一种过共析钢轨及其制备方法.pdf

本发明公开了一种过共析钢轨的制备方法，该方法采用的钢坯的组成为：0.86-1.05重量％的C、0.3-1重量％的Si、0.5-1.3重量％的Mn、0.15-0.35重量％的Cr、0.3-0.5重量％的Cu、0.02-0.04重量％P、含量为0.02重量％以下的S和含量为Cu的1/2-2/3的Ni，并含有V、Nb和Re中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了上述方法制得的过共析钢轨。通过采用本发明的过共析钢轨的制备方法，能够将具有本发明的特定组成的高碳钢坯制成具有优良耐腐蚀性且拉伸性能较好的过共析钢轨。

权利要求书
1.  一种过共析钢轨的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将保温处理后的钢坯进行轧制得到钢轨，待轨头表层温度自然冷却至750-850℃后，采用冷却介质进行第一冷却阶段以将轨头表层温度降至350-550℃，然后采用空冷的方式进行第二冷却阶段以将轨头表层温度降至15-40℃，其中，
所述钢坯的组成为：0.86-1.05重量％的C、0.3-1重量％的Si、0.5-1.3重量％的Mn、0.15-0.35重量％的Cr、0.3-0.5重量％的Cu、0.02-0.04重量％P、含量为0.02重量％以下的S和含量为Cu的1/2-2/3的Ni，并含有V、Nb和Re中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，在满足含有V、Nb和Re中的至少一种的情况下，V的含量为0％或者0.04-0.12重量％，Nb的含量为0％或者0.02-0.06重量％，Re的含量为0-0.05重量％。

2.  根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述钢坯中，C的含量为0.9-1.05重量％，Si的含量为0.4-1重量％，Mn的含量为0.8-1.3重量％，P的含量为0.025-0.04重量％。

3.  根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述钢坯中含有V、Nb和Re中的一种，且所述钢坯含有0.04-0.12重量％的V，或者所述钢坯含有0.02-0.06重量％的Nb，或者所述钢坯含有0.01-0.05重量％重量％的Re。

4.  根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法，其中，所述自然冷却将轨头表层温度降至780-850℃。

5.  根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述自然冷却将轨头表层温度降至800-840℃。

6.  根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法，其中，所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至350-500℃。

