提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，屬于鋼軌材料生產(chǎn)工藝領(lǐng)域。本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，該方法包括以下步驟：將終軋后的鋼軌自然冷卻至軌頭踏面中心溫度為660～730℃，以1.5～3.5℃/s的冷卻速度加速冷卻至軌頭踏面中心溫度為500～550℃，冷卻速度再增加1.0～2.0℃/s，當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至450℃以下時(shí)，停止加速冷卻，空冷至室溫。本發(fā)明的熱處理方法，可以使軌頭部位獲得超過25mm的深硬化層，且軌頭表層下方25mm具有與軌頭表層相當(dāng)?shù)挠捕戎担⑶臆夘^全斷面均為珠光體組織，有利于提高鋼軌因輪軌接觸不斷磨耗后良好的服役性能。
【專利說明】提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，屬于鋼軌材料生產(chǎn)工藝領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國內(nèi)外鐵路廣泛使用的鋼軌大多為共析鋼，顯微組織以珠光體為主，同時(shí)包 含微量鐵素體，具有強(qiáng)韌性匹配良好、性能適中等特點(diǎn)。在運(yùn)營過程中，受車輪各向復(fù)雜應(yīng) 力及摩擦力作用，隨著軌頭表層不斷磨耗，廓形將發(fā)生改變，降低列車運(yùn)行的平順性；特別 是在大運(yùn)量客貨混運(yùn)鐵路和重載鐵路的小半徑曲線，內(nèi)股鋼軌易被壓潰，而外股鋼軌側(cè)磨 嚴(yán)重，顯著惡化了輪軌接觸關(guān)系，增加了輪軌動(dòng)力作用，影響了行車品質(zhì)，縮短了鋼軌的服 役壽命，增加了鐵路的養(yǎng)護(hù)維護(hù)成本，外股鋼軌的磨耗到限下道是小半徑曲線鋼軌更換的 主要原因之一。
[0003] 目前，對(duì)于重載及大運(yùn)量鐵路的小曲線半徑，主要采用強(qiáng)度級(jí)別較高的熱處理鋼 軌，通過增加鋼軌的硬度來改善鋼軌的耐磨損性能；同時(shí)，還采取了對(duì)磨耗嚴(yán)重路段鋼軌涂 油以及改善輪軌接觸關(guān)系等措施降低磨耗速率。相比于熱軋鋼軌，熱處理鋼軌由于采用了 加速冷卻工藝，依托強(qiáng)烈的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，強(qiáng)硬度指標(biāo)較熱軋態(tài)提高可達(dá)30%，同時(shí)可獲得 與熱軋態(tài)相當(dāng)甚至優(yōu)于熱軋態(tài)的韌塑性指標(biāo)，具有更優(yōu)的強(qiáng)韌綜合性能。然而，由于熱處理 鋼軌一般采用壓縮空氣、水霧混合器或液態(tài)水作為加速冷卻介質(zhì)；在熱處理過程中，隨著距 離軌頭表層深度的增加，有效冷速不斷降低，導(dǎo)致軌頭深層與表層硬度出現(xiàn)明顯差異，在軌 頭踏面下方15mm后硬度可低于表層2-3HRC。在實(shí)際服役過程中，隨著軌頭表層不斷磨耗去 除，硬度逐步降低，進(jìn)而耐磨損性能隨之降低，鋼軌服役壽命呈快速下降趨勢，不利于提高 鋼軌的使用壽命。因此，亟需一種軌頭表層和深層25mm內(nèi)硬度相當(dāng)?shù)匿撥墴崽幚矸椒?，?得到深硬化層的珠光體鋼軌，確保鋼軌持久良好的使用性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，通過該方 法，可以提高鋼軌軌頭部位的硬化層深度。
[0005] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，包括以下步驟：
[0006] a、自然冷卻：將終軋后的鋼軌自然冷卻，使軌頭踏面中心溫度降至660?730°C ;
[0007] b、第一階段加速冷卻：將步驟a冷卻后的鋼軌以1. 5?3. 5°C /s的冷卻速度加速 冷卻至軌頭踏面中心溫度為500?550°C ;
