一种过共析钢轨及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种过共析钢轨及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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%~L 1%、Μη :0· 7 ~I. 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、 1〇，其中他：0.01%~0.055%、￥:0.05%~0.10%、11:0.001%~0.05% ;附：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IlOOMPa左右，腐蚀率在2g/m 2 · 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】
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] 将保温处理后的钢坯进行乳制得到钢轨，待轨头表层温度自然冷却至750-850°C 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°C，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°C，其中，
[0006] 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 Μη、(λ 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％。
[0007] 本发明还提供了由上述方法制得的过共析钢轨。
[0008] 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，例如在〇. 〇5mol/L的似批03溶 液中的腐蚀速率为I. 48g/m2 *h以下，在2重量％的NaCl溶液中的腐蚀速率为lg/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。
[0009] 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】
[0010] 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。
[0011] 本发明提供一种过共析钢轨的制备方法，该方法包括：
[0012] 将保温处理后的钢坯进行乳制得到钢轨，待轨头表层温度自然冷却至750-850°C 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°C，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°C，其中，
[0013] 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 Μη、(λ 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％。
[0014] 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％。
[0015] 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， 或者所述钢坯含有〇. 02-0. 06重量％的Nb，或者所述钢坯含有0. 01-0. 05重量％重量％的 Re0
[0016] 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。
[0017] 根据本发明，所述保温处理可以将钢坯加热至适于乳制的温度，例如可以通过保 温处理将钢坯加热至1200-1300°C，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°C，时间为2-4h。
[0018] 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乳制得到钢轨， 即可进行随后的冷却过程，对所述乳制的条件并没有特别的限定，只要能够获得所需钢轨 即可，例如将钢坯乳制成单重为60-75kg/m的钢轨。
[0019] 根据本发明，上述乳制后，钢轨的温度有所降低，例如当采用温度为1200-1300°c 的保温处理后的钢坯进行乳制后，可以获得轨头表层温度为900-1000°C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°C，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°C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°C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°C -850°C，优选降至 780-850 °C，更优选至 800-840 °C。
[0020] 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°C /s的冷却速度 使得轨头表层温度降至350-550°C的过程，其中，当这里的冷却速度高于5°C /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°C /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 更尚性能。
[0021] 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。
[0022] 根据本发明，所述第一冷却阶段将轨头表层温度降至350-550°C，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°C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°C时，此 前轨头全断面相变已完