阅读说明：本技术 一种珠光体钢轨钢及其制备方法 (Pearlite rail steel and preparation method thereof ) 是由 王东梅 陈林 包喜荣 周庆飞 郭瑞华 牛建宇 王慧军 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钢轨钢的处理技术领域,尤其涉及一种珠光体钢轨钢及其制备方法。本发明提供的制备方法,包括以下步骤：将具有与珠光体钢轨钢组分相同的钢锭依次进行轧制和控冷,得到珠光体钢轨钢；所述控冷包括第一阶段冷却、第一阶段空冷、第二阶段冷却和第二阶段空冷。本发明提供的方法在添加较少合金元素的前提下,利用较简单的制备方法即可得到平均片层间距在60nm以下的珠光体组织,极大地提高了珠光体钢轨钢的抗疲劳裂纹扩展性能。(The invention relates to the technical field of rail steel treatment, in particular to pearlitic rail steel and a preparation method thereof. The preparation method provided by the invention comprises the following steps: rolling and cooling-controlling steel ingots with the same components as the pearlite rail steel in sequence to obtain the pearlite rail steel; and the controlled cooling comprises first-stage cooling, first-stage air cooling, second-stage cooling and second-stage air cooling. According to the method provided by the invention, on the premise of adding less alloy elements, the pearlite structure with the average lamellar spacing below 60nm can be obtained by a simpler preparation method, and the fatigue crack propagation resistance of the pearlite rail steel is greatly improved.)

一种珠光体钢轨钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢轨钢的处理技术领域，尤其涉及一种珠光体钢轨钢及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的不断增长，人们对铁路运输提出了更高的要求，铁路运输向着高速化和重载化的方向不断的发展。而钢轨作为铁路运输的重要组成部分，其性能高低直接关系着铁路运输的效率。因此，钢轨不仅要求具有能够支撑车辆运行的刚度和强度，而且还要求轨头具有良好的耐磨性和抗表面损伤性。随着我国铁路几次的大提速以及高速铁路大规模建设的进行，使得我国钢轨损伤形式从以磨损为主转变为以疲劳裂纹扩展为主。这主要是由于高速列车在钢轨曲率半径较大的线路通过时受离心力的影响造成接触应力增大，从而导致接触疲劳裂纹的形成和扩展。而细化珠光体片层间距是提高钢轨疲劳裂纹扩展抗力的有效手段(EngineeringFractureMechanics,2015,138:63-72.)。

近年来，为了细化珠光体片层间距，研究人员对钢轨的合金成分设计和生产工艺进行了大量的研究。如申请号为201410382419.8的中国专利公开了一种钒铬微合金化超细珠光体钢轨，该钢轨组成成分为按重量百分比计，C：0.78～0.86％，Si：0.15～0.7％，Mn：0.40～1.20％，Cr：0.30～0.80％，V：0.04～0.12％，S≤0.01％。制备方法主要是：对终轧后带有余热的钢轨的轨头部位施加水雾混合气进行加速冷却，冷速为4.0～8.0℃/s，当轨头表层温度降至500～550℃时停止施加水雾混合气，并施加压缩空气进行加速冷却，冷速为1.5～3.5℃/s，当轨头表层温度低于400℃时停止加速冷却，空冷至室温。该钢轨为完全的珠光体组织，片层间距在70～100nm之间。申请号为201410285670.2的中国专利公开了一种纳米珠光体钢轨的制备方法，该钢轨化学成分(wt％)为：C：0.83～0.93，Mn：0.05～0.10，Cr：1.0～1.5，Al：(8～12)Mn，Si：1.5Al，Co：0.1～0.3，Zr：0.35～0.55，Mg：0.02～0.06，Cu：0.01～0.05，P：＜0.025，S：＜0.025，余量为Fe及其它不可避免杂质元素。制备方法主要是：开始轧制温度不高于1150℃，轧制变形速率为5～8s^-1，单道次变形量为30～50％，总压缩比应大于10，终轧温度不低于950℃；轧后空冷至轨头温度为850℃保温20～30min，接着以30～50℃/min的冷速冷至轨头温度不高于550℃保温30～40min，之后空冷至350℃保温60～90min，最后空冷至室温；再加热到250～300℃，保温6～90min进行去应力回火处理。得到的内部组织为100％的珠光体，且珠光体平均片厚度间距为60nm左右的钢轨。申请号为201510628532.4的中国专利公开了一种超级珠光体钢轨钢及其制备方法，其化学成分按重量百分比(wt％)包括：C：0.75～0.78，V：0.05～0.09，锰、硅、铬的含量要满足以下三个不等式：1Mn+2Si+2Cr＜4，1Mn+1Si+2Cr＜3，1Mn+1Si+3Cr＞3。1Mn+2Si+2Cr＜4是保证钢的碳当量较低，并低于0.85wt％的要求；1Mn+1Si+2Cr＜3是保证钢的珠光体转变速度较快、并在500～600℃温度区间10min之内转变完成的要求；1Mn+1Si+3Cr＞3是保证钢中珠光体片间距较小、并平均片间距小于120nm的要求；所述微合金元素为Al、N、Re元素，且0.1wt％＜Al+N+Re＜0.3wt％，余量为铁。制备方法主要是将上述成分的钢锭采用控轧控冷技术制造，开始轧制温度1180～1220℃，轧制变形比为8；然后以250～300℃/min的速度冷却到1100℃，轧制变形量50～65％；再以150～200℃/min的速度冷却到1000℃，轧制变形量50～70％；在1000℃～950℃温度区间内冷速120～135℃/min，在950～600℃温度区间冷速为60～80℃/min，在600～500℃温度区间冷速5～10℃/min，500℃以下空冷至室温。

