一种高强度耐疲劳性能优良的钢轨及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强度、高耐磨和耐接触疲劳性能优良的钢轨及其生产方法，属 于黑色钢材制造技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国重载铁路的快速发展，我国货运铁路的轴重也在不断提升，如目前国内 大多数客货混运铁路的轴重为21吨和23吨，专用货运通道如大秦、溯黄铁路轴重为25吨， 以及刚刚建成试通车"中南通道"的轴重为30吨。可以预想未来进一步提升我国的货运效 率的各种方法中，提升货车轴重将是最优化、最经济的方式。同时，随着货运铁路轴重的不 断增加，货运铁路对高抗磨耗性能和高抗接触疲劳性能钢轨的需求将会更加迫切，因此需 要开发新的钢轨钢来满足我国新的铁路运输模式，本发明主要是针对我国复杂重载运输条 件开发出的抗磨耗和抗接触疲劳性能优良的重载钢轨。
[0003] 在近些年中，国内外相关钢轨生产企业针对我国钢轨生产现状和铁路运营条件， 在我国申请了相关的钢轨专利技术，如过共析钢轨生产技术、低合金钢轨生产技术等，大致 专利如下。
[0004] (1)克里斯英国有限公司于2011年申请"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"专利（申请公布号CN 101946019 A)，该专利涉及高强度珠光体钢的钢 轨，其具有耐磨性和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合，其中该钢由以下组成：〇. 88-0. 95% 碳，(λ 75%-0· 92%硅，(λ 80%-0· 95%锰，(λ 05%-0· 14%钒，至多 0· 008%氮，至多 0· 030% 磷，0. 008% -0. 030%硫，至多2. 5ppm氢，至多0. 10%铬，至多0. 010%铝，至多20ppm氧，余 量为铁和不可避免的杂质。该专利钢轨在水润滑条件下具有超过130000循环的RCF抵抗 性。
[0005] (2)国内包头钢铁公司于2012年申请"一种含Cr、V的高强稀土钢轨"专利（申 请公布号CN 102517501 A)，该专利涉及一种高强耐磨稀土钢轨，属于冶金产品技术领 域。钢轨的化学成分，其特征在于钢轨的化学成分及重量百分比含量为：CO. 65?0. 82、Si O. 50 ?0. 80、Mn 0. 70 ?1. 20、P 彡 0. 025、S 彡 0. 025、CrO. 20 ?0. 40、V 彡 0. 10、RE (加 入量）<0.03、其余为基体Fe和微量杂质元素。通过添加 Cr、V合金及稀土，采用在精炼 后添加稀土包芯线，使其各元素刚柔相济，增加钢轨的强度及耐磨性，提高综合性能，改善 焊接性能和热处理性能，此钢轨适用于运量大的重要干线，有着广阔的应用前景。
[0006] (3)国内包头钢铁公司于2013年申请"一种高强度热处理钢轨专用钢材"专利（申 请公布号CN 103014486 A)，该专利涉及一种高强度热处理钢轨专用钢材，其特征在于，其 化学成分按重量百分比包括：C :0. 70?0. 82%、Si :0. 13?0. 60%、Mn :0. 65?1. 25%、 P、 S < 0. 025%、和Al < 0. 007%，其余为铁及不可避免的杂质。其优点是：成分配比合理， 通过热处理，可使钢轨强度提高，能够满足印尼运煤专线及曲线钢轨的要求。
[0007] (4)国内包头钢铁公司于2013年申请"一种低合金中等强度钢轨专用钢材"专 利（CN103014506A)，该专利涉及一种低合金中等强度钢轨专用钢材，其特征是：钢材的成 分组成为：碳重量百分含量为0. 72?0. 82 %，娃重量百分含量为0. 35?I. OO %，猛重量 百分含量为〇. 80?1. 25%，络重量百分含量为0. 40?0. 70%，磷重量百分含量小于等于 0. 020%，硫重量百分含量小于等于0. 020%，铝重量百分含量小于等于0. 005%，其余为铁 及不可避免的杂质。其优点是：成分配比合理，合金元素含量低，相比一般热轧钢轨强度高、 硬度高，能够满足曲线和重载线路钢轨的使用要求。
[0008] (5)新日铁住金株式会社公司于2013年在国内申请"钢轨及其制造方法"专利（申 请公布号CN 102985574 A)，该专利提供一种钢轨，该钢轨以质量％计含有：C :大于0. 85且 为 1. 20% 以下、Si :0.05 ?2. 00%、Mn :0.05 ?0· 50%、Cr :0.05 ?0.60% K 0.0150%， 其余部分由Fe及不可避免的杂质构成，其中，由以头部拐角部及头顶部的表面作为起点到 深度IOmm的范围构成的头表部的97%以上为珠光体组织；所述珠光体组织的维氏硬度为 Hv320?500 ;所述珠光体组织中的渗碳体相的Mn浓度CMn[at. % ]除以铁素体的Mn浓度 FMn[at. % ]而算出的值CMn/FMn值为I. 0以上且5. 0以下。
