一种过共析钢轨及其制备方法
阅读说明：本技术 一种过共析钢轨及其制备方法 (Hypereutectoid steel rail and preparation method thereof ) 是由 袁俊 邹明 邓勇 汪渊 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金属材料热处理领域,公开了一种过共析钢轨及其制备方法。该方法包括：(1)采用高压水枪对钢坯进行喷射,喷射压力为20-30MPa,喷射角度为40-50°,然后将钢坯轧制成小断面钢坯,接着将小断面钢坯轧制成钢轨；(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却,得到过共析钢轨；其中,在步骤(1)中,在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中,每次轧制前对钢坯喷洒重油、石墨和水的混合物。该方法制备的过共析钢轨尺寸精度不超过±0.5mm,钢轨凹坑深度≤0.5mm,抗拉强度≥1400MPa,延伸率≥10％,适宜机车速度≥120km/h、年运量≥1亿吨的高速重载线路使用。(The invention relates to the field of heat treatment of metal materials, and discloses a hypereutectoid steel rail and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: (1) spraying the steel billet by using a high-pressure water gun, wherein the spraying pressure is 20-30MPa, and the spraying angle is 40-50 degrees, rolling the steel billet into a small-section steel billet, and then rolling the small-section steel billet into a steel rail; (2) accelerated cooling is carried out by utilizing the waste heat of the steel rail obtained in the step (1) to obtain a hypereutectoid steel rail; in the step (1), in the process of rolling the small-section steel billet into the steel rail, a mixture of heavy oil, graphite and water is sprayed on the steel billet before each rolling. The hypereutectoid steel rail prepared by the method has the dimensional accuracy of not more than +/-0.5 mm, the depth of a steel rail pit is not more than 0.5mm, the tensile strength is not less than 1400MPa, the elongation is not less than 10%, and the hypereutectoid steel rail is suitable for high-speed heavy-load lines with the locomotive speed not less than 120km/h and the annual transport capacity not less than 1 hundred million tons.)
技术领域
本发明涉及金属材料热处理领域，具体涉及一种过共析钢轨及其制备方 法。
背景技术
铁路依据运行方式，分为客运专线铁路、客货混运和重载货运专线铁路 运输模式。客运专线铁路运行速率通常≥160km/m，重载货运专线铁路运行 速率通常≤80km/m。客运专线铁路所需钢轨具有高尺寸精度和高表面质量， 强度指标较低。重载货运铁路钢轨需具有高强高韧钢轨质量，由于运行速率 较低，通常对尺寸和表面质量的要求也较为宽泛。
国内外重载铁路逐渐向大轴重、高密度的铁路运输模式发展。国际上， 澳大利亚等重载线路客户在采购钢轨时，指定采购踏面硬度达到420HB以 上的钢轨。随着我国经济的不断提高，铁路货运量的不断提高，机车速度 ≥120km/h、年运量≥1亿吨的高速重载铁路得到用户的关注。现有全珠光体 类钢轨唯有采用合金化+控轧+控冷等特殊生产工艺，踏面硬度最高仅能达到 430HB左右。因此，国内外重载线路重点关注于过共析钢轨。过共析钢轨由 于碳含量增加，组织内析出一定的二次渗碳体，提高了钢轨的耐磨性能，其 踏面硬度最高达到460HB。但现有过共析钢轨均采用碳素小断面轧制，组织 析出的二次渗碳体降低了钢轨的韧塑性，导致现有过共析钢轨在打磨困难的 情况下，极易出现接触疲劳掉块，严重影响线路运行效率和行车安全。因此， 现有小断面轧制的普通碳素过共析钢轨难以满足国内外重载线路的发展需 求，亟需一种高强高韧耐磨抗接触疲劳掉块过共析钢轨的生产方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的过共析钢轨易出现接触疲劳 掉块的问题，提供一种过共析钢轨及其制备方法，该方法采用重油石墨水混 合润滑轧制，保证了过共析钢轨表面碳含量的渗入，又保证了过共析钢轨高 精度和高表面质量的要求，制备得到的过共析钢轨尺寸精度不超过±0.5mm， 钢轨凹坑深度≤0.5mm，抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％，适宜机车速度 ≥120km/h、年运量≥1亿吨的高速重载线路使用。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种过共析钢轨的制备方法，该 方法包括以下步骤：
(1)采用高压水枪对钢坯进行喷射，喷射压力为20-30MPa，喷射角度 为40-50°，然后将钢坯轧制成小断面钢坯，接着将小断面钢坯轧制成钢轨；
