或者說環境溫度)；或者也可以采用其它合適的冷卻手段。
而根據本發明的優選實施例，還可以在軌頭(以及其它部分)冷卻后再進行進一步的熱處理。比如，對于具有利用軋制余熱并加速冷卻的軌頭以及其余部位空冷的鋼軌，可以在鋼軌冷卻至常溫之后，再重新加熱(回火)至200°C-40(TC，保溫4-10小時，然后自然冷卻至常溫附近(或環境溫度)。4
根據本發明另外的優選實施例，還可以在軌頭加速冷卻之前進行所需要的熱處理。比如，對于軌頭被重新加熱至高溫且隨后被加速冷卻的鋼軌，在軌頭加速冷卻之前(例如在重新加熱軌頭的時候)，可以將該鋼軌的軌腰和軌底以;TC /S-IO0C /S的加熱速度加熱至400-650°C且不保溫，這實現了軌腰和軌底的高溫短時回火的效果。
在根據本發明的鋼軌由所述成分構成的鋼熱軋而成之前，還可以例如通過轉爐冶煉、爐外精煉、真空脫氣，經過大方坯連鑄制成適用于熱軋的鋼坯，但是也可以用其它合適的手段，這在本領域中是已知的在此不作詳述。
根據本發明的上述鋼軌以及根據上述方法制得的鋼軌的軌頭部位(例如在由表及里的20mm范圍內)不僅具有高的強度(例如抗拉強度彡1500MPa)，合適的高硬度(例如軌頂面硬度為420-480HB)，還具有優良的塑性(例如，伸長率A > 12%，斷面收縮率 Z ^ 40%),以及高韌性(例如沖擊功Ak彡40J)。此外，通過本發明的優選技術手段控制加熱和冷卻處理使軌腰、軌底等部位的強度等級既不小于980MPa，又不大于1400MPa級，便于鋼軌矯直以及鋪設使用中鉆孔等作業。
下面本發明人將結合本發明的上述的技術方案描述本發明的技術效果和優點。但本領域技術人員將明白，下面的描述是解釋性的，而非要求本發明的技術方案必須所描述的所有的技術特征和/或效果，而且本發明不排除實現下文描述之外的其它技術效果或進止少ο
針對本發明的鋼軌元素及其含量的說明
C是鋼中的基本元素。如C含量低于0. 10%，則難以保證鋼軌的硬度；而當C含量超過0.40%時，可能會在組織中形成脆性較大的孿晶馬氏體，對鋼軌的韌性不利。因此，C 含量應控制在0. 15-040%。
Si既是固溶強化元素，在本發明中更是抑制貝氏體轉變時碳化物析出的元素。在連續冷卻轉變中使貝氏體中的碳化物以富碳殘奧的方式存在，提高空冷貝氏體鋼的韌性。 當含Si量低于0. 80%，抑制碳化物析出的效果不夠；高于2. 00%時，使鋼的韌性變差，故 Si含量限定在0. 80 2. 00%之間。
Mn可明顯推遲珠光體轉變，同時可提高鋼的強度和硬度。當含量小于1. 20%時， 效果不夠；而超過2. 40%時，在偏析處容易形成孿晶馬氏體組織，惡化鋼的韌性。因此，限定Mn在1. 20 2. 40%范圍內。
Cr的作用與Mn類似，具有明顯推遲珠光體轉變的作用，同時可使鋼的強度和硬度提高。當Cr含量低于0. 50%時，則上述作用不夠；大于1. 20%時，會使鋼的強度和硬度過高，不利于鋼軌的矯直以及后續加工，因此，限定Cr在0. 50-1. 20%范圍內。
Mo可強烈推遲珠光體轉變，使貝氏體轉變提前，是貝氏體鋼的重要元素，可使連續冷卻后的鋼軌形成空冷貝氏體組織。當Mo含量在0. 30-0. 50%范圍內，上述作用就十分明顯。Mo是貴重合金，為了既發揮作用又節約成本，故限定Mo在0.20-0. 60%、且優選在 0. 30-0. 50%范圍內。
添加M可明顯提高軌鋼的韌性，并具有穩定貝氏體鋼中殘奧的作用。但當其含量不到0. 10%時，效果不明顯；超過2. 00%時，也難以再增強其效果。故限定Ni在 0. 10-2. 00%范圍內。
Cu是一種不損害鋼的韌性，并能提高其強度同時增加耐蝕性能的元素。在0. 05-0. 50 %范圍內效果最佳，而當含量超過0. 50 %，則易產生熱脆性，故限定Cu在 0. 05-0. 50%范圍內。
V由于V(C，N)的析出可強化貝氏體組織，尤其當采用850-950°C加熱，對鋼軌焊接接頭進行焊后熱處理時，可細化焊接接頭組織提高其性能，但其含量在0. 03 %以下時效果不理想；含量在0. 15%以上時，會使V (C，N)粗大而脆化，故限定在0. 03 0. 15%范圍內。
經過RE處理的鋼，可使夾雜物變性，增加鋼的韌性。RE加入量一般控制在0. 020% 左右，太少效果差，太多反而會形成稀土夾雜物惡化鋼的韌性。
對軌頭的加速冷卻的說明
在本發明中很重要的一點是精心地控制軌頭的加速冷卻。例如，在上述規定的成分中，尤其是在相對低碳含量的情況下(例如碳在大約0. 10%-大約0. 40%的范圍內)，當以不到1°C /s的速度冷卻時，在高溫區域即開始貝氏體轉變，形成的貝氏體組織較為粗大， 強韌性不足；當以5°C /s以上的冷速冷卻時，鋼軌的某些不希望的部位硬度過高，不利于矯直和后續加工。因此，希望將加速軌頭冷卻的冷卻速度限定在大于1°C /s且小于等于5°C / s，且優選在大于1°C /s且小于等于3°C /s范圍內。而同時，還希望在上述規定的冷卻速度下將加速冷卻的停止溫度限制在小于300°C且大于200°C的范圍內，這樣可有意地獲得細小貝氏體與板條狀馬氏體的組織，具有優良的強韌性。
