本发明属于材料领域，尤其涉及一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法。
背景技术：
我国重载铁路运输逐渐朝向重载、大年运量的方向发展，普通性能的钢轨使用中显现出磨耗严重、伤损加剧等现象，缩短了换轨周期，增加了铁路施工量，同时服役的伤损钢轨也对行车安全有较大的影响。针对我国钢轨伤损的实际情况铁道部提出在重载线路上使用高强度钢轨或热处理钢轨，多年来高强度钢轨的研究工作在不断进行中，主要有两种工艺路线：一是开发适合热处理钢轨，二是通过合金化来提高钢轨的强度及耐磨性。
珠光体钢轨钢通过加入合金元素si、mn、cr等起到固溶强化的作用，并使c曲线右移，相同冷速下获得片间距更小的珠光体组织，提高强度和钢的淬透性，如u75vh，u77mncrh、u78crvh等材质的轨头硬化热处理钢轨。层片状珠光体的塑性可以用断面收缩率来表示，控制层片状珠光体断面收缩率的因素时片层间距。在珠光体组织中，基体铁素体相是比较稳定的，塑性主要与渗碳体相状态有关。当片间距较大时，其片层渗碳体是连续的，而片间距较小时，层片渗碳体是不连续的，层片铁素体并未完全倍层片渗碳体所隔离，因此具有很高的塑性。细片状珠光体具有较好的耐磨性能，细片状珠光体组织和回火索氏体组织的耐磨性都随硬度的上升而提高，当硬度达到hrc42时，细片状珠光体的耐磨性比回火索氏体高出2倍，细化珠光体组织结构可以提高钢轨的耐磨性能和滚动接触疲劳寿命。一方面，减小珠光体团块的平均直径可以提高钢轨的抗张强度和耐磨性能，另一方面，减小珠光体片间距可以显著提高钢轨的抗剥离能力，因而显著提高钢轨的耐磨性能和滚动接触疲劳寿命。
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)中的过共析珠光体钢轨钢，通过增加珠光体片中渗碳体相的密度来提高耐磨性能。其化学成分为：0.89％c,0.48％si,0.61％mn,0.25％cr。热处理后抗拉强度达到1300mpa以上。
上述钢轨的特征在于均为珠光体组织，通过增加c和cr等提高淬透性元素，再结合热处理方式使强度达到1300mpa级，强度提高的同时钢轨的韧塑性明显降低，而且冷速过高可能会出现马氏体异常组织，破坏了钢轨内部组织连续性，在使用中形成疲劳裂纹源引起核伤，韧塑性降低也增加了核伤扩展速度，最终导致钢轨断裂，影响行车安全。
相对于珠光体钢轨，贝氏体钢轨通过合金化获得较高强度同时具有良好的韧塑性，轨头全断面性能均匀性好于珠光体热处理钢轨，例如：
1)中国专利申请号200810012105.3公开了“一种热轧贝氏体钢轨及生产工艺”，该方法中的成分设计通过c-si-mn-cr-mo以及nb、v、ti微合金化获得强韧性较好的贝氏体钢轨，但并为考虑钢中o、n有害元素作出要求，轧制工艺方面未反映出控轧方案，因此未能充分体现出贝氏体钢轨的强度及冲击韧性方面的优势。
2)中国专利申请号201310327055.9公开了“一种贝氏体钢轨用钢及制造方法”，该方法中的除了含有mn、mo、nb、v等元素外，cr元素含量1.3％～2.0％，a1含量0.05％-1.0％，虽然合金元素加入较多，但并未对控制过程作出规定，因此提高贝氏体钢轨的强度方面受到限制，抗拉强度仅达到1250mpa以上，屈服强度仅为850mpa以上，虽然冲击韧性较高，显然不能满足重载货运和小半径曲线耐磨轨的需要。
3)中国专利申请号200910063581.2公开了“一种超高强度贝氏体钢轨用钢及其制造方法”，该发明采用了c为0.20～0.50％，si为1.10～1.70％，mn为1.60～2.40％，cr为1.00～1.60％，mo为0.10～0.60％，al为0.05～1.20％的成分设计，同时未涉及到o、n等有害元素控制及控轧工艺方案，具有合金含量高、生产成本高、钢轨强度过高的特点，钢轨在使用中应考虑磨损和疲劳的平衡问题，过高的强度使磨损变轻而加剧了疲劳伤损，并不会提高钢轨的使用寿命，重载货运车辆的轴重一般在30吨左右，强度达到1300-1400mpa即可满足要求，同时也兼顾了良好的轮轨关系匹配问题，因此该发明在现有铁路上的应用具有局限性。
发明人在分析了相关专利等文献资料，结合我国重载铁路现有珠光体热处理钢轨及贝氏体钢轨的应用情况，提出采用无碳化物贝氏体组织为基础，通过控制钢中有害元素o、n的含量，通过合理的控制工艺细化奥氏体晶粒，获得具有较高的高强韧性板条贝氏体组织的钢轨。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法，用于重载铁路干线及小半径曲线的铁路用60kg/m～75kg/m规格的贝氏体钢轨，在热轧贝氏体钢轨成分方案基础上，复合加入nb、v、ti等微合金化元素，控制钢中o、n含量减少其对性能的影响，通过控制各轧钢工序的轧制间隔时间和温度获得细化的奥氏体晶粒，空冷获得强韧性良好的板条贝氏体组织的钢轨。
本发明目的是这样实现的：