[0009] (6)奥地利沃斯特-阿尔派因钢轨有限公司于93年申请"钢轨热处理方法"（专 利公开号CN1085258A)，该专利涉及在一种含合成冷却介质添加济的冷却介质中，从高于 720 °C的温度开始冷却，对钢轨，尤其轨头进行热处理的方法中，该处理通过在冷却介质中 浸渍到所浸部分取出后表面温度在450°C和550°C之间，而整个截面上不均温而进行以在 遵循最佳轨头冷却速度的情况下，防止轨腰变脆。
[0010] (7)新日本制铁株式会社公司于2012年申请"延展性优良的珠光体系高碳钢钢轨 及其制造方法"（申请公布号CN 102803536 A)，本发明涉及一种延展性优良的珠光体系高 碳钢钢轨，其以质量％计，含有C :超过0. 85%?1. 40%、Si :0. 10?2. 00%、Mn :0. 10? 2·00%、Ti:0·001?0·01%、V:0·005?0·20%以及N<0·0040%，剩余部分包括铁和不可 避免的杂质；Ti和V的含量满足下式（1)的范围，而且钢轨头部为珠光体组织。[V(质 量％ )]/[Ti(质量％ )] < 20。
[0011] (8)美国柏林顿北方铁道公司于1991年申请"高强度耐损伤钢轨及其制造方 法"（专利公开号CN 1063916A)。该专利提出一种高强度耐损伤钢轨的构成，该钢轨的组 分按重量百分比计算为 C : (0· 60 ?0· 85) %、Si : (0· 1 ?L 0) %、Mn : (0· 5 ?L 5) %、P : 在0.035%以下、S :在0.040以下、Al :在0.05%以下，其余为Fe及不可避免的夹杂。角部 2及头侧部3的硬度为HB341?HB405,头顶部的硬度为上述角部及头侧部硬度的90%以 下。利用本发明，可以抑制由于头部拉痕等造成的过大接触压力而产生的头顶部的损伤，可 延长钢轨的寿命。
[0012] (9)日本钢管株式会社于1986年申请"能够防止失稳断裂扩展的耐磨钢轨"（专利
【发明内容】
[0013] 本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、高耐磨和高抗接触疲劳性能钢轨的 生产工艺和方法。
[0014] 本发明的技术方案：
[0015] 本发明提供一种高强度耐疲劳性能优良钢轨，其化学成分以重量计包括：C 0· 76 % ?0· 86 % ;Si 0· 60 % ?L 00 % ;Mn 0· 70 % ?L 50 %，Cr 0· 10 % ?0· 50 %，且 0· 80%彡 Mn% +Cr%彡 L 60% ;V 0· 05%?0· 30%，Ni 0· 10%?0· 35%，且 0· 15%彡 V% +Ni %彡0. 40% ;Mo彡0. 03% ;P彡0. 020% ;S彡0. 015% ;余量为铁和不可避免的夹杂物； 所述钢轨金相组织为细珠光体+A，其中，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A < 2 %。
[0016] 进一步，所述钢轨成分还包括：0· 05% -0· 30% Ti 和 0· 005% -0· 10% Nb。
[0017] 优选的，A为先共析铁素体或先共析渗碳体，且A < 1%。
[0018] 所述钢轨的抗拉强度为1260MPa?1420MPa，轨头踏面硬度为390HB?432HB，轨 头表面下IOmm硬度为380HB?420HB，轨头表面下24mm硬度为370HB?401HB。
[0019] 本发明还提供了上述高强度耐疲劳性能优良钢轨的生产方法，包括以下工序：转 炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制-冷却-矫直，其中，控制轧制工序中终轧温度 为930°C?1000°C ;控制冷却工序中，初始冷却温度在780°C?880°C，终冷温度在300°C? 400°C，冷却速度为4. (TC?10. 0°C /秒。
[0020] 优选的，上述冷却方式为风冷、水雾冷却和水冷中的至少一种。
[0021] 本发明的有益效果：对比【背景技术】的相关报道，本发明第二相组织（如先共析铁 素体和先共析渗碳体）更少，同时在钢轨全断面内均为珠光体组织，尤其是在轨腰中不允 许出现回火态的马氏体和贝氏体组织，这样避免了钢轨服役过程中出现轨腰水平裂纹的风 险。此外，本发明还具有以下优点：
[0022] (1)钢轨生产工艺流程紧凑，操作更易于控制，与离线热处理工艺相比，取消了二 次加热工序，节约了能源和生产时间。
[0023] (2)采取以上工艺，轨头冷却更为均匀，轨头硬化层深度更深。
【附图说明】
[0024] 图1为钢轨踏面硬度测试位置的结构示意图，其中，L = 10mm，B = 24mm。钢轨踏面 硬度测试位置A0,测试时，需要将钢轨踏面磨掉0.50mm后，再进行表面布氏硬度测试；A1、 BI、Cl为距轨头表面IOmm硬度测试点，A2、B2、C2为距轨头表面24mm硬度测试点。
[0025] 图2为图1中A的局部放大示意图。
[0026] 图3为实施例1所得试样的典型金相组织，金相组织为珠光体+0. 8%微量先共析 铁素体。
【具体实施方式】
[0027] 本发明提供一种高强度耐疲劳性能优良钢轨，其重量成分包括：C 0.76 %? 0· 86% ;SiO. 60%?L 00% ;Mn 0· 70%?L 50%，Cr 0· 10%?0· 50%，且 0· 80%彡 Μη% +Cr%彡 I. 60