7.  根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至400-450℃。

8.  根据权利要求1-7中任意一项所述的制备方法，其中，所述第一冷却阶段的冷却速度为1-5℃/s。

9.  根据权利要求1-8中任意一项所述的制备方法，其中，所述第一冷却阶段是在所述钢轨的轨头顶面和侧面施加冷却介质，所述冷却介质为压缩空气和/或水雾混和气。

10.  由权利要求1-9中任意一项所述的方法制得的过共析钢轨。

说明书一种过共析钢轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种过共析钢轨及其制备方法。
背景技术
铁路运输的快速发展，对钢轨的服役性能提出了更高要求，特别是货运铁路和重载专线，随着轴重、行车密度和通过总重的不断提高，钢轨的服役环境近乎苛刻；其中小半径曲线路段更成为重灾区，钢轨磨耗严重，部分钢轨甚至上道不足一年就需更换下道，严重制约铁路的运输效率，铁路部门迫切需要更高性能的钢轨产品。与此同时，在沿海地区及潮湿的隧道内，钢轨还面临腐蚀过快的问题。钢轨轨底与垫片及道床的相互作用导致轨底形成点状或块状腐蚀坑，在车轮反复应力作用下，将向轨腰及轨头部位快速扩展，从而导致钢轨断裂失效，危及行车安全。因此，铁路长寿化和低维护发展趋势要求钢轨需同时具有耐磨损、耐接触疲劳、耐腐蚀、耐脆断等多重性能。研究表明，提高钢轨的耐腐蚀性能通常有以下三种方法：一是表层涂覆耐腐蚀液态材料，通过在钢轨表层人为覆盖一层与基体隔离的薄膜，避免钢轨基体与空气或其它介质接触，提高钢轨耐腐蚀性能；二是通过牺牲阳极提高钢轨的耐腐蚀性能；三是通过向普通碳素轨中添加Cu、Cr、Ni等耐腐蚀元素，提高钢轨基体的耐腐蚀性能。目前对第三种方式的研究更为迫切，CN101818312A公开了一种具有优良强韧性能抗疲劳性能和耐磨性能耐蚀重轨钢，基本合金体系中合金元素的重量百分含量为：C：0.55％～0.72％、Si：0.35％～1.1％、Mn：0.7～1.40％、Cr：0.2％～0.65％、Cu：0.2％～0.65％，余量为Fe，在上述基本成分基础上，同时添加一种或几种微合金元素Nb、V、Ti、Ni、Mo，其中Nb：0.01％～0.055％、V：0.05％～0.10％、Ti：0.001％～ 0.05％；Ni：0.1％～0.3％、Mo：0.15％～0.3％。该专利申请针对的低碳或超低碳钢的强韧性能抗疲劳性能和耐磨性能耐蚀的提高问题，例如抗拉强度在1100MPa左右，腐蚀率在2g/m2·h左右，其难以满足大轴重、大运量重载铁路运输需求，且并不适用于钢轨等高碳钢的性能提升。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于作为高碳钢的钢轨的元素组成且能够获得优良的耐腐蚀性能的过共析钢轨及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种过共析钢轨的制备方法，该方法包括：
将保温处理后的钢坯进行轧制得到钢轨，待轨头表层温度自然冷却至750-850℃后，采用冷却介质进行第一冷却阶段以将轨头表层温度降至350-550℃，然后采用空冷的方式进行第二冷却阶段以将轨头表层温度降至15-40℃，其中，
所述钢坯的组成为：0.86-1.05重量％的C、0.3-1重量％的Si、0.5-1.3重量％的Mn、0.15-0.35重量％的Cr、0.3-0.5重量％的Cu、0.02-0.04重量％P、含量为0.02重量％以下的S和含量为Cu的1/2-2/3的Ni，并含有V、Nb和Re中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，在满足含有V、Nb和Re中的至少一种的情况下，V的含量为0％或者0.04-0.12重量％，Nb的含量为0％或者0.02-0.06重量％，Re的含量为0-0.05重量％。
本发明还提供了由上述方法制得的过共析钢轨。
通过采用本发明的过共析钢轨的制备方法，能够将具有本发明的特定组成的高碳钢坯制成具有优良耐腐蚀性且拉伸性能较好的过共析钢轨，例如在0.05mol/L的NaHSO3溶液中的腐蚀速率为1.48g/m2·h以下，在2重量％的NaCl溶液中的腐蚀速率为1g/m2·h以下，且抗拉强度能够达到1350MPa以 上，延伸率在9％以上，特别是可以得到显微组织结构为珠光体+微量二次渗碳体的过共析钢轨。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
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。
本发明提供一种过共析钢轨的制备方法，该方法包括：
将保温处理后的钢坯进行轧制得到钢轨，待轨头表层温度自然冷却至750-850℃后，采用冷却介质进行第一冷却阶段以将轨头表层温度降至350-550℃，然后采用空冷的方式进行第二冷却阶段以将轨头表层温度降至15-40℃，其中，
所述钢坯的组成为：0.86-1.05重量％的C、0.3-1重量％的Si、0.5-1.3重量％的Mn、0.15-0.35重量％的Cr、0.3-0.5重量％的Cu、0.02-0.04重量％P、含量为0.02重量％以下的S和含量为Cu的1/2-2/3的Ni，并含有V、Nb和Re中的至少一种，余量为Fe和不可避免的杂质；其中，在满足含有V、Nb和Re中的至少一种的情况下，V的含量为0％或者0.04-0.12重量％，Nb的含量为0％或者0.02-0.06重量％，Re的含量为0-0.05重量％。
