耐海洋环境腐蚀的钢轨的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种钢轨材料，具体涉及耐海洋环境腐蚀的钢轨。本发明解决的技术问题是提供耐海洋环境腐蚀的钢轨，采用如下热处理方法制备得到：将热轧后处于奥氏体相区的钢轨进行加速冷却，冷却速度为2～5℃/s，直到轨头踏面温度降至480℃以下时，停止加速冷却，空冷至室温，得到钢轨成品；所述钢轨成品的显微组织为由片状铁素体和其间交替分布的渗碳体组成的珠光体，珠光体片间距不超过120nm，钢轨成品的抗拉强度≥1200MPa，延伸率≥10％。本发明钢轨耐海洋环境腐蚀，在海洋环境中腐蚀速率低于同等条件下碳素及普通微合金化钢轨的1/2，适宜于沿海地区大运量、轴重高的重载铁路应用。
【专利说明】耐海洋环境腐蚀的钢轨
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢轨材料，具体涉及耐海洋环境腐蚀的钢轨。
【背景技术】
[0002] 钢轨作为引导列车运行并将载荷传递至道床的结构件，直接关系到铁路的运输效 率和行车安全。由于铁路长期暴露于自然环境中，因而铁路用钢不仅要满足各项力学性能 要求，还同时要具有一定的耐腐蚀性能。在钢轨服役过程中，不仅要承受各项复杂应力作 用，还将面临因长期腐蚀导致的失效问题。我国东南沿海铁路密集，行车密度大，通过总重 高，由于长期在海洋环境中服役，钢轨锈蚀严重，在确保所需力学性能的基础上适当提高钢 轨的耐腐蚀性能，使其至少满足一个大修周期的要求，避免因腐蚀问题提前更换下道将是 今后亟待解决的问题。
[0003] 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。前述两种方法的耐 腐蚀原理与本发明有本质不同，对于第三种方式，是目前国内外的重点研究方向。
[0004] 申请号为201010034200. 0的专利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，其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%、Μη :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%。该专利采用了在现有碳素钢轨钢的基础上添加 Cr、Cu等廉价耐腐蚀合 金元素的方式提高钢轨的耐腐蚀性能；同时，根据性能的需要添加 V、Nb、Ti等合金元素， 依据添加量不同在钢中发挥固溶或析出强化作用，最终提高钢轨的强韧性。研究表明，在 低碳或超低碳钢中添加 Cr、Cu、Ni等元素同时增加提高耐腐蚀性能显著的P元素含量，可 以在原有碳素钢的基础上显著提高耐大气及海洋环境性能，如我国早期研制的〇9CuPTiRE、 09CuPCrNi耐候钢等。对于如钢轨等高碳钢，添加 Cr、Cu、Ni元素对于组织、力学性能及耐 腐蚀性能的影响与低碳钢有类似之处，同时也存在明显不同。首先，Cr含量是目前钢轨钢普 遍采用的强化元素，提高Cr含量不仅对强韧性提高显著，同时也能够提高耐腐蚀性能；添 加0. 2 %?0. 65 %的Cu以及根据需要添加0. 1 %?0. 3 %的Ni能够略微提高钢轨的强硬度 指标而不损失韧塑性；对于耐腐蚀性能，如钢中P含量< 〇. 025%，其对提高钢轨耐腐蚀性 能的贡献有限。同时，Cu含量超过0. 5%以后，还将引起焊接性能特别是铝热焊冲击韧性的 恶化并增加铜脆的倾向性，不利于钢轨的服役安全。此外，该专利中碳含量上限为〇. 72%， 并且采用热轧态钢轨直接上道应用，钢轨强度级别较低，仅能满足高速及普通客货混匀铁 路需要，难以满足大轴重、大运量重载铁路运输需求。因此，亟需一种耐海洋环境腐蚀的热 处理钢轨满足铁路发展需要。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是提供耐海洋环境腐蚀的钢轨。
[0006] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨，采用如下热处理方法制备得到：将热轧后处于奥 氏体相区的钢轨进行加速冷却，冷却速度为2?5°C /s，直到轨头踏面温度降至480°C以下 时，停止加速冷却，空冷至室温，得到钢轨成品；所述钢轨成品的显微组织为由片状铁素体 和其间交替分布的渗碳体组成的珠光体，珠光体片间距不超过120nm，钢轨成品的抗拉强度 彡1200MPa，延伸率彡10%。