(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却，得到过共析钢轨；
其中，在步骤(1)中，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，每次轧制 前对钢坯喷洒重油、石墨和水的混合物，所述重油、石墨和水的质量比为 1:1-3:1-7。
优选地，在步骤(1)中，所述钢坯的制备方法包括转炉冶炼、LF精炼、 RH真空处理、保护浇铸、冷却和加热炉加热。
优选地，在步骤(1)中，所述加热炉加热的温度为1230-1280℃，所述 加热炉加热的时间为150-240min。
优选地，在步骤(2)中，所述加速冷却的冷却速度为1-4℃/s。
本发明第二方面提供一种由上述方法制备得到的过共析钢轨。
优选地，以所述过共析钢轨的总重量为基准，所述过共析钢轨含有0.8-1.2重量％的C，0.1-0.8重量％的Si，0.4-1.3重量％的Mn，0.002-0.02重 量％的P，0.001-0.7重量％的Cr，0.001-0.12重量％的V，0.001-0.004重量％ 的Al，其余为Fe和S以及不可避免的杂质。
优选地，以所述过共析钢轨的总重量为基准，所述过共析钢轨含有 0.01-0.02重量％的Mo，0.001-0.02重量％的Sn，0.05-0.15重量％的Cu， 0.01-0.02重量％的As。
优选地，所述过共析钢轨中氢的含量≤2ppm。
优选地，所述过共析钢轨中氧的含量≤20ppm。
优选地，所述过共析钢轨中氮的含量≤60ppm。
本发明所述的过共析钢轨的制备方法，采用重油石墨水混合润滑轧制， 保证了过共析钢轨表面碳含量的渗入，又保证了过共析钢轨高精度和高表面 质量的要求，制备得到的过共析钢轨尺寸精度不超过±0.5mm，钢轨凹坑深 度≤0.5mm，抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％，适宜机车速度≥120km/h、年 运量≥1亿吨的高速重载线路使用。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这 些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各 个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点 值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视 为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种过共析钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用高压水枪对钢坯进行喷射，喷射压力为20-30MPa，喷射角度 为40-50°，然后将钢坯轧制成小断面钢坯，接着将小断面钢坯轧制成钢轨；
(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却，得到过共析钢轨；
其中，在步骤(1)中，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，每次轧制 前对钢坯喷洒重油、石墨和水的混合物，所述重油、石墨和水的质量比为 1:1-3:1-7。
在本发明中，在步骤(1)中，所述钢坯的制备方法可以为本领域的常 规方法。优选地，所述钢坯的制备方法包括转炉冶炼、LF精炼、RH真空处 理、保护浇铸、冷却和加热炉加热。
在本发明中，所述加热炉加热的温度为1230-1280℃。具体地，所述加 热炉加热的温度可以为1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃或1280℃。
在本发明中，所述加热炉加热的时间为150-240min。具体地，所述加热 炉加热的时间可以为150min、160min、170min、180min、190min、200min、 210min、220min、230min或240min。
在本发明中，在步骤(1)中，采用高压水枪对钢坯的侧面进行喷射， 目的是除去钢坯表面的氧化皮(磷皮)。
在本发明中，所述钢坯的侧面为钢坯除截面以外的外表面。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，所述喷射压力为20-30MPa。 具体地，所述喷射压力可以为20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、 25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa或30MPa。
在本发明中，所述的压力为绝对压力。
在本发明中，在步骤(1)中，所述喷射角度为40-50°。具体地，所述 喷射角度可以为40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°或50°。
在本发明中，在步骤(1)中，将钢坯轧制成小断面钢坯时，对于轧制 的设备没有特殊要求，可以为本领域的常规选择。
在本发明中，所述小断面钢坯是指断面尺寸为150mm×150mm至200mm×200mm的钢坯。
在本发明中，在步骤(1)中，将小断面钢坯轧制成钢轨时，对于轧制 的设备没有特殊要求，可以为本领域的常规选择。
在本发明中，在步骤(1)中，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，进 行多道次轧制，对于轧制的道次没有特殊要求，可以为本领域的常规选择， 将小断面钢坯轧制成钢轨即可，每次轧制前对钢坯的侧面(钢坯与辊道接触 的侧面除外)喷洒重油、石墨和水的混合物。
在本发明中，在步骤(1)中，所述重油、石墨和水的质量比为1:1-3:1-7。 具体地，所述重油、石墨和水的质量比可以为1:1:1、1:1:3、1:1:5、1:1:7、 1:2:1、1:2:3、1:2:5、1:2:7、1:3:1、1:3:3、1:3:5或1:3:7。
在本发明中，每轧制20支钢轨后调整轧制参数和修磨辊道。
在本发明中，在步骤(2)中，在轧制完毕后利用步骤(1)得到的钢轨 的余热进行加速冷却，所述加速冷却的冷却速度为1-4℃/s。具体地，所述加 速冷却的冷却速度可以为1℃/s、1.5℃/s、2℃/s、2.5℃/s、3℃/s、3.5℃/s或 4℃/s。