以上有关珠光体钢轨钢的专利中，或者通过添加大量的合金元素以及比较复杂的生产工艺获得平均片层间距小于60nm的纳米级珠光体组织，或者虽然合金元素添加较少但得到的珠光体组织的平均片层间距大于70nm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种珠光体钢轨钢及其制备方法，本发明提供的方法在添加较少合金元素的前提下，利用较简单的制备方法即可得到平均片层间距在60nm以下的珠光体组织，极大地提高了珠光体钢轨钢的抗疲劳裂纹扩展性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种珠光体钢轨钢的制备方法，包括以下步骤：

所述珠光体钢轨钢，按照质量百分比计，包括以下元素组分：

C0.82～0.84％，Si0.6～0.8％，Mn0.95～1.05％，Cr+Nb≤1.2％，RE≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.015％，余量为铁以及不可避免的杂质；

将具有与所述珠光体钢轨钢组分相同的钢锭依次进行轧制和控冷，得到珠光体钢轨钢；

所述控冷包括第一阶段冷却、第一阶段空冷、第二阶段冷却和第二阶段空冷。

优选的，所述轧制的终轧温度为890～930℃。

优选的，所述第一阶段冷却为将轧制后的钢锭以7～8℃/s的冷却速率冷却至560～580℃。

优选的，所述第一阶段空冷为以560～580℃为起始温度，空冷≤30s。

优选的，所述第二阶段冷却为将第一阶段空冷后的钢锭以7～8℃/s的冷却速率冷却至300～350℃。

优选的，所述第二阶段空冷为以300～350℃为起始温度，空冷至室温。

本发明还提供了利用上述技术方案所述的制备方法得到的珠光体钢轨钢，所述珠光体钢轨钢的组织为纳米级珠光体显微组织；

所述纳米级珠光体显微组织的平均片层间距小于60nm。

本发明提供了一种珠光体钢轨钢的制备方法，包括以下步骤：所述珠光体钢轨钢，按照质量百分比计，包括以下元素组分：C0.82～0.84％，Si0.6～0.8％，Mn0.95～1.05％，Cr+Nb≤1.2％，RE≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.015％，余量为铁以及不可避免的杂质；将具有与所述珠光体钢轨钢组分相同的钢锭依次进行轧制和控冷，得到珠光体钢轨钢；所述控冷包括第一阶段冷却、第一阶段空冷、第二阶段冷却和第二阶段空冷。本发明提供的所述制备方法，添加少量的合金元素，以及简单的制备方法即可得到平均片层间距在60nm以下的珠光体组织，极大地提高了珠光体钢轨钢的抗疲劳裂纹扩展性能。

根据实施例的记载，利用本发明所述的制备方法制备得到的珠光体钢轨钢的疲劳裂纹扩展速率和疲劳性能指标均优于《TB/T2344-201243kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》中规定的技术指标，在疲劳裂纹扩展实验中，珠光体钢轨钢试样断裂前总疲劳循环次数大于100万次。同时，所述制备方法生产成本低，有利于提高市场竞争力。

附图说明

图1为实施例1制备得到的珠光体钢轨钢在光学显微镜下观察到的珠光体显微组织图；

图2为实施例1制备得到的珠光体钢轨钢的疲劳裂纹扩展曲线(a-N曲线)；

图3为实施例1制备得到的珠光体钢轨钢的疲劳裂纹扩展速率曲线(da/dN-△K曲线)。

具体实施方式

本发明提供了一种珠光体钢轨钢的制备方法，包括以下步骤：

所述珠光体钢轨钢，按照质量百分比计，包括以下元素组分：

C0.82～0.84％，Si0.6～0.8％，Mn0.95～1.05％，Cr+Nb≤1.2％，RE≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.015％，余量为铁以及不可避免的杂质；

将具有与所述珠光体钢轨钢组分相同的钢锭依次进行轧制和控冷，得到珠光体钢轨钢；

所述控冷包括第一阶段冷却、第一阶段空冷、第二阶段冷却和第二阶段空冷。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明对所述钢锭的来源没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法按照上述元素配比进行制备即可。