[0007] 其中，加速冷却可以通过对钢轨的轨头踏面及轨头两侧施加冷却介质来进行。
[0008] 进一步的，本发明的钢轨化学成分优选由以下重量百分比的元素组成：C: 0· 71 % ?0· 80 %、Si :0· 30 % ?0· 80 %、Μη:0· 80 % ?1. 20 %、Cr:0. 15 % ?0· 35 %、 V :0· 04% ?0· 12 %、Cu :0· 30 % ?0· 50 %、Ni :Cu 含量的 1/2、P :0· 03 % ?0· 05 %、S : < 0.020 %，余量为Fe和不可避免的杂质。更优选由以下重量百分比的元素组成：C: 0. 77 %, Si ：0. 80 %, Μη ：1. 12 %, Ρ ：0. 042 S ：0. 012 Cr ：0. 35 Cu ：0. 50 Ni ： 0. 25%、V :0. 09%，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0009] 本领域常用的冷却介质均适用于本发明，优选为介质为压缩空气、水雾混合气或 油气混合气。
[0010] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨的化学成分优选为含有〇. 30%?0. 50%的Cu、Cu 含量1/2的Ni以及0.03%?0.05%的P。
[0011] Cu含量优选控制在0.30 %?0.50 %。当钢中Cu含量<0.20%，作为钢中提高耐 腐蚀性能最重要的元素，无法发挥相应作用，进而达到本发明提高钢轨耐腐蚀性能的目的； 当钢中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在强氧化气氛中较长时间高温加热及保温时，由于Fe 的选择性氧化，在岗的表层氧化皮与基体界面将富集一层熔点低于ll〇〇°C的富Cu相，并沿 奥氏体晶界渗透，将使钢坯以及轧制后的钢轨产生表层裂纹或角裂；另一方面，通过焊接模 拟实验证实，Cu含量提高后将显著恶化钢轨的焊接性能特别是铝热焊的冲击韧性，不利于 钢轨接头的服役安全性。
[0012] Ni含量优选为Cu含量的1/2。在含Cu钢中添加 Ni，能够提高Cu在奥氏体中的溶 解度，在含Cu钢中加入一定量的Ni，能够防止Cu脆现象的发生，同时可进一步提高钢轨的 耐腐蚀性能，由于Ni为昂贵合金元素，适宜的含量为Cu含量的1/2,即Ni在钢中的作用除 提高耐腐蚀性能外，主要用于减轻Cu含量提高对钢轨部分性能的危害。
[0013] 对于钢中的P元素，则是耐腐蚀钢材中作用仅次于Cu的最重要的耐腐蚀元素，P在 钢中提高耐大气腐蚀方面有着特殊的作用，主要表现为P促使非晶态锈层的形成并改善锈 层结果，提高致密度及和钢表面的粘结性、增强与大气隔离方面有着独特的效应有关。钢中 适量的Cu和P同时添加到钢中，其复合耐腐蚀作用更加显著。因此，对于耐腐蚀钢中的P 含量，一般不宜超过〇. 10%。然而，P提高耐腐蚀性能的同时也带来了脆性增加、韧塑性特 别是冲击韧性降低的危害，在钢轨等高碳钢中十分明显。研究表明，既要发挥P对提高耐腐 蚀性能的有益作用，又要降低因脆性导致服役风险的增加，优选的P含量控制在0. 03%? 0. 05%为宜，如P含量低于0. 03%，钢轨在大气环境中的耐腐蚀性能无法有效提高；如P含 量高于0. 05%，钢轨脆性过大，无法满足服役要求。
[0014] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨可采用如下方法制备：采用转炉或电炉冶炼含所述 化学成分的钢水，经炉外精炼、真空脱气处理，连铸为大方坯后送入加热炉加热并保温，采 用孔型法或万能法轧制成单重50?75kg/m钢轨后进行热处理，可得耐海洋环境腐蚀的钢 轨。
[0015] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨，其显微组织为由片状铁素体和期间交替分布的渗 碳体组成的珠光体，片间距不超过120nm;具有良好的力学性能，抗拉强度> 1200MPa、延伸 率> 10% ;耐海洋环境腐蚀，在海洋环境中腐蚀速率低于同等条件下碳素及普通微合金化 钢轨的1/2,适宜于沿海地区大运量、轴重高的重载铁路应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施例1耐海洋环境腐蚀的钢轨的显微组织照片。
【具体实施方式】