此外，本發明的加速冷卻可以使用壓縮空氣作為冷卻介質，壓縮空氣例如由配置于鋼軌軌頭的頂側及兩側噴嘴噴出。而對于上文所述的噴霧冷卻，例如通過配置在軌頭頂面的噴霧器噴出水汽混合物即霧進行冷卻。
此外，在本發明所述的“熱軋后保留高溫或被重新加熱至高溫”中的“高溫”指得是奧氏體區域溫度或者說奧氏體化的溫度范圍，這是本領域技術人員已知的。而上文所指的組織轉變至少包括軌頭的至少一部分優選全部的奧氏體轉變為貝氏體/馬氏體組織，優選軌腰和軌底的奧氏體轉變為貝氏體。
對優選方案中重新加熱回火的說明
如上所述，在本發明中，對于具有軋制余熱的軌頭進行加速冷卻的情形下，鋼軌的其他部位(例如軌腰和軌底)通常可以連續地自然冷卻到常溫。在這種情況下，由于軌腰、 軌底部位未加速冷卻，因此它們往往會在較高溫度下(比本發明的加速冷卻停止溫度高) 發生貝氏體轉變，故其中存在較多的不夠穩定的殘余奧氏體甚至片狀或孿晶馬氏體組織， 為改善和穩定性能，本發明對鋼軌全斷面重新加熱至200 400°C，保溫4 10小時地進行回火處理。
而對于軌頭重新加熱以奧氏體化且隨后再加速冷卻的鋼軌，本發明教導了在加速冷卻之前，最好是在軌頭重新加熱的同時，對除軌頭外的其它部位，例如軌底、軌腰部位以 3-10°C /s的加熱速度加熱至400 600°C。這實現了高溫短時回火的作用，這既可以如上述那樣地改善和穩定性能，同時還可以簡化了熱處理工藝。例如，通過這樣處理，在軌頭加速冷卻且鋼軌整體空冷后不用再次回火。但當然也可以在空冷后對這樣的鋼軌，再全斷面加熱至200-400°C，保溫4-10小時地進行回火處理，以進一步改善性能。
通過本發明提供的上述的具有1500MPa級高強韌性的貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法，其軌頭通過具有細小的貝氏體和板條狀的馬氏體適合于重載鐵路尤其是小半徑曲線所用鋼軌或者是道岔用軌的要求；特別是針對發生在曲線上股鋼軌或道岔用尖軌或翼軌軌頭側面磨耗，軌頭頂面或軌距角部位剝離掉塊以及軌頂面因機車打滑而造成的擦傷具有很強的抵抗力。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中
圖1顯示了用于實施例的TB 60kg/m型式鋼軌的橫斷面；
圖2顯示了圖1所示鋼軌的橫斷面的拉伸試樣取樣圖3顯示了圖1所示鋼軌的橫斷面的沖擊試樣取樣圖4是根據本發明的實施例1的軌頭橫斷面硬度示意圖5示出了根據本發明的實施例1的軌頭部位的金相組織；
圖6是根據本發明的實施例2的軌頭橫斷面硬度示意圖7示出了根據本發明的實施例2的軌頭部位的金相組織；
圖8是根據本發明的實施例3的軌頭橫斷面硬度示意圖9示出了根據本發明的實施例3的軌頭部位的金相組織；
圖10是根據本發明的實施例2的鋼軌全橫斷面硬度示意圖。
具體實施方式
圖1顯示了用于本發明的實施例的TB(鐵路行業標準)60kg/m型式鋼軌的橫斷面，該鋼軌的型式尺寸是已知的，其具有限定出與車輪接觸的軌頂面的軌頭100、軌腰200、 和軌底300。且在附圖2-3中為了顯示鋼軌橫斷面的拉伸和沖擊的取樣，在軌頭、軌腰和軌底中分別表示出的多個尺寸參數，而對于其余未標注的參數將參照上述標準中的規定。此外，在此盡管以TB 60kg/m型式鋼軌來對比本發明實施例的鋼軌與比較鋼軌之間，但是可想到本發明的鋼軌及其制造方法適合多種其它型式的鋼軌。
在本發明中描述了多種硬度等級，例如布氏硬度(HB)以及洛氏硬度(HRC)，它們之間能按照已知的換算公式進行換算。而且，在鋼軌領域中，軌頂面硬度一般以HB表示，橫斷面硬度一般以HRC表示，本發明總體上也遵循這樣表示方法。
下文通過本發明多個實施例與現有的比較例鋼軌之間的比較顯示本發明的優點和改進。
實施例1
下文表1-1為本發明鋼軌的實施例1與比較鋼軌的化學成分和相應的工藝條件 (冷卻和熱處理條件)，其中化學成分指的是其中鋼的各元素成分及含量，余量為狗和不可避免的雜質。實施例1中的回火加熱溫度和回火加熱時間是指加熱冷卻后軌頭斷面整體的回火溫度和保溫時間。
表1-1實施例1的鋼軌與比較例的鋼軌的化學成分和工藝條件
權利要求