[0008] c、第二階段加速冷卻：將步驟b冷卻后的鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心溫度為 450°C以下，其冷卻速度在第一階段加速冷卻的冷卻速度的基礎(chǔ)上增加1. 0?2. 0°C /s ;
[0009] d、空冷：停止加速冷卻，將鋼軌空冷至室溫。
[0010] 其中，第一階段加速冷卻和第二階段加速冷卻均通過向軌頭踏面及兩側(cè)施加冷卻 介質(zhì)來進(jìn)行。
[0011] 本領(lǐng)域常用的冷卻介質(zhì)均適用于本發(fā)明，優(yōu)選為壓縮空氣、水汽混合物、油氣混合 物中的至少一種。
[0012] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，適用于碳含量為0. 75%?0. 90%的 鋼軌。將含有珠光體鋼軌成分的鋼轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為一 定斷面連鑄坯后送至步進(jìn)式加熱爐中加熱至1200?1300°C并保溫2h以上，將鋼坯軋制為 所需斷面鋼軌；此時(shí)，鋼軌的終軋制溫度為850?1000°C。
[0013] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其加速冷卻分為兩個(gè)階段，第一階段 加速冷卻的最初溫度為660?730°C，冷卻速度為1. 5?3. 5°C /s，冷卻到溫度為500? 550°C時(shí)進(jìn)行第二階段的加速冷卻，其冷卻速度比第一階段冷速增加1. 0?2. 0°C /s，冷卻 到450°C以下時(shí)，停止加速冷卻。
[0014] 其中，熱軋后的鋼軌需要經(jīng)自然冷卻到軌頭踏面中心溫度660?730°C再進(jìn)行加 速冷卻。這是由于鋼軌自奧氏體相區(qū)連續(xù)緩慢冷卻，到達(dá)相變點(diǎn)并獲得所需的過冷度時(shí)發(fā) 生相變，由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。如果自鋼軌軋制完成后溫度較高時(shí)直接開始加速冷卻， 由于軌頭表層受冷卻介質(zhì)的直接作用，溫度將快速降低；相比之下，軌頭心部由于僅受到軌 頭表層以及一定深度內(nèi)熱量傳輸，溫度也將隨之降低但冷速低于軌頭表層，特別是當(dāng)軌頭 表層在相變階段同時(shí)釋放相變潛熱，將導(dǎo)致軌頭心部的硬度不僅無法繼續(xù)降低，反而可能 會(huì)升高，進(jìn)而導(dǎo)致珠光體相變過冷度較小，無法獲得所需的硬度等性能。如果當(dāng)軌頭踏面 中心降至660?730°C時(shí)再進(jìn)行加速冷卻，可有效規(guī)避上述問題：當(dāng)加速冷卻開始溫度高 于730°C時(shí)，將出現(xiàn)前述軌頭心部相變過冷度較低導(dǎo)致無法獲得所需性能；當(dāng)加速冷卻開 始溫度低于660°C時(shí)，由于軌頭表層在加速冷卻初期迅速達(dá)到相變溫度，由于過冷度較大， 易于產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織導(dǎo)致鋼軌判廢。因此，第一階段加速冷卻的最初溫度為 660 ?730。。。
[0015] 第一階段加速冷卻速度為1.5?3.5°C/s。當(dāng)冷速低于1.5°C/s時(shí)，無法充分 發(fā)揮熱處理的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，無論鋼軌表層及心部性能均無法獲得有效提升；當(dāng)冷速高于 3. 5°C /s時(shí)，同樣面臨軌頭表層在相變階段產(chǎn)生異常組織的風(fēng)險(xiǎn)。因此，第一階段冷速為 1. 5 ?3. 5°C /s 為宜。
[0016] 第二階段加速冷卻的初始溫度為500?550°C。當(dāng)軌頭表層終冷溫度低于500°C 時(shí)，此時(shí)鋼軌軌頭表層及一定深度內(nèi)已基本完成相變，繼續(xù)提高冷速對(duì)改善軌頭心部硬度 作用有限；當(dāng)軌頭表層終冷溫度高于550°C時(shí)，此時(shí)鋼軌表層以及一定深度內(nèi)相變尚未結(jié) 束，提高冷速后對(duì)軌頭表層及心部交界處位于正偏析區(qū)域鋼軌的顯微組織帶來威脅。因此， 第二階段加速冷卻的初始溫度為500?550°C。
