一种道岔轨及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及铁路领域，公开了一种道岔轨及其制备方法，该方法采用的钢坯含有C：0.2?0.3wt％，Si：1.2?1.8wt％，Mn：1.8?2.5wt％，Cr：1.3?1.6wt％和Fe，其中，Mn和Cr的总含量为3.2?3.7wt％，结合特定的加速冷却工艺，制备出具有优良强韧性能的道岔轨。在优选实施方式中，本发明的道岔轨中含有少量(0.01wt％以下)或不含Mo、Ni、V和Nb等贵重合金元素，制备成本低。
【专利说明】
-种道岔轨及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及铁路领域，具体地，设及一种道岔轨及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铁路的跨越式发展对钢轨的服役性能提出了更高要求，传统珠光体钢轨历经多年 发展已日臻完善，线路服役表明，珠光体钢轨具有优异的耐磨损性能，但是耐接触疲劳性能 相对不足，特别是随着我国铁路运量及运输密度的逐年增加，钢轨疲劳伤损已逐步成为影 响钢轨服役寿命的首要因素。研究表明，将贝氏体组织应用于钢轨领域可有效解决钢轨的 疲劳伤损问题。自上世纪90年代W来，我国在贝氏体钢轨领域开展了深入研究并取得了丰 硕的研究成果。然而，相比于珠光体钢轨，贝氏体钢轨在成本与经济性方面则存在明显差 距。普通珠光体钢轨通常采用碳含量0.65-0.95重量％的高碳含量设计，辅W适量的Si、Mn 元素，并根据需要选择是否在钢中添加少量的&、V、Nb等元素，合金化成本较低，具备大规 模推广应用的基础。相比之下，贝氏体钢轨中合金元素含量特别是Mo、Ni、V、Nb等贵重合金 元素含量明显较高，W达到在社后空冷的条件下获得W细化的贝氏体组织为主的目的，由 于价格昂贵，限制了运种具有优良性能钢轨的推广应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术制备贝氏体道岔轨成本高和性能差的缺陷，提供一 种道岔轨及其制备方法。
[0004] 本发明的发明人在研究中发现，采用适当的控制冷却工艺，凭借强烈的细晶强化 效应，不仅能大幅提高道岔轨的强初综合性能，还能在获得同等性能的条件下大幅降低钢 中合金元素，特别是Mo、Ni、V、Nb等贵重合金元素的含量，即利用道岔轨的社制余热，通过精 确的控制冷却工艺，能够达到甚至超过贵重合金元素发挥的作用。
[0005] 由此，本发明提供了一种制备道岔轨的方法，其中，该方法包括W下步骤：
[0006] (1)热社含有C:0.2-0.3wt%，Si :1.2-1.8wt%，Mn:1.8-2.5wt%，Cr:1.3-1.6wt% 和化的钢巧而形成道岔轨并进行自然冷却，其中，Mn和化的总含量为3.2-3.7wt% ;
[0007] (2)当所述道岔轨的轨头表层溫度降至800°C时，分别对道岔轨的轨头踏面中屯、和 轨头两侧施加冷却介质使道岔轨Wl〇-20°C/s的冷却速度进行第一阶段加速冷却；
[000引（3)当轨头踏面中屯、溫度降至400-420°C时，同时对道岔轨的轨头和轨底施加冷却 介质使道岔轨W5-8°C/s的冷却速度进行第二阶段加速冷却，在所述第二阶段加速冷却的 过程中，所述道岔轨的长腿侧轨头侧面的冷却速度高于短腿侧轨头侧面的冷却速度1-2°C/ S；
[0009] (4)当轨头踏面中屯、溫度降至200-240°C时，停止第二阶段加速冷却并将道岔轨空 冷至室溫。
[0010] 本发明还提供了由所述方法制备的道岔轨。
[0011 ]本发明通过控制合金元素的含量和冷却工艺制备出具有较高综合性能的道岔轨， 所述道岔轨的主要合金元素为C、Si、Mn和化，按照本发明的一种优选的实施方式，所述钢轨 中不含Mo、Ni、V、Nb等贵重合金元素，制备成本低。并且，本发明所述方法制备的道岔轨W细 化贝氏体为主，同时包含少量马氏体及残余奥氏体的复相组织，轨头全断面硬度分布均匀， 适宜于切锐加工后作为重载铁路道岔应用。所述"少量"是相对于道岔轨中细化贝氏体的含 量而言。
[0012] 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W详细说明。
【具体实施方式】
[0013] W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。
