一种贝氏体热处理钢轨及其热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种可以提高钢轨韧塑性的贝氏体热处理钢轨及其热处理方法。化学成分按重量百分比如下：C：0.10％-0.40％，Si：0.80％-2.00％，Mn：0.80％-2.60％，Cr：0.1-2.00％，Nb：0.005％-0.100％，V：0.01％-0.26％，Ti：0.001％-0.070％，W：0.01-0.70％，余量为Fe和不可避免的杂质。热处理方法采用在线热处理，钢轨轧制成形以后，当钢轨轨头温度冷至700-890℃温度范围时，以0.4-8℃/s的冷速对轨头实施加速冷却，冷至200℃时停止加速冷却，然后空冷至室温；或采用离线热处理，进行全断面奥氏体化或轨头奥氏体化，奥氏体化温度在880-930℃之间，冷至700-890℃温度范围时，对钢轨实施加速冷却，冷速为0.4-8℃/s，冷至200℃时停止加速冷却，然后空冷至室温。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁路钢轨，特别涉及一种含贝氏体组织的钢轨及其热处理方法。
技术介绍
为了满足钢轨使用性能，普遍采用耐磨性较好的珠光体钢轨，并在珠光体钢轨的基础上开发了轨头欠速淬火钢轨，提高钢轨硬度，进一步提高钢轨耐磨性能。随着铁路运输的高速重载化，珠光体钢轨耐滚动接触疲劳(即剥离掉块)性能较差的特点显现出来，于是开发了既耐磨又耐滚动接触疲劳的贝氏体钢轨。为了追求贝氏体钢轨更高的强韧性或性价比，也需要进行轨头欠速淬火处理。目前钢轨轨头欠速淬火技术分离线和在线处理两种，离线处理一般是通过感应加热的方法将轨头组织奥氏体化，轨腰不需要奥氏体化，紧接着利用冷却介质使轨头快速冷却。如专利技术专利CN88105864. 5所述将一根轧制成型的处于室温状态的钢轨用工频感应装置对其进行预热，预热到500-550°C，再用中频感应装置对其头部加热到奥氏体区以上温度区域850-950°C。这种方法加热时会产生一定范围的低于奥氏体化温度的热影响区，但由于珠光体组织的稳定性较好，与热轧钢轨相比，珠光体钢轨热影响区的韧塑性还可以维持在热轧钢轨的水平。对于无碳化物贝氏体钢轨来说，由于热轧空冷过程中即转变为贝氏体组织，因此钢轨的整体强度和韧性高于珠光体钢轨，虽然钢轨辊矫以后矫直残余应力比珠光体钢轨高，但是贝氏体钢轨的韧性要优于珠光体钢轨，这样就避免的偏高的矫直残余应力的不利影响。对热处理贝氏体钢轨来说，如果按珠光体钢轨的热处理加热方式进行钢轨热处理，即只对钢轨轨头进行奥氏体化，此时热影响区的温度低于奥氏体化温度，处于高温回火温度区间时，贝氏体组织中会进一步析出细小的碳化物，这样伴随着热影响区硬度下降的同时， 韧性也会发生显著的下降，这是我们需要避免的。为了提高贝氏体钢轨的强韧性，在进行合金成分设计时，一般首选Mo或M等贵重兀素° 文献(The Development of Bainitic Steel forSpecial Railway System Requirements, 39 MWSP CONF PR0C，ISS，V0L XXXV，1998-1015)介绍其开发的贝氏体钢轨的耐磨性是普通碳素珠光体钢轨的8倍，但其优选的化学成分中Mo含量高达0. 8%，由于成本的压力，其在铁路上应用的难度是很大的。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，针对贝氏体钢轨的特点，本专利技术采用一种可以提高钢轨韧塑性的贝氏体热处理钢轨及其热处理方法。本专利技术的主要内容如下钢轨采用复合微合金化同时加入W等合金成本低的元素的合金设计方案，提高钢轨的耐回火稳定性，化学成分按重量百分比如下:C :0. 10% -0. 40%, Si :0. 80% -2. 00%, Mn :0. 80 % -2. 60 %, Cr :0. 1-2. 00 %, Nb :0. 005 % -0. 100 %, V 0. 01 % -0. 26 %, Ti 0. 001% -0. 070%, W 0. 01-0. 70%，余量为Fe和不可避免的杂质。合金元素的作用碳低碳贝氏体具有良好的韧性及可焊性，碳含量过低(< 0. 