[0017] 第二階段加速冷卻的冷速在第一階段冷速1. 5?3. 5°C /s的基礎(chǔ)上增加1. 0? 2. 0°C /s的原因是：軌頭心部冷速低于直接接受冷卻介質(zhì)作用的表層，同時(shí)受相變潛熱 的影響，若獲得與表層相當(dāng)?shù)男阅?，同樣需要較快的冷卻速度，當(dāng)冷速增加低于l.〇°C / s時(shí)，盡管軌頭心部相變過冷度有所提高，但無法獲得較高的硬度等性能；當(dāng)冷速增加高 于2. 0°C /s時(shí)，同樣增加了產(chǎn)生異常組織的風(fēng)險(xiǎn)。因此，冷速需在第一階段的基礎(chǔ)上增加 1. 0 ?2. (TC /s。
[0018] 當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至450°C以下時(shí)，此時(shí)軌頭全斷面相變已完成，繼續(xù)施加加 速冷卻已無顯著意義，可進(jìn)入后續(xù)工序并最終獲得成品鋼軌。
[0019] 本發(fā)明還提供本發(fā)明的熱處理方法處理得到的鋼軌。
[0020] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，可以使軌頭部位獲得超過25mm的深 硬化層，且軌頭表層下方25mm具有與軌頭表層相當(dāng)?shù)挠捕戎?，并且軌頭全斷面均為珠光體 組織（或包含少量鐵素體），有利于提高鋼軌因輪軌接觸不斷磨耗后良好的服役性能。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，包括以下步驟：
[0022] a、自然冷卻：將終軋后的鋼軌自然冷卻，使軌頭踏面中心溫度降至660?730°C ;
[0023] b、第一階段加速冷卻：將步驟a冷卻后的鋼軌以1. 5?3. 5°C /s的冷卻速度加速 冷卻至軌頭踏面中心溫度為500?550°C ;
[0024] c、第二階段加速冷卻：將步驟b冷卻后的鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心溫度為 450°C以下，其冷卻速度在第一階段加速冷卻的冷卻速度的基礎(chǔ)上增加1. 0?2. 0°C /s ;
[0025] d、空冷：停止加速冷卻，將鋼軌空冷至室溫。
[0026] 其中，第一階段加速冷卻和第二階段加速冷卻均通過向軌頭踏面及兩側(cè)施加冷卻 介質(zhì)來進(jìn)行。
[0027] 本領(lǐng)域常用的冷卻介質(zhì)均適用于本發(fā)明，優(yōu)選為壓縮空氣、水汽混合物、油氣混合 物中的至少一種。
[0028] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，適用于碳含量為0. 75 %?0. 90 %的 鋼軌。將含有珠光體鋼軌成分的鋼轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為一 定斷面連鑄坯后送至步進(jìn)式加熱爐中加熱至1200?1300°C并保溫2h以上，將鋼坯軋制為 所需斷面鋼軌；此時(shí)，鋼軌的終軋制溫度為850?1000°C。
[0029] 本發(fā)明提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其加速冷卻分為兩個(gè)階段，第一階段 加速冷卻的最初溫度為660?730°C，冷卻速度為1. 5?3. 5°C /s，冷卻到溫度為500? 550°C時(shí)進(jìn)行第二階段的加速冷卻，其冷卻速度比第一階段冷速增加1. 0?2. 0°C /s，冷卻 到450°C以下時(shí)，停止加速冷卻。