本发明第二方面提供一种由上述方法制备得到的过共析钢轨。
在本发明中，以所述过共析钢轨的总重量为基准，所述过共析钢轨含有 0.8-1.2重量％的C，0.1-0.8重量％的Si，0.4-1.3重量％的Mn，0.002-0.02重 量％的P，0.001-0.7重量％的Cr，0.001-0.12重量％的V，0.001-0.004重量％ 的Al，其余为Fe和S以及不可避免的杂质。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中C的含量可以为0.8重量％、0.9 重量％、1重量％、1.1重量％或1.2重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Si的含量可以为0.1重量％、0.2 重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％或0.8 重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Mn的含量可以为0.4重量％、 0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1重量％、1.1 重量％、1.2重量％或1.3重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中P的含量可以为0.002重量％、 0.005重量％、0.007重量％、0.01重量％、0.013重量％、0.015重量％、0.017 重量％或0.02重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Cr的含量可以为0.001重量％、 0.005重量％、0.007重量％、0.01重量％、0.05重量％、0.07重量％、0.1重 量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％或0.7重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中V的含量可以为0.001重量％、 0.003重量％、0.005重量％、0.007重量％、0.009重量％、0.01重量％、0.05 重量％、0.07重量％、0.1重量％或0.12重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Al的含量可以为0.001重量％、 0.002重量％、0.003重量％或0.004重量％。
在本发明中，所述过共析钢轨含有Mo、Sn、Cu、As等残余元素，为了 提高钢轨的综合性能，需要将这些残余元素的含量控制在适当的范围内。
在本发明中，以所述过共析钢轨的总重量为基准，所述过共析钢轨含有 0.01-0.02重量％的Mo，0.001-0.02重量％的Sn，0.05-0.15重量％的Cu， 0.01-0.02重量％的As。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Mo的含量可以为0.01重量％、 0.011重量％、0.012重量％、0.013重量％、0.014重量％、0.015重量％、0.016 重量％、0.017重量％、0.018重量％、0.019重量％或0.02重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Sn的含量可以为0.001重量％、 0.003重量％、0.005重量％、0.007重量％、0.009重量％、0.01重量％、0.013 重量％、0.015重量％、0.017重量％、0.019重量％或0.02重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中Cu的含量可以为0.05重量％、 0.07重量％、0.09重量％、0.1重量％、0.12重量％、0.13重量％或0.15重量％。
在具体实施方式中，所述过共析钢轨中As的含量可以为0.01重量％、 0.013重量％、0.015重量％、0.017重量％、0.019重量％或0.02重量％。
本发明所述的过共析钢轨还含有氢、氧、氮等气体成分，为了提高钢轨 的综合性能，需要将这些化学成分的含量控制在较小的范围内。
在本发明中，所述过共析钢轨中氢的含量≤2ppm。
在本发明中，所述过共析钢轨中氧的含量≤20ppm。
在本发明中，所述过共析钢轨中氮的含量≤60ppm。
本发明所述的过共析钢轨的制备方法，采用重油石墨水混合润滑轧制， 保证了过共析钢轨表面碳含量的渗入，又保证了过共析钢轨高精度和高表面 质量的要求，提高了钢轨的使用寿命，制备得到的过共析钢轨尺寸精度不超 过±0.5mm，钢轨凹坑深度≤0.5mm，抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％，在 保证过共析钢轨强度的同时，提高钢轨的韧性，具有优良的耐磨损性能和抗 接触疲劳性能。特别适宜机车速度≥120km/h、年运量≥1亿吨的高速重载线 路使用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅 限于此。
实施例1-5和对比例1-7所述的钢坯均按照相同的方法进行制备，具体 步骤包括将含有相应化学成分的原料依次进行转炉冶炼、LF精炼、RH真空 处理、保护浇铸、冷却和加热炉加热。
实施例1
(1)采用高压水枪对加热炉加热后的钢坯的侧面进行喷射(加热炉加 热的温度为1230℃，加热炉加热的时间为240min)，喷射压力为20MPa， 喷射角度为45°，然后将钢坯轧制成小断面钢坯，接着采用U1E1、U2E2和 UF轧机将小断面钢坯轧制成钢轨，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，每 次轧制前对钢坯的侧面(钢坯与辊道接触的侧面除外)喷洒重油、石墨和水 的混合物，重油、石墨和水的质量比为1:2:5；
(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却，加速冷却的冷却 速度为1℃/s，得到过共析钢轨A1；
