阅读说明：本技术 一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法 (Online heat treatment steel rail for high-speed railway and manufacturing method thereof ) 是由 金纪勇 陈昕 刘宏 王冬 刘祥 张锐 陈克东 丁宁 徐曦 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法,该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.68％～0.78％,Si：0.30％～0.58％,Mn：0.50％～0.80％,P：≤0.025％,S：≤0.015％,Cr：0.10％～0.40％,V：0.02％～0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法,包括冶炼—连铸—再加热—钢轨轧制—在线热处理—矫直；在线热处理：空冷至钢轨轨头表面温度700-750℃,之后分两个阶段进行冷却。采用本发明技术方案生产的钢轨抗拉强度≥1080MPa,延伸率≥11％,硬度≥330HB。(The invention provides an on-line heat treatment steel rail for a high-speed railway and a manufacturing method thereof, wherein the steel rail comprises the following components in percentage by weight: c: 0.68-0.78%, Si: 0.30-0.58%, Mn: 0.50% -0.80%, P: less than or equal to 0.025 percent, S: less than or equal to 0.015 percent, Cr: 0.10% -0.40%, V: 0.02-0.05%, and the balance of Fe and inevitable impurities. The production method comprises smelting, continuous casting, reheating, rolling the steel rail, online heat treatment and straightening; online heat treatment: air cooling to the surface temperature of the rail head of the steel rail of 700-750 ℃, and then cooling in two stages. The tensile strength of the steel rail produced by the technical scheme of the invention is more than or equal to 1080MPa, the elongation is more than or equal to 11 percent, and the hardness is more than or equal to 330 HB.)

一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法。

背景技术

高速铁路用钢轨采用《高速铁路用钢轨》(TB/T 3276)中的U71Mn 材质的钢轨，高速铁路轴重及运量远低于货运或重载线路，我国经过多年来的运营情况表明了U71Mn材质热轧钢轨适于高速、轻载的高速铁路直线段，曲线段钢轨受力相对增加，磨损加剧，因此选用 U71Mn在线热处理钢轨，U71Mn热轧及在线热处理钢轨强度适中、韧性好的特点满足我国高铁运营要求的同时，也对安全行车提供了有力保障。钢轨无缝连接方式已成为主流，尤其高速铁路均采用无缝线路，因此钢轨焊接质量直接影响了使用效果，钢轨使用周期内的伤损主要以焊缝处的缺陷为主。U71Mn钢轨以Mn元素为主要强化方式为主，Mn在钢中的局部偏析无法避免，在生产热处理钢轨或焊接正火快速冷却过程中Mn偏析位置易在过冷度较大的情况生产马氏体组织，马氏体在珠光体钢轨中是不允许存在的，因此为了避免马氏体组织产生必须制定适当的热处理工艺，但过低的冷却速度无法保证在线热处理或焊缝性能符合标准要求，因此U71Mn在线热处理钢轨生产和焊后热处理相对于现有的U75V材质钢轨难度大，工艺控制窗口窄，容易出现性能不合或异常组织问题。珠光体在线热处理钢轨主要以C、Si、Mn、Cr、V等元素来实现强度及硬度的提高，例如：

1)在钢中增加C、Si成分含量，以及添加V、Cr的微合金钢轨，通过加速冷却轨头部位而制造的轨头硬化热处理钢轨，如U75VH，U77MnCrH、U78CrVH钢轨等(如中国专利ZL96117731.4 提供的“含钒合金钢轨的热处理方法”)。

2)进一步提高钢中碳含量，采用增加渗碳体密度的方式来增加钢轨高强耐磨性，并通过在线热处理细化晶粒得到过共析热处理钢轨 (如新日本制铁株式会社的专利“耐磨损性和耐内部伤损性能优良的钢轨及其制造方法”(ZL96190344.9)和“耐磨性和延性优良的珠光体钢轨及其制造方法”(03800576.X)以及中国专利“一种过共析钢轨的热处理方法”(201410058292.4)、“一种过共析钢轨及其制备方法” (201510487942.1)和“具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢”(200980105903.3)等)。

3)中国专利申请号为201480018025.2公开了公开了“珠光体钢轨及珠光体钢轨的制造方法”，该方法中的成分采用了较高C、Si、 Mn、Cr元素，通过加速冷却获得强度达1300MPa以上、硬度400HB 以上珠光体钢轨钢，该钢轨比较适合重载铁路应用。

上述钢轨的特征为均采用Cr或V等强化元素通过在线热处理获得强度在1180-1300MPa的高强度钢轨，除了C、Si、Mn等元素外，添加的Cr、V等元素改善了钢轨的热处理工艺适应性，使生产及焊后热处理时产生异常组织的倾向变小，但强度和硬度提高也带来韧性降低的问题，因此对于轻载、高速的高铁用轨来说，显然是不适用的。通过对高速铁路在线热处理钢轨性能要求，以及分析现有U71Mn钢轨在线热处理及焊后热处理存在的问题，结合各元素强化作用，确定通过降低Mn元素、添加Cr、V元素成分方案，配合热处理工艺获得与U71Mn在线热处理钢轨性能相当、工艺适应性更好的高速铁路用在线热处理钢轨。本发明基于解决高速铁路用在线热处理生产及焊接困难问题，应用于今后高铁建设和维修换轨，市场前景广阔。