1.一種貝氏體/馬氏體鋼軌，其特征是，該鋼軌由按％ (重量)計含有C :0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%, Mn 1. 20-2. 40%, Cr 0. 50-1. 20%, Mo 0. 20-0. 60%，余量為鐵和不可避免的雜質的鋼熱軋形成；該鋼軌包括從奧氏體區域溫度以大于1°C /s且小于等于5°C /s的冷卻速度加速冷卻至小于300°C但大于200°C的加速冷卻停止溫度的軌頭，且該鋼軌還包括軌腰和軌底。
2.根據權利要求1所述的鋼軌，其特征是，所述鋼按％(重量)計含有C :0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%，Mn :1. 20-2. 40%, Cr :0. 50-1. 20%, Mo :0. 20-0. 60%，以及選自下組的一種或多種元素:Ni :0. 10-2. 00%,Cu :0. 05-0. 50%,V :0. 03-0. 15%,RE :0. 01-0. 05%，余量為鐵和不可避免的雜質。
3.根據權利要求1或2所述的鋼軌，其特征是，所述鋼軌的軌頭中形成馬氏體及貝氏體組織和/或所述軌腰和軌底中形成貝氏體組織。
4.根據權利要求1或2所述的鋼軌，其特征是，所述鋼軌的軌頭在由表及里的20mm范圍內，具有大于等于1500MPa的抗拉強度、大于12%的伸長率、大于40%的斷面收縮率和大于40J的沖擊功，且鋼軌的其他部位具有980MPa-1300MPa的抗拉強度，所述軌頭具有硬度為420-480HB的軌頂面。
5.一種貝氏體/馬氏體鋼軌的制造方法，其特征是，包括提供按 ％ (重量)計含有 C 0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%, Mn 1. 20-2. 40%, Cr 0. 50-1. 20%, Mo 0. 20-0. 60%，余量為鐵和不可避免的雜質的鋼；將該鋼熱軋形成具有軌頭、軌腰和軌底的鋼軌；將熱軋后保留高溫或被重新加熱至高溫的鋼軌的軌頭以大于l°c /S且小于等于5°C / s的冷卻速度，以使其從奧氏體區域溫度加速冷卻至小于300°C但大于200°C的加速冷卻停止溫度以在該軌頭中形成貝氏體及馬氏體組織。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征是，還包括如下步驟對于熱軋后保留高溫且軌頭以大于1°C /s且小于等于5°C /s的冷卻速度加速冷卻的鋼軌，再重新加熱至200°C -400°C，保溫4 10小時，然后自然冷卻至常溫。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征是，還包括如下步驟對于軌頭被重新加熱至高溫的鋼軌，在軌頭加速冷卻之前，將該鋼軌的軌腰和軌底以 30C /s-10oC /s的加熱速度加熱至400-650°C且不保溫。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特征是，還包括在軌頭加速冷卻后，使軌頭自然冷卻或者噴霧冷卻至常溫的步驟。
9.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特征是，所述冷卻速度大于1°C/s且小于等于3°C /s。
10.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特征是，所述鋼按％(重量)計含有 C 0. 10-0. 40%, Si 0. 80-2. 00%，Mn :1. 20-2. 40%, Cr :0. 50-1. 20 %, Mo :0. 20-0. 60%, 以及選自下組的一種或多種元素:Ni :0. 10-2. 00%,Cu :0. 05-0. 50%,V :0. 03-0. 15%,RE 0. 01-0. 05%，余量為鐵和不可避免的雜質。
全文摘要
本發明提供一種貝氏體/馬氏體鋼軌及其制造方法，該鋼軌由按％(重量)計含有C0.10-0.40％，Si0.80-2.00％，Mn1.20-2.40％，Cr0.50-1.20％，Mo0.20-0.60％，余量為鐵和不可避免的雜質的鋼熱軋形成；該鋼軌包括從奧氏體區域溫度以大于1℃/s且小于等于5℃/s的冷卻速度加速冷卻至小于300℃但大于200℃的加速冷卻停止溫度的軌頭且還包括軌腰和軌底。
文檔編號C22C38/46GK102534387SQ20111041105
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者俞喆, 劉豐收, 周清躍, 張銀花, 李闖, 梁旭, 陳朝陽 申請人:中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所