一种高强韧性贝氏体钢轨，该钢轨的成分按重量百分比计如下：c：0.20％～0.30％，si：1.00％～1.80％，mn：1.80％～2.80％，p：≤0.025％，s：≤0.015％，cr：0.50％～1.00％，mo：0.40％～0.70％，nb：0.02％～0.08％，v：0.05％～0.10％，ti:0.003％～0.020％，o≤0.0005％，n：0.0030-0.0060％，余量为fe和不可避免的杂质。
所述高强韧性贝氏体钢轨的抗拉强度(rm)≥1350mpa，屈服强度(rp0.2)≥1150mpa，延伸率(a)≥14％，常温冲击试验的冲击吸收能量aku2≥70j，断面收缩率(z)≥50％，硬度≥410hb。
本发明成分设计理由如下：
c是性价比最高的基体强化型元素，主要是保证基体的强度和硬度，c含量低于0.10％时，钢轨的耐磨性无法保证；而c含量高于0.30％时，不利于贝氏铁素体的形核和长大，会增加钢轨断面心部偏析程度，降低韧塑性。因此，选择c含量为0.20％～0.30％。
si是固溶型强化元素，主要固溶于铁素体，提高钢的屈服强度，在贝氏体钢轨钢中起到阻止贝氏体转变时碳化物的形成，形成无碳化物贝氏体，提高韧性。低于1.00％时，无法实现抑制碳化物形成的作用，高于1.80％时，则组织中会出现较多的残余奥氏体相，使钢的强度下降。所以，选择si含量为1.00％～1.80％。
mn和cr降低贝氏体形成的开始温度，增大钢的过冷度，保证空冷条件下载较低的温度发生贝氏体转变。mn低于1.80％时，需要加入其它高价的替代元素，高于2.80％时，会导致严重的偏析，生成马氏体，破坏基体强度和塑性。cr含量过高时易产生马氏体组织和铬的碳化物析出，降低钢的韧性。
mo能够降低贝氏体转变温度，有助于稳定贝氏体转变和强化贝氏体组织，提高钢强度的同时不损害韧塑性，并且改善高强度低合金钢的焊接性能。
复合加入nb、v、ti微合金元素，使钢轨在轧制温度范围内均能够析出一定nb、v、ti的碳氮化物，以抑制钢轨轧制时奥氏体再结晶晶粒的长大，同时以碳氮化物作为贝氏体相变形核质点，增加形核数量，可以尽可能多地产生板条贝氏铁素体，使残余奥氏体板条化，限制m-a岛的尺寸及所占的比例。
o是钢中形成氧化物元素，氧含量高时会使残留在钢中的氧化物增加，降低钢的塑性、韧性、强度、疲劳强度等力学性能，因此本发明要求o≤0.0005％。
n是形成碳氮化物析出的主要元素，但受钢轨轧制工艺限制，只能获得一定量的析出相，因此过量的n留存到钢中，在室温长时间放置时会产生时效，氮会以fe4n形式析出，从而使钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降，因此n含量的控制应保证一定量的碳氮化物析出外，要控制钢中剩余n的含量，因此本发明限定n：0.0030％-0.0050％。
本发明技术方案之二是提供一种高强韧性贝氏体钢轨的制造方法，包括冶炼—连铸—再加热—轧制—回火；
(1)再加热：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，并且确保控制轧制的方案的顺利实施，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)轧制：连铸坯开坯轧制采用孔型粗轧机，开轧温度1150-1200℃，钢轨轧制采用万能轧机，开轧温度为950-1000℃，终轧温度为850-900℃，在空气中自然冷却至室温，通过粗轧机和万能轧机开轧温度的控制，有效控制再结晶晶粒长大，钢轨轧制后细化的奥氏体晶粒经空冷转变为板条贝氏体组织，获得了良好的性能。
(3)回火：室温钢轨经辊式矫直机组矫直后采用回火炉250～350℃保温处理5-10小时后空冷，在应变作用不稳定残余奥氏体向马氏体转变，造成该位置韧塑性降低发展为裂纹源引起核伤缺陷或钢轨断裂等问题，通过回火处理使不稳定的残余奥氏体稳定化。
本发明的有益效果在于：
本发明通过nb、v、ti微合金化，控制钢中o、n含量，配合适当的控轧工艺获得了强韧性良好的板条贝氏体组织的钢轨，冶炼成分实现稳定控制，生产工艺满足现有轧制设备的能力要求，对获得的试验钢轨进行了力学性能测试表明：抗拉强度(rm)≥1350mpa，屈服强度(rp0.2)≥1150mpa，延伸率(a)≥14％，常温冲击试验的冲击吸收能量aku2≥70j，断面收缩率(z)≥50％，硬度≥410hb。和对比例钢轨相比，抗拉强度均值提高6％以上，屈服强度均值提高28％以上，冲击吸收能量均值提高70％以上，硬度均值提高9％以上。本发明的贝氏体钢轨具有良好的强韧性、耐磨性，满足重载铁路及小半径曲线的要求。
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—铸坯加热—轧制—回火。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。