[0014] 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，运些范围或 值应当理解为包含接近运些范围或值的值。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，W及单独的点值之间可W彼此组合而得到一个或多个 新的数值范围，运些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0015] 本发明提供了一种道岔轨的制备方法，其中，该方法可W包括W下步骤：
[0016] (1)热社含有C:0.2-0.3wt%，Si :1.2-1.8wt%，Mn:1.8-2.5wt%，Cr:1.3-1.6wt% 和化的钢巧而形成道岔轨并进行自然冷却，其中，Mn和化的总含量为3.2-3.7wt% ;
[0017] (2)当所述道岔轨的轨头表层溫度降至80(TC时，分别对道岔轨的轨头踏面中屯、和 轨头两侧施加冷却介质使道岔轨Wl〇-20°C/s的冷却速度进行第一阶段加速冷却；
[0018] (3)当轨头踏面中屯、溫度降至400-420°C时，同时对道岔轨的轨头和轨底施加冷却 介质使道岔轨W5-8°C/s的冷却速度进行第二阶段加速冷却，在所述第二阶段加速冷却的 过程中，所述道岔轨的长腿侧轨头侧面的冷却速度高于短腿侧轨头侧面的冷却速度1-2°C/ S；
[0019] (4)当轨头踏面中屯、溫度降至200-240°C时，停止第二阶段加速冷却并将道岔轨空 冷至室溫。
[0020] W下详述钢巧中主要合金元素含量限定在上述范围的原因：
[0021] 碳(C)是获得所需的强硬度和综合力学性能最重要的元素。当碳含量低于0.2wt% 时，无法充分发挥强化效应，导致道岔轨强硬度过低，进而无法保证道岔轨的耐磨损性能； 当碳含量高于〇.3wt%时，采用加速冷却工艺后，道岔轨的强度指标过高而初塑性过低，不 利于道岔轨的服役安全性。因此，碳含量限定在0.2-0.3wt %。
[0022] 娃(Si)作为钢中的主要添加元素通常W固溶形式存在于铁素体中，能够提高组织 强度。当娃含量低于时，无法有效抑制钢中粗大、呈不连续分布的碳化物析出，无法 获得无碳化物贝氏体钢；当娃含量高于1.8wt %时，对道岔轨的组织与性能无显著提高，同 时增加道岔轨表面产生缺陷的几率。因此，娃含量限定在1.2-1.8wt%。
[0023] 儘(Mn)能够显著降低贝氏体组织开始转变溫度，增加碳化物的硬度，特别是本发 明中在不添加 Mo的条件下，Mn将作为主要合金元素添加到钢中。当儘含量低于1.8wt %时， 对贝氏体钢的积极作用难W达到；当儘含量高于2.5wt%时，道岔轨的疲劳性能显著降低； 同时，钢的偏析程度大幅增加，在后续冷却条件下易形成马氏体组织，不利于道岔轨的服役 安全性。因此，儘含量限定在1.8-2.5wt %。
[0024] 铭(Cr)能够促进C曲线右移并增加道岔轨的泽透性，同样是贝氏体道岔轨中的重 要添加元素。在钢巧中不添加 Mo的条件下，铭同时起到压低贝氏体转变溫度W及提高道岔 轨耐磨损性能的目的。当铭含量低于1.3wt%时，其在道岔轨中的作用难W充分体现；当铭 含量高于1.6wt%时，有利于钢中的碳形成复杂碳化物，虽然有益于磨损性能的提高，但同 时会恶化道岔轨的初塑性。因此，铭含量限定在1.3-1.6wt%。
[0025] 为确保本发明所述道岔轨获得优良的服役性能，Mn和Cr的总含量需满足3.2- 3.7wt%。原因是即使采用社后加速冷却工艺，为确保连续冷却过程中获得尽可能多且细化 的贝氏体组织，仍需保证道岔轨中Mn和化元素含量在一定范围内。当Mn和化的总含量低于 3.2wt%时，即使采用快速冷却，也无法完全抑制钢中先共析铁素体析出，无法达到本发明 的目的；当Mn和Cr的总含量高于3.7wt%时，在冷却过程中，将在铁素体基体上析出大量碳 化物，同时将产生较为严重的偏析，同样无法达到本发明的目的。因此，Mn和Cr的总含量需 满足 3.2-3.7wt%。
[0026] 根据本发明，本发明的发明人发现，当将所述钢巧的成分含量控制在上述组成范 围内，并结合本发明的所述方法中的冷却工艺可W获得强初综合性能优良且成本较低的道 岔轨。其中，优选地，（W所述钢巧的总重量为基准)所述钢巧中可W含有C: 0.28-0.3wt %， Si : 1.5-1.6wt %，Mn: 2.15-2.4wt %，Cr: 1.4-1.5wt %，Mn和Cr的总含量为3.6-3.7wt %。