[0030] 其中，熱軋后的鋼軌需要經(jīng)自然冷卻到軌頭踏面中心溫度660?730°C再進(jìn)行加 速冷卻。這是由于鋼軌自奧氏體相區(qū)連續(xù)緩慢冷卻，到達(dá)相變點(diǎn)并獲得所需的過冷度時(shí)發(fā) 生相變，由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。如果自鋼軌軋制完成后溫度較高時(shí)直接開始加速冷卻， 由于軌頭表層受冷卻介質(zhì)的直接作用，溫度將快速降低；相比之下，軌頭心部由于僅受到軌 頭表層以及一定深度內(nèi)熱量傳輸，溫度也將隨之降低但冷速低于軌頭表層，特別是當(dāng)軌頭 表層在相變階段同時(shí)釋放相變潛熱，將導(dǎo)致軌頭心部的硬度不僅無法繼續(xù)降低，反而可能 會(huì)升高，進(jìn)而導(dǎo)致珠光體相變過冷度較小，無法獲得所需的硬度等性能。如果當(dāng)軌頭踏面 中心降至660?730°C時(shí)再進(jìn)行加速冷卻，可有效規(guī)避上述問題：當(dāng)加速冷卻開始溫度高 于730°C時(shí)，將出現(xiàn)前述軌頭心部相變過冷度較低導(dǎo)致無法獲得所需性能；當(dāng)加速冷卻開 始溫度低于660°C時(shí)，由于軌頭表層在加速冷卻初期迅速達(dá)到相變溫度，由于過冷度較大， 易于產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織導(dǎo)致鋼軌判廢。因此，第一階段加速冷卻的最初溫度為 660 ?730。。。
[0031] 第一階段加速冷卻速度為1.5?3.5°C/s。當(dāng)冷速低于1.5°C/s時(shí)，無法充分 發(fā)揮熱處理的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，無論鋼軌表層及心部性能均無法獲得有效提升；當(dāng)冷速高于 3. 5°C /s時(shí)，同樣面臨軌頭表層在相變階段產(chǎn)生異常組織的風(fēng)險(xiǎn)。因此，第一階段冷速為 L 5 ?3. 5°C /s 為宜。
[0032] 第二階段加速冷卻的初始溫度為500?550°C。當(dāng)軌頭表層終冷溫度低于500°C 時(shí)，此時(shí)鋼軌軌頭表層及一定深度內(nèi)已基本完成相變，繼續(xù)提高冷速對(duì)改善軌頭心部硬度 作用有限；當(dāng)軌頭表層終冷溫度高于550°C時(shí)，此時(shí)鋼軌表層以及一定深度內(nèi)相變尚未結(jié) 束，提高冷速后對(duì)軌頭表層及心部交界處位于正偏析區(qū)域鋼軌的顯微組織帶來威脅。因此， 第二階段加速冷卻的初始溫度為500?550°C。
[0033] 第二階段加速冷卻的冷速在第一階段冷速1. 5?3. 5°C /s的基礎(chǔ)上增加1. 0? 2. 0°C /s的原因是：軌頭心部冷速低于直接接受冷卻介質(zhì)作用的表層，同時(shí)受相變潛熱 的影響，若獲得與表層相當(dāng)?shù)男阅埽瑯有枰^快的冷卻速度，當(dāng)冷速增加低于l.〇°C / s時(shí)，盡管軌頭心部相變過冷度有所提高，但無法獲得較高的硬度等性能；當(dāng)冷速增加高 于2. 0°C /s時(shí)，同樣增加了產(chǎn)生異常組織的風(fēng)險(xiǎn)。因此，冷速需在第一階段的基礎(chǔ)上增加 1. 0 ?2. (TC /s。
[0034] 當(dāng)軌頭踏面中心溫度降至450°C以下時(shí)，此時(shí)軌頭全斷面相變已完成，繼續(xù)施加加 速冷卻已無顯著意義，可進(jìn)入后續(xù)工序并最終獲得成品鋼軌。
[0035] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的描述，并不因此將本發(fā)明限 制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0036] 實(shí)施例1
[0037] 鋼軌鋼的化學(xué)成分為：C :0· 75%，Si :0· 68%，Μη :0· 85%，P :0· 014, S :0· 007%， Cr :0. 03%，V :0. 07%，其余為鐵。
[0038] 將含上述成分的鋼經(jīng)轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、LF精煉、RH或VD真空處理后澆鑄為一定 斷面連鑄坯后送至步進(jìn)式加熱爐中加熱至1200?1300°C并保溫2h以上，將鋼坯軋制為為 60kg/m鋼軌，此時(shí)，鋼軌的終軋制溫度為850?1000°C。