[0017] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨，采用如下热处理方法制备得到：将热轧后处于奥 氏体相区的钢轨进行加速冷却，冷却速度为2?5°C /s，直到轨头踏面温度降至480°C以下 时，停止加速冷却，空冷至室温，得到钢轨成品；所述钢轨成品的显微组织为由片状铁素体 和其间交替分布的渗碳体组成的珠光体，珠光体片间距不超过120nm，钢轨成品的抗拉强度 彡1200MPa，延伸率彡10%。
[0018] 其中，加速冷却可以通过对钢轨的轨头踏面及轨头两侧施加冷却介质来进行。
[0019] 进一步的，本发明的钢轨化学成分优选由以下重量百分比的元素组成：C: 0· 71 % ?0· 80 %、Si :0· 30 % ?0· 80 %、Μη:0· 80 % ?1. 20 %、Cr:0. 15 % ?0· 35 %、 V :0· 04% ?0· 12 %、Cu :0· 30 % ?0· 50 %、Ni :Cu 含量的 1/2、P :0· 03 % ?0· 05 %、S : < 0.020 %，余量为Fe和不可避免的杂质。更优选由以下重量百分比的元素组成：C: 0. 77 %, Si ：0. 80 %, Μη ：1. 12 %, Ρ ：0. 042 S ：0. 012 Cr ：0. 35 Cu ：0. 50 Ni ： 0. 25%、V :0. 09%，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0020] 本领域常用的冷却介质均适用于本发明，优选为介质为压缩空气、水雾混合气或 油气混合气。
[0021] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨的化学成分优选为含有0. 30%?0. 50%的Cu、Cu 含量1/2的Ni以及0.03%?0.05%的P。
[0022] Cu含量优选控制在0.30 %?0.50 %。当钢中Cu含量<0.20%，作为钢中提高耐 腐蚀性能最重要的元素，无法发挥相应作用，进而达到本发明提高钢轨耐腐蚀性能的目的； 当钢中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在强氧化气氛中较长时间高温加热及保温时，由于Fe 的选择性氧化，在岗的表层氧化皮与基体界面将富集一层熔点低于ll〇〇°C的富Cu相，并沿 奥氏体晶界渗透，将使钢坯以及轧制后的钢轨产生表层裂纹或角裂；另一方面，通过焊接模 拟实验证实，Cu含量提高后将显著恶化钢轨的焊接性能特别是铝热焊的冲击韧性，不利于 钢轨接头的服役安全性。
[0023] Ni含量优选为Cu含量的1/2。在含Cu钢中添加 Ni，能够提高Cu在奥氏体中的溶 解度，在含Cu钢中加入一定量的Ni，能够防止Cu脆现象的发生，同时可进一步提高钢轨的 耐腐蚀性能，由于Ni为昂贵合金元素，适宜的含量为Cu含量的1/2,即Ni在钢中的作用除 提高耐腐蚀性能外，主要用于减轻Cu含量提高对钢轨部分性能的危害。
[0024] 对于钢中的P元素，则是耐腐蚀钢材中作用仅次于Cu的最重要的耐腐蚀元素，P在 钢中提高耐大气腐蚀方面有着特殊的作用，主要表现为P促使非晶态锈层的形成并改善锈 层结果，提高致密度及和钢表面的粘结性、增强与大气隔离方面有着独特的效应有关。钢中 适量的Cu和P同时添加到钢中，其复合耐腐蚀作用更加显著。因此，对于耐腐蚀钢中的P 含量，一般不宜超过〇. 10%。然而，P提高耐腐蚀性能的同时也带来了脆性增加、韧塑性特 别是冲击韧性降低的危害，在钢轨等高碳钢中十分明显。研究表明，既要发挥P对提高耐腐 蚀性能的有益作用，又要降低因脆性导致服役风险的增加，优选的P含量控制在0. 03%? 0. 05%为宜，如P含量低于0. 03%，钢轨在大气环境中的耐腐蚀性能无法有效提高；如P含 量高于0. 05 %，钢轨脆性过大，无法满足服役要求。
[0025] 本发明耐海洋环境腐蚀的钢轨可采用如下方法制备：采用转炉或电炉冶炼含所述 化学成分的钢水，经炉外精炼、真空脱气处理，连铸为大方坯后送入加热炉加热并保温，采 用孔型法或万能法轧制成单重50?75kg/m钢轨后进行热处理，可得耐海洋环境腐蚀的钢 轨。
[0026] 下面结合实施例对本发明的【具体实施方式】做进一步的描述，并不因此将本发明限 制在所述的实施例范围之中。
[0027] 实施例1