[0027] 根据本发明，所述钢巧中还可W还有P和SdP的含量可W为0.011-0.014wt%，S的 含量可W为0.002-0.004巧*%。所述钢巧中的主要成分是。6，所述。6的含量可^为94- 95wt% 〇
[00%]根据本发明，所述钢巧中的贵重合金元素的总含量在0.01wt%W下，所述贵重合 金元素包括Mo、Ni、V和Nb。优选情况下，所述钢巧中不含贵重合金元素。
[0029] 根据本发明，上述组成的钢巧可W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，连铸为大方巧，然后将该大方巧 送入加热炉中加热保溫，便可获得本发明所述钢巧，具体的过程在此不再寶述。
[0030] 根据本发明，对所述热社的方式没有特别的限定，可W为本领域常规的热社方式， 例如可W采用孔型法或万能法将所述钢巧热社得到道岔轨，即可进行随后的冷却过程，对 所述热社的条件并没有特别的限定，可W为本领域的常规条件。
[0031] 根据本发明，所述热社后，利用道岔轨的热社余热，通过自然冷却的方式，将道岔 轨的轨头表层溫度降至800°C，然后再进行第一阶段加速冷却。
[0032] 为了获得性能优良的贝氏体道岔轨，不仅要获得贝氏体组织，而且还需要获得尽 可能细化的贝氏体组织(例如细化的贝氏体铁素体板条），运样才能确保获得优良的综合性 能的道岔轨，运不仅对钢巧的成分有一定要求，而且还需要严格控制加速冷却工艺。
[0033] 根据本发明，第一阶段加速冷却的冷却速度为10-20°C/s，通过控制该冷却速度可 能能够在连续降溫过程中快速通过铁素体-珠光体转变区域并抑制先共析铁素体的析出。 优选地，第一阶段加速冷却的冷却速度为12-15°C/s，进一步优选为14-15°C/s。
[0034] 根据本发明，当轨头踏面中屯、溫度降至400-420°C时，同时对所述道岔轨的轨头和 轨底进行第二阶段加速冷却。优选情况下，步骤(3)中，当轨头踏面中屯、溫度降至415-419°C 时，同时对所述道岔轨的轨头和轨底进行第二阶段加速冷却。同时对所述道岔轨的轨头和 轨底施加冷却介质的目的是避免轨头因冷却过快而使钢轨弯曲，无法满足平直度要求。
[0035] 按照本发明的一种优选实施方式，所述第二阶段加速冷却的冷却速度为7-7.5°C/ S，W获得综合性能更优的钢轨。
[0036] 根据本发明，对所述第一阶段加速冷却和第二阶段加速冷却的冷却介质的选择没 有特别的限定，只要能够获得本发明所需的效果即可，优选地，所述第一阶段加速冷却的冷 却介质为水雾混合物，所述第二阶段加速冷却的冷却介质为压缩空气。
[0037] 根据本发明，当轨头踏面中屯、溫度降至200-240°C时，优选为220-230°C时，停止第 二阶段加速冷却并空冷至室溫。
[0038] 本发明还提供了由上述方法制备的道岔轨。所述道岔轨具有优良的拉伸性能、常 溫冲击性能和轨头踏面硬度，并且磨损失重量小；同时，道岔轨中含少量(〇.〇lwt%W下)或 不含贵重合金元素 Mo、Ni、V和Nb，成本低。
[0039] W下将通过实施例对本发明进行详细描述。W下实施例中，"室溫"是指"25°C"。
[0040] W下实施例所采用的钢巧含有的化学成分如表1中所示，对比例所采用的钢巧含 有的化学成分如表2中所示，其中，除了表1和表2中的元素 W外，余量为Fe和不可避免的杂 质：
[0041] 表 1
[0042]
[0043] 表 2
[0044]
[0045] 实施例1-6
[0046] 将表1中的1#至6#钢巧在1200°C的条件下热社成60AT1道岔轨，按照表3对应编号 所示的加速冷却工艺分别对表1中的1#至6#钢巧热社成的60AT1道岔轨进行加速冷却，然后 空冷至室溫，得到道岔轨A1至A6。
[0047] 表 3 [004引
[0049] 对比例1-6
[(K)加]将表2中的1#至6#钢巧在1200°C的条件下热社成60AT1道岔轨，直接空冷至室溫， 得到道岔轨D1至D6。
[00引]测试例1
[0052] 根据W下方法对实施例1-6和对比例1-6制备的道岔轨A1-A6和D1-D6进行性能检 巧。，具体地：
[0053] 按GB/T228.1-2010《金属材料室溫拉伸试验方法》测定道岔轨的拉伸性能，测得的 Rm(抗拉强度）、A% (伸长率），结果如表4所示；
[0054] 按现行技术中的方法测定道岔轨的冲击性能和硬度，结果如表4所示；