其中，以过共析钢轨的总重量为基准，过共析钢轨含有0.9重量％的C， 0.45重量％的Si，0.95重量％的Mn，0.01重量％的P，0.2重量％的Cr，0.06 重量％的V，0.002重量％的Al，0.01重量％的Mo，0.002重量％的Sn，0.05 重量％的Cu，0.012重量％的As，0.8ppm的氢，5ppm的氧和45ppm的氮， 其余为Fe和S以及不可避免的杂质。
实施例2
(1)采用高压水枪对加热炉加热后的钢坯的侧面进行喷射(加热炉加 热的温度为1280℃，加热炉加热的时间为150min)，喷射压力为20MPa， 喷射角度为40°，然后将钢坯轧制成小断面钢坯，接着采用U1E1、U2E2和 UF轧机将小断面钢坯轧制成钢轨，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，每 次轧制前对钢坯的侧面(钢坯与辊道接触的侧面除外)喷洒重油、石墨和水 的混合物，重油、石墨和水的质量比为1:1:1；
(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却，加速冷却的冷却 速度为4℃/s，得到过共析钢轨A2；
其中，以过共析钢轨的总重量为基准，过共析钢轨含有0.8重量％的C， 0.1重量％的Si，0.4重量％的Mn，0.002重量％的P，0.7重量％的Cr，0.12 重量％的V，0.004重量％的Al，0.015重量％的Mo，0.001重量％的Sn，0.1 重量％的Cu，0.01重量％的As，2ppm的氢，20ppm的氧和60ppm的氮，其 余为Fe和S以及不可避免的杂质。
实施例3
(1)采用高压水枪对加热炉加热后的钢坯的侧面进行喷射(加热炉加 热的温度为1255℃，加热炉加热的时间为195min)，喷射压力为30MPa， 喷射角度为50°，然后将钢坯轧制成小断面钢坯，接着采用U1E1、U2E2和 UF轧机将小断面钢坯轧制成钢轨，在小断面钢坯轧制成钢轨的过程中，每 次轧制前对钢坯的侧面(钢坯与辊道接触的侧面除外)喷洒重油、石墨和水 的混合物，重油、石墨和水的质量比为1:3:7；
(2)利用步骤(1)得到的钢轨的余热进行加速冷却，加速冷却的冷却 速度为2.5℃/s，得到过共析钢轨A3；
其中，以过共析钢轨的总重量为基准，过共析钢轨含有1.2重量％的C， 0.8重量％的Si，1.3重量％的Mn，0.02重量％的P，0.001重量％的Cr，0.001 重量％的V，0.001重量％的Al，0.02重量％的Mo，0.02重量％的Sn，0.15 重量％的Cu，0.02重量％的As，1ppm的氢，10ppm的氧和35ppm的氮，其 余为Fe和S以及不可避免的杂质。
实施例4
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，所述喷射压力 为25MPa，得到过共析钢轨A4。
实施例5
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，所述喷射压力 为30MPa，得到过共析钢轨A5。
对比例1
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，喷射角度为60°， 并且不喷洒重油、石墨和水的混合物，得到过共析钢轨D1。
对比例2
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，喷射压力为18MPa， 喷射角度为35°，并且不喷洒重油、石墨和水的混合物，得到过共析钢轨D2。
对比例3
按照实施例2所述的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，喷射压力 为15MPa，得到过共析钢轨D3。
对比例4
按照实施例2所述的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，喷射角度 为20°，得到过共析钢轨D4。
对比例5
按照实施例2所述的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，喷射角度 为70°，得到过共析钢轨D5。
对比例6
按照实施例3所述的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，不喷洒重 油、石墨和水的混合物，得到过共析钢轨D6。
对比例7
按照实施例3所述的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，重油、石 墨和水的质量比为1:4:8，得到过共析钢轨D7。
测试例1
对实施例和对比例中得到的成品钢轨进行拉伸试样取样，测试钢轨的尺 寸精度、钢轨凹坑深度、抗拉强度和延伸率。采用《TB/T 2344-2012 43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》标准检测钢轨的尺寸精度、钢轨凹坑深 度、抗拉强度和延伸率。测试结果如表1所示。
表1
编号
尺寸精度/mm
钢轨凹坑深度/mm
抗拉强度/MPa
延伸率/％
A1
0.5
0.5
1405
10
A2
0.3
0.4
1468
12
A3
0.3
0.4
1453
11
A4
0.4
0.3
1423
11
A5
0.4
0.3
1426
10
D1
0.9
0.8
1422
11
D2
1.2
1.5
1423
10
D3
1.1
1.2
1427
11
D4
0.9
0.6
1429
10
D5
0.6
1.0
1451
10
D6
0.8
0.9
1435
10
D7
0.5
1.1
1426
10
通过表1的结果可以看出，本发明所述的方法制备的过共析钢轨尺寸精 度不超过±0.5mm，钢轨凹坑深度≤0.5mm，抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥10％。 可见，本发明所述的方法制备的过共析钢轨尺寸精度和表面质量较高，特别 适宜机车速度≥120km/h、年运量≥1亿吨的高速重载线路使用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在 本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包 括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样 应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。