根据本发明，本发明的发明人发现，当将所述钢坯的成分含量控制在上述组成范围内，可以通过采用本发明的方法中的冷却方式获得优良耐腐蚀性且拉伸性能较好的过共析钢轨。其中，优选地，所述钢坯中，C的含量为0.9-1.05重量％，Si的含量为0.4-1重量％，Mn的含量为0.8-1.3重量％，P的含量为0.025-0.04重量％。
根据本发明，所述钢坯中含有V、Nb和Re中的至少一种，优选含有V、Nb和Re中的一种，当所述钢坯中含有V、Nb和Re中的一种时，所述钢坯 含有0.04-0.12重量％的V，或者所述钢坯含有0.02-0.06重量％的Nb，或者所述钢坯含有0.01-0.05重量％重量％的Re。
根据本发明，上述组成的钢坯可以通过本领域的常规方法获得，例如采用转炉或电炉冶炼含上述成分的钢水，经炉外精炼、真空脱气处理，连铸为大方坯，然后将该大方坯送入加热炉中加热保温，便可获得本发明的保温处理后的钢坯，具体的过程在此不再赘述。
根据本发明，所述保温处理可以将钢坯加热至适于轧制的温度，例如可以通过保温处理将钢坯加热至1200-1300℃，对所述保温处理并没有特别限定，只要能够达到这样的温度即可，优选地，所述保温处理的条件包括：温度为1200-1300℃，时间为2-4h。
根据本发明，可以采用孔型法或万能法将所述保温处理后的钢坯轧制得到钢轨，即可进行随后的冷却过程，对所述轧制的条件并没有特别的限定，只要能够获得所需钢轨即可，例如将钢坯轧制成单重为60-75kg/m的钢轨。
根据本发明，上述轧制后，钢轨的温度有所降低，例如当采用温度为1200-1300℃的保温处理后的钢坯进行轧制后，可以获得轨头表层温度为900-1000℃的钢轨。通过自然冷却的方式，将这样的钢轨的轨头表层温度降至750-850℃，然后在进行之后的第一冷却阶段。其中，如果自然冷却至高于850℃的温度时，那么在随后的第一冷却阶段中，由于轨头表层受冷却介质的直接作用，温度快速降低；相比之下，轨头心部由于仅受到轨头表层以及一定深度内热量传输，温度也将随之降低但冷速低于轨头表层，特别是当轨头表层在相变过程同时释放相变潜热，导致轨头心部相变过冷度较小，无法实现轨头断面性能的均匀统一；当自然冷却至低于750℃的温度时，那么在随后的第一冷却阶段中，由于轨头表层在加速冷却初期迅速达到相变温度，由于过冷度较大，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织导致钢轨判废。因此本发明中钢轨的先自然冷却将轨头表层温度降至750℃-850℃，优选降 至780-850℃，更优选至800-840℃。
根据本发明，所述第一冷却阶段是通过施用冷却介质优选以1-5℃/s的冷却速度使得轨头表层温度降至350-550℃的过程，其中，当这里的冷却速度高于5℃/s时，由于相变过冷度过大，易形成贝氏体、马氏体等异常组织而导致钢轨而导致钢轨不合格；当这里的冷却速度低于1℃/s时，无法使钢轨获得冷却充分的细晶强化效果，从而无法获得所需的更高性能。
根据本发明，对所述冷却介质的施用方式并无特别的限定，只要能够获得本发明所需的效果即可，例如所述第一冷却阶段是在所述钢轨的轨头顶面和侧面施加冷却介质。其中，所述冷却介质优选为压缩空气和/或水雾混和气。
根据本发明，所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至350-550℃，降至这样的温度的原因是：当所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至高于550℃时，此时轨头心部的相变尚未完全结束，如此时停止加速冷却，将使轨头心部获得粗大的珠光体显微组织以及大量沿晶界分布的二次渗碳体；当所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至低于350℃时，此前轨头全断面相变已完成，继续加速冷却已无显著意义。因此，所述第一冷却阶段使得轨头表层温度降至350℃-550℃之间。优选地，所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至350-500℃，更优选至400-450℃。
根据本发明，待第一冷却阶段结束后，便可采用空冷的方式进行第二冷却阶段以将轨头表层温度降至15-40℃(室温)。所述空冷是指采用空冷机将环境空气作为冷却介质进行冷却的方式。
根据本发明，通过上述方法获得钢轨可以在经平立复合矫直后即可获得成品钢轨。
本发明还提供了由上述方法制得的过共析钢轨。
应当理解的是，本发明提供的过共析钢轨具有与上述钢坯组成一样的组成。并且，通过本发明的方法，能够制得具有优良耐腐蚀性且拉伸性能较好 的过共析钢轨，例如在0.05mol/L的NaHSO3溶液中的腐蚀速率为1.48g/m2·h以下，在2重量％的NaCl溶液中的腐蚀速率为1g/m2·h以下，且抗拉强度能够达到1350MPa以上，延伸率在9％以上。特别是可以得到显微组织结构为珠光体+微量二次渗碳体的过共析钢轨。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例所采用的钢坯的组成如表1中所示，对比例所采用的钢坯组成如表2中所示，其中，除了表1和2中元素以外，余量为Fe和不可避免的杂质：
表1