10% )则无法满足钢轨耐磨的要求；碳含量过高时，不利于α相即贝氏铁素体的形核和长大，α相的形核必须在低碳区，α的长大必须以碳从α/γ相界面的奥氏体侧扩散开去为先决条件，因此碳含量不能高于0.40%。硅特别强烈地阻止贝氏体转变时碳化物的形成，促使尚未转变的奥氏体富集碳。 形成无碳化物贝氏体，提高贝氏体钢的韧性。硅含量低(<0.80%)无法发挥抑制碳化物形成的作用，硅含量过高(>2.00%)则残余奥氏体含量过高，致使钢的强度下降，所以硅含量应控制在0. 80% -2. 00%范围内。锰和铬锰和铬的作用相似，降低贝氏体形成的开始温度Bs，是能够增大钢过冷能力的元素，以进一步保证空冷时足以在较低的温度发生贝氏体转变。锰、铬含量低于下限时，发挥不了上述作用；锰元素含量过高(> 2. 60% )，加剧其在钢中的偏析，在偏析严重的部位容易析出马氏体，马氏体会使钢的韧性急剧降低；铬含量过高时除了产生马氏体，还容易导致铬的碳化物的析出，降低钢的韧性。强碳化物形成元素W、Nb、V、Ti 会使铁素体珠光体转变的孕育期变长，而贝氏体转变的孕育期变短，空冷时比较容易得到贝氏体组织，从而使钢在贝氏体转变发生之前，没有或者只有少量的先共析铁素体析出，而不发生珠光体转变。钨钨能使铁素体和珠光体开始析出线明显右移，但并不推迟贝氏体转变，使过冷奥氏体得以直接向贝氏体转变，在此转变发生之前没有或者只有少量的先共析铁素体析出，而不发生珠光体转变。钛、铌、钒复合加入含这些元素的钢在高温加热时奥氏体粗化温度被提高，另一个更为重要的作用是这些元素的碳化物使奥氏体的再结晶过程延迟，因此使轧制过程中能够获得细晶组织。钛可以细化轧制和加热时奥氏体晶粒，并增加贝氏体组织的韧性和刚度，因为在钢熔化和凝固时析出的碳氮化钛在钢轨重新加热进行轧制时保持在未熔融状态。然而，当钛含量小于0. 001%时，这种效果就很小。另一方面，当钛添加超过0. 070%时就形成粗状碳氮化钛，后者就成为运行中疲劳损伤的起始点，从而导致产生裂纹。钒通过析出硬化热轧后冷却过程中形成的碳氮化钒而增加强度，通过在钢高温轧制时阻止晶粒的生长来细化奥氏体晶粒，并改善贝氏体组织的强度和刚度。但是，当钒含量小于0. 01%时，这种效果就不足。另一方面，当钒添加量超过0.时也不会增加上述效果。铌同钒一样，通过形成碳氮化铌细化奥氏体晶粒。铌比钒能在更高温度区域阻止奥氏体晶粒长大(接近1200°C)。铌还改善贝氏体组织的刚度。但是，当铌含量小于 0. 005 %时无法达到这些效果，而当铌添加量超过0. 100 %时由于形成金属化合物和粗状铌析出物而使韧性降低。所以，铌含量要限制在0. 005% 0. 100%之间。贝氏体钢轨的生产工艺是转炉冶炼(LD)—炉外精炼(LF)—真空脱气(VD)—方坯连铸O80mmX380mm)—连铸坯步进式加热炉加热一1150mm、IlOOmm开坯机开坯一万能法轧制钢轨。在线热处理贝氏体钢轨的生产方式是钢轨轧制成形以后，当钢轨轨头温度冷至 700-890°C温度范围时，以0. 40C /s_8°C /s的冷速对轨头实施加速冷却，冷至200°C时停止加速冷却，然后空冷至室温。离线热处理生产方式对强韧性要求不高时，选择轨头奥氏体化的方法；对强韧性要求较高时，必须进行全断面奥氏体化。奥氏体化温度一般在880-930°C之间，冷至 700-890°C温度范围时，对钢轨实施加速冷却，冷速为0. 40C /s_8°C /s，冷至200°C时停止加速冷却，然后空冷至室温。采取钢轨全断面奥氏体化的方法，即将贝氏体钢轨全断面加热到Ac3+40°C温度以上，消除处于高温回火温度范围的热影响区，保持贝氏体钢轨全断面韧塑性均处于高水平， 避免韧塑性下降。钢轨奥氏体化可以选择感应加热、电炉加热或煤气炉加热。本专利技术与含钼钢的合金化方案相比，合金成本可以降低200元/吨钢以上；采取全断面奥氏体化的方法或在线热处理的方法可以避免出现钢轨强韧性下降。采用上述合金化设计以后，只进行轨头奥氏体化时可以使热影响区的宽度由20-25mm降低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昕，金纪勇，杨玉，刘宏，
申请(专利权)人：鞍钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：