在本发明中，所述轧制的终轧温度优选为890～930℃，更优选为900～920℃，最优选为900～910℃。

在本发明中，所述轧制的终轧温度控制在上述范围内可以更进一步的细化珠光体团尺寸，并且避免先共析渗碳体的析出。

在本发明中，所述第一阶段冷却为将轧制后的钢锭以7～8℃/s的冷却速率冷却至560～580℃，更优选为570℃。所述第一阶段冷却完成后，本发明优选进行第一阶段空冷，所述第一阶段空冷优选以560～580℃为起始温度，空冷≤30s；所述第一阶段空冷的时间更优选为10～20s，最优选为14s。

在本发明中，所述第一阶段的空冷时间控制在上述范围可以更进一步的保证钢锭中的奥氏体完全转变为珠光体，同时还可以进一步的避免时间过长造成的珠光体的长大；

将所述冷却过程的冷却速率和冷却的终止温度控制在上述范围内可以更进一步的细化珠光体片层间距。

所述第一阶段空冷完成后，本发明优选实施第二阶段冷却，所述第二阶段冷却为将第一阶段空冷后的钢锭以7～8℃/s的冷却速率冷却至300～350℃，更优选为320～330℃。所述第二阶段冷却完成后，本发明优选进行第二阶段空冷，所述第二阶段空冷优选以300～350℃为起始温度，空冷至室温。

在本发明中，所述第二阶段快速冷却的冷却速率和冷却温度控制在上述范围内可以更进一步的避免生成的珠光体长大；

所述第二阶段的空冷前过冷奥氏体在前面的冷却工艺中已基本完全转变成珠光体组织，且在300～350℃该温度下珠光体组织已无长大的可能。

本发明还提供了利用上述技术方案所述的制备方法得到的珠光体钢轨钢，所述珠光体钢轨钢的组织为纳米级珠光体显微组织；

所述纳米级珠光体显微组织的平均片层间距小于60nm。

下面结合实施例对本发明提供的珠光体钢轨钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1～2和对比例1中的珠光体钢轨钢，按照质量百分比计，均包括以下元素组分：

C0.82～0.84％，Si0.6～0.8％，Mn0.95～1.05％，Cr+Nb≤1.2％，RE≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.015％，余量为铁以及不可避免的杂质。

实施例1

将钢锭依次进行轧制(终轧温度为905℃)和控冷(以7.8℃/s的速度冷却至570℃后，进行第一阶段空冷14s；再以7.3℃/s的速度冷却至320℃后，进行第二阶段空冷至室温)，得到珠光体钢轨钢；

将所述珠光体钢轨钢在光学显微镜下进行观察(如图1所示)，由图1可知，所述珠光体钢轨钢中珠光体组织的平均片层间距约为51.02nm；

按照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》标准，对所述珠光体钢轨钢试样进行疲劳裂纹扩展实验，测试结果如图2所示，由图2可知，所述珠光体钢轨钢试样在断裂前总疲劳循环次数为107.46万次；

按照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》标准，对所述珠光体钢轨钢试样进行疲劳裂纹扩展速率测试，测试结果如图3所示，由图3可知，当应力强度因子幅度△K＝10MPa·m^1/2时，疲劳裂纹扩展速率da/dN＝7.9m/GC；当△K＝13.5MPa·m^1/2时，da/dN＝20.0m/GC。

实施例2

将钢锭依次进行轧制(终轧温度为916℃)和控冷(以7.5℃/s的速度冷却至570℃后，进行第一阶段空冷20s；再以7.1℃/s的速度冷却至330℃后，进行第二阶段空冷至室温)，得到珠光体钢轨钢；

所述珠光体钢轨钢中珠光体组织的片层间距约为55.17nm，所述珠光体钢轨钢试样在断裂前总疲劳循环次数为105.84万次；当应力强度因子幅度△K＝10MPa·m^1/2时，疲劳裂纹扩展速率da/dN＝9.5m/GC；当△K＝13.5MPa·m^1/2时，da/dN＝19.5m/GC。

对比例1

将钢锭依次进行轧制(终轧温度为927℃)和控冷(以7.7℃/s的速度冷却至520℃后，进行第一阶段空冷40s；再以6.6℃/s的速度冷却至400℃后，进行第二阶段空冷至室温)，得到珠光体钢轨钢；

所述珠光体钢轨钢中珠光体组织的片层间距约为99.74nm，所述珠光体钢轨钢试样在断裂前总疲劳循环次数为82万次；当应力强度因子幅度△K＝10MPa·m^1/2时，疲劳裂纹扩展速率da/dN＝9.9m/GC；当△K＝13.5MPa·m^1/2时，da/dN＝19.4m/GC。

由上可知，本发明提供的珠光体钢轨钢的制备方法制备得到的珠光体钢轨钢在添加较少合金元素的前提下，利用较简单的制备工艺即可得到珠光体组织的片层间距小，抗疲劳裂纹扩展性能优异的珠光体钢轨钢。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。