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满足高速铁路曲线段对强韧性良好匹配的要求，在降低易发生偏析的Mn元素的基础上，适当添加Cr和V，来弥补减少Mn元素带来的强度及硬度的降低，并兼顾易于在线热处理生产及焊后热处理的高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法。

本发明目的是这样实现的：

一种高速铁路用在线热处理钢轨，该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.68％～0.78％，Si：0.30％～0.58％，Mn：0.50％～0.80％， P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.40％，V：0.02％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明成分设计理由如下：

C是促进珠光体相变元素。在珠光体系钢轨中所含的C量低于 0.68％时，很难获得较高的强度及硬度的珠光体组织，造成钢轨磨损加剧，影响使用寿命，过高的C含量则容易相变过程中产生先析渗碳体，在使用中作为疲劳源发生疲劳伤损问题，同时随着C含量增加钢的韧塑性降低，因此综合考虑强韧性匹配，本发明的钢轨中的C 添加量限定在0.68～0.78％。

Si是在铁素体相起到固溶强化作用，使珠光体组织的硬度(强度) 上升，提高钢轨的耐磨性能，同时在冶炼过程中元素起到脱氧作用， Si含量过高使钢轨韧性降低，焊接性能变差，Si添加量限定在0.30～ 0.60％。

Mn是性价比最高的相变型强化元素，同时还置换并固溶于铁素体起强化作用，也是良好的淬透性元素，一般情况Mn含量的偏析可达到平均Mn含量的2倍，因此在加速冷却过程中，Mn的加入量较高时偏析位置极易生产马氏体组织。因此本发明中将Mn成分定为0.50％～0.80％。

Cr是显著提高钢的淬透性元素，通过降低钢的临界冷却速度，提高钢轨的强度、硬度和耐磨性，当Cr含量低于0.10％时，形成的碳化物硬度及比例较低，提高钢轨的耐磨损性能有限；当铬含量高于 0.40％，易形成粗大的碳化物，降低钢轨的韧塑性。因此，本发明Cr含量限定在0.10％～0.40％。

V可细化铁素体晶粒尺寸，提高珠光体组织的强度及硬度耐磨性。在热轧过程中如存在于奥氏体晶界或其它区域，以细化颗粒状的钒碳氮化物形式析出，抑制奥氏体晶粒的生长，从而达到细化晶粒提高性能的目的。当V含量过高，一方面增加生产成本，另一个方面易形成粗大的碳氮化物，降低钢轨的韧塑性。考虑到本发明所要获得的性能目标，V的添加量为0.02-0.05％。

本发明技术方案之二是提供一种高速铁路用在线热处理钢轨的制造方法，包括：冶炼—连铸—再加热—钢轨轧制—矫直；

(1)连铸坯均热温度为1250-1300℃，保温时间为1-1.5小时，此温度有利于连铸坯成分均匀化，过高温度可能造成连铸坯过热或在炉膛内发生弯曲，过低温度使连铸坯在后期轧制时钢轨温度降低，变形抗力增加，轧制规格难于控制。

(2)连铸坯开坯轧制采用孔型粗轧机，开轧温度为1150-1200℃，钢轨轧制采用万能轧机，轧温度为1000-1050℃，终轧温度 950-1000℃，空冷至钢轨轨头表面温度为700-750℃，分两个阶段采用压缩空气进行冷却，第一阶段：以平均冷却速度为3.0-5.0℃/s冷却至轨头表面温度为500-550℃，第二阶段：以平均冷却速度为2.0-4.0℃ /s冷却至轨头表面温度为470-510℃，然后空冷至室温进行矫直加工，按上述冷却方式可保证钢轨在线热处理初期钢轨表层在较大冷速情况下强度及硬度提升，在后续冷却轨头心部冷却时适当降低冷却速度避免轨头内局部偏析位置冷速过大产生异常组织。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的成分考虑了Mn元素偏析问题，降低Mn含量的同时，以Cr、V元素提高珠光体组织的强度及硬度，使钢轨的强韧性达到现有U71Mn在线热处理钢轨水平，并具有良好的在线热处理和焊后热处理的工艺适应性。

(2)本发明经过各元素成分的合理优化，保证了冶炼时成分比较容易稳定控制，对获得的试验钢轨进行了力学性能测试表明：在本发明的技术方案范围内抗拉强度(Rm)≥1080MPa，，延伸率(A)≥11％，硬度≥330HB。不同冷速的情况下显微组织均为珠光体+少量铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织，组织及性能满足标准要求，热处理工艺控制窗口。对比例为原U71Mn在线热处理钢轨，热处理工艺参数设计钢轨性能需略高的平均冷却速度才能满足标准要求，易产生异常组织。

附图说明

图1为本发明实施例3的显微组织金相图。

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、轧制、连续退火、平整。本发明实施例钢轨的成分见表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成分(wt％)

表2本发明实施例钢轨的主要工艺参数

表3本发明实施例钢轨的性能

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。