[0028] 耐海洋环境腐蚀的钢轨，其化学成分为C :0. 71 %、Si :0. 69 %、Μη:0. 92 %、 Cr:0. 20%、V :0· 08、Cu :0· 38%、Ni :0· 20%、P :0· 030%、S :彡 0· 015%，余量为 Fe 和不可 避免的杂质。
[0029] 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 坯后送入加热炉加热并保温，采用孔型法或万能法轧制成单重50?75kg/m钢轨，利用钢轨 余热，分别对钢轨的轨头踏面及轨头两侧施加2. 8°C /s的冷却介质，当轨头踏面温度降至 465 °C时停止加速冷却并空冷至室温。
[0030] 将上述方法制备的钢轨进行显微组织、珠光体片层间距、常温拉伸性能及周期浸 润加速腐蚀试验测试，
[0031] 其中，周期浸润加速腐蚀试验条件如下：
[0032] ①温度：45±2°C;
[0033] ②湿度：70±5%RH;
[0034] ③每一个循环周期60±3min，其中，浸润时间12±1. 5min ;
[0035] ④循环次数：100次；
[0036] ⑤烘烤后试样表面最高温度：70±10°C ;
[0037] ⑥溶液：质量分数为2 %的NaCl溶液。
[0038] 试验结束后，取出试样，流动水冲洗并自然过夜干燥后，称重。
[0039] 根据GB/T16545-1996对试样表面的腐蚀产物进行清除。根据公式reOT = m/ (AXt)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，每种工艺下每组成分试样3片，计算平均腐蚀速率。其性能见表3。
[0040] 实施例2?实施例6
[0041] 改变实施例1中的钢的化学成分及其热处理过程参数，进行实施例2?实施例6。
[0042] 表1列出了实施例1?6的钢坯的化学成分，表2列出了实施例1?6的热处理 过程控制参数（包括加速冷却速率和终冷温度），表3列出了实施例1?6的性能测试结果 (包括显微组织、珠光体片间距、抗拉强度Rm、延伸率A与腐蚀速率）。
[0043] 对比例1?对比例6
[0044] 采用现有技术的钢轨化学成分进行热处理，其化学成分见表1，其中，对比例1和2 为已有专利201010034200. 0公开的化学成分，对比例3和4为添加 Cr、Ni、Cu、V，未提高P 含量的复合微合金化成分，对比例5为我国铁标中U75V热处理钢轨、对比例6为我国铁标 中U71Mn热处理钢轨。
[0045] 采用本发明的热处理方法处理对比例1?对比例6所述化学成分的钢轨，表2列 出了对比例1?对比例6的热处理过程参数（包括加速冷却速率和终冷温度）。然后按照 实施例1中的方法进行性能测试，其结果见表3。
[0046] 表1本发明实施例及对比例钢轨的化学成分
[0047]
【权利要求】
1. 耐海洋环境腐蚀的钢轨，其特征在于采用如下热处理方法制备得到：将热轧后处于 奥氏体相区的钢轨进行加速冷却，冷却速度为2?5°C /s，直到轨头踏面温度降至480°C以 下时，停止加速冷却，空冷至室温，得到钢轨成品； 所述钢轨成品的显微组织为由片状铁素体和其间交替分布的渗碳体组成的珠光体，珠 光体片间距不超过120nm，钢轨成品的抗拉强度彡1200MPa，延伸率彡10%。
2. 根据权利要求1所述的耐海洋环境腐蚀的钢轨，其特征在于：通过对钢轨的轨头踏 面及轨头两侧施加冷却介质来进行加速冷却。
3. 根据权利要求1所述的耐海洋环境腐蚀的钢轨，其特征在于，其化学成分由以下重 量百分比的元素组成：(：：0.71%?0.80%、51 :0.30%?0.80%、]\111:0.80%?1.20%、 Cr:0. 15% ?0· 35%、V :0· 04% ?0· 12%、Cu :0· 30% ?0· 50%、Ni :Cu 含量的 1/2、P : 0. 03%?0. 05%、S :彡0. 020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4. 根据权利要求2所述的耐海洋环境腐蚀的钢轨，其特征在于：所述冷却介质为压缩 空气、水雾混合气或油气混合气。
【文档编号】C22C38/46GK104060065SQ201410333429
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】韩振宇, 邹明, 郭华, 李大东, 贾济海, 邓勇, 王春建, 袁俊, 陈崇木 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司