[0055] 在MM200型磨损试验机上进行磨损实验W测定磨损平均失重量，样品取自道岔轨 A1-A6和D1-D6的轨头的上试样，在所有磨损试验中，下磨样材质均相同，具体试验参数如 下：
[0化6] 试样尺寸：厚度10mm、直径36mm圆样;试验载荷：150kg;滑差：10% ;对磨下试样材 质:硬度为280-310皿的U75V热社钢轨，硬度与火车车轮硬度相当；旋转速率:200转/分钟； 总磨损次数:10万次；
[0057]磨损失重量按下式计算：磨损失重量=磨损前样品的重量一磨损后样品的重量。 结果如表4所示。
[0化引 表4 [0化9]
[0060] 由上述实施例和对比例的结果比较可知，依托社制余热W及社后分步加速冷却技 术，尽管采用本发明所述方法制备的道岔轨中仅含有适量的(：、51、111、(>等常规廉价元素， 但道岔轨强初综合性能指标已达到甚至超过了添加 Ni、Mo等贵重合金元素的贝氏体道岔 轨。因此，在获得相近性能的前提下，本发明大幅降低贵重合金元素含量，从而降低了制备 成本，并且产品具有优良的强初综合性能，可应用于重载铁路及线路条件复杂路段。
[0061] W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W对本发明的技术方案进行多种简单变型，运 些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0062] 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W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。
[0063] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可W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。
【主权项】
1. 一种制备道岔轨的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1) 热乳含有(：：0.2-0.3￥七％，51:1.2-1.8￥七％，]\111:1.8-2.5￥七％，〇 :1.3-1.6￥七％和卩6 的钢坯而形成道岔轨并进行自然冷却，其中，Μη和Cr的总含量为3.2-3.7wt% ; (2) 当所述道岔轨的轨头表层温度降至800°C时，分别对道岔轨的轨头踏面中心和轨头 两侧施加冷却介质使道岔轨以10-20°C/s的冷却速度进行第一阶段加速冷却； (3) 当轨头踏面中心温度降至400-420°C时，同时对道岔轨的轨头和轨底施加冷却介质 使道岔轨以5_8°C/s的冷却速度进行第二阶段加速冷却，在第二阶段加速冷却的过程中，所 述道岔轨的长腿侧轨头侧面的冷却速度高于短腿侧轨头侧面的冷却速度l-2°C/s; (4) 当轨头踏面中心温度降至200-240°C时，停止第二阶段加速冷却并将道岔轨空冷至 室温。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢坯中含有(：：0.28-0.3"％，31:1.5-1.6wt%，Mn:2.15-2.4wt%，Cr:1.4-1.5wt%，Mn和Cr的总含量为3.6-3.7wt%。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述钢坯中的贵重合金元素的总含量在 O.Olwt%以下，所述贵重合金元素包括Mo、Ni、V和Nb。4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述钢坯中不含贵重合金元素。5. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一阶段加速冷却的冷却介质为水雾混 合物，第二阶段加速冷却的冷却介质为压缩空气。6. 由权利要求1-5中任意一项所述的方法制备的道岔轨。
【文档编号】C22C38/18GK106048175SQ201610543903
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】韩振宇, 邹明, 郭华, 汪渊, 邓勇, 袁俊
【申请人】攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司