表2

9#为我国铁标中U75V钢轨的组成、10#为我国铁标中U71Mn钢轨的组成
实施例1-10
本实施例用于说明本发明的过共析钢轨及其制备方法。
分别将表1中的1#至10#钢坯在1200℃的加热炉内保温3h，得到表层温度为1200℃的钢坯，将保温后的钢坯轧制成60kg/m的钢轨，终轧温度(终轧后的表层温度)为910℃，将终轧后的钢轨的轨头表层温度自然冷却至805℃后，在钢轨的轨头顶面和两侧面施加冷却介质，冷却介质为水雾混合气，使钢轨以2.5℃/s的冷却速度进行第一阶段冷却以将钢轨的轨头表层温度降至410℃；然后使得钢轨空冷至约20℃，并经过平立复合矫直后获得钢轨A1至A10。
对比例1-10
按照实施例1的方法，不同的是采用的钢坯如表2中的1#至10#，制备得到钢轨为D1-D10。
测试例
根据以下方法对实施例1-10和对比例1-10制备的钢轨A1-A10和D1-D10进行性能检测，具体地：
按GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》测定钢轨的拉伸性能，测得的Rm(抗拉强度)、A％(伸长率)如表3所示；
按GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》采用MeF3光学显微镜测定钢轨的显微组织，测得显微组织结果如表3所示；
模拟大气酸性及海洋环境周期浸润加速腐蚀试验，设定的参数如下，并按GB/T 16545-1996对试样表面的腐蚀产物进行清除，根据公式rcorr＝m/(A×t)计算腐蚀速率。其中，m为失重量，单位是g；A为试样表面面积，单位为m2，t为腐蚀时间，单位为h，其结果如表3所示，其中，模拟大气酸性及海洋环境周期浸润加速腐蚀试验设定的参数如下：
①温度：45±2℃
②湿度：70±5％RH
③每一个循环周期60±3min，其中，浸润时间12±1.5min
④循环周期：100次
⑤烘烤后试样表面最高温度：70±10℃
⑥溶液：
大气酸性环境：0.05mol/L NaHSO3的水溶液
海洋环境：2重量％NaCl的水溶液
试验结束后，取出试样，流动水冲洗并自然过夜干燥后，称重。
表3

注：P+FeⅢC2(微)是指珠光体+微量二次渗碳体，P+F(微)是指珠光体+微量铁素体，P是指珠光体。
通过上述试验结果可以看出，通过采用本发明的方法制得的过共析钢轨，表现出了较好的显微组织构造、较好的抗拉强度、合适的拉伸率、优异的抗腐蚀性能。例如在0.05mol/L的NaHSO3溶液中的腐蚀速率为1.48g/m2·h以下(优选为1-1.3g/m2·h)，在2重量％的NaCl溶液中的腐蚀速率为1g/m2·h以下(优选为0.6-0.9g/m2·h)，且抗拉强度能够达到1350MPa以上(优选为1360-1460MPa)，延伸率在9％以上(优选为10-12％)，特别是可以得到显微组织结构为珠光体+微量二次渗碳体的过共析钢轨。尤其是所得的钢轨强度高于现有U75V、U71Mn热处理钢轨，能够满足重载铁路特别是小半径曲线路段的服役需求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，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，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。