[0039] 利用翻鋼臺(tái)架將帶有余熱的鋼軌直立于輥道上自然冷卻，當(dāng)軌頭踏面中心的溫度 降至693°C時(shí)向軌頭踏面及兩側(cè)持續(xù)施加2. 6°C /s的冷卻介質(zhì)壓縮空氣，待軌頭踏面中心 的溫度降至500°C時(shí)，冷卻速度增加至3. 7°C /s，直至軌頭踏面中心的溫度降至448°C時(shí)停 止加速冷卻并將鋼軌繼續(xù)空冷至室溫。
[0040] 在上述完成熱處理的鋼軌的軌頭上圓角部位取顯微組織試樣，然后分別在軌頭上 圓角及距軌頭表層25mm的心部取Φ 10mm拉伸試樣，測試抗拉強(qiáng)度（Rm)與延伸率（A);分 別在軌頭踏面（磨去0. 5mm脫碳層）及距軌頭表層25mm的橫斷面上測試布氏硬度。最后， 分別在軌頭踏面下方5mm及距表層25mm處測試磨耗失重量，得到實(shí)施例1鋼軌的力學(xué)性能 指標(biāo)，見表3。
[0041] 其中，在麗200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)以檢測磨損平均失重量，樣品取自 鋼軌A1-A6和D1-D6的軌頭的上試樣，在所有磨損試驗(yàn)中，下磨樣材質(zhì)均相同。具體試驗(yàn)參 數(shù)如下：
[0042] 試樣尺寸：厚度10mm、直徑36mm圓樣
[0043] 試驗(yàn)載荷：150Kg
[0044] 滑差：10%
[0045] 對(duì)磨下試樣材質(zhì)：硬度為260-300HB的車輪鋼。
[0046] 旋轉(zhuǎn)速率：200轉(zhuǎn)/分鐘
[0047] 總磨損次數(shù)：10萬次。
[0048] 實(shí)施例2?實(shí)施例6
[0049] 改變實(shí)施例1中的鋼的化學(xué)成分及其熱處理過程參數(shù)，進(jìn)行實(shí)施例2?實(shí)施例6。
[0050] 表1列出了實(shí)施例1?6的鋼坯的化學(xué)成分，表2列出了實(shí)施例1?6的熱處理 過程控制參數(shù)（包括第一階段開始冷卻溫度、第一階段冷卻速度、第二階段開始冷卻溫度、 第二階段冷卻速度以及加速冷卻終冷溫度），表3列出了實(shí)施例1?6的力學(xué)性能測試結(jié)果 (包括軌頭表層和距表層25mm的軌頭心部的抗拉強(qiáng)度Rm與延伸率A、硬度及磨耗失重量）。
[0051] 對(duì)比例1?對(duì)比例6
[0052] 采用現(xiàn)有技術(shù)的處理方式對(duì)不同化學(xué)成分的六組鋼坯進(jìn)行處理，其中，鋼坯的化 學(xué)成分見表1，熱處理過程控制參數(shù)見表2,該熱處理方法只有一個(gè)加速冷卻的過程。然后 按照實(shí)施例1中的方法進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果見表3。
[0053] 表1本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比例鋼坯的化學(xué)成分
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其特征在于，包括以下步驟： a、 自然冷卻：將終軋后的鋼軌自然冷卻，使軌頭踏面中心溫度降至660?730°C ; b、 第一階段加速冷卻：將步驟a冷卻后的鋼軌以1. 5?3. 5°C /s的冷卻速度加速冷卻 至軌頭踏面中心溫度為500?550°C ; c、 第二階段加速冷卻：將步驟b冷卻后的鋼軌加速冷卻至軌頭踏面中心溫度為450°C 以下，其冷卻速度在第一階段加速冷卻的冷卻速度的基礎(chǔ)上增加1. 〇?2. 0°C /s ; d、 空冷：停止加速冷卻，將鋼軌空冷至室溫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其特征在于：步驟b和 步驟c所述的加速冷卻是通過向軌頭踏面及兩側(cè)施加冷卻介質(zhì)來進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其特征在于：所述冷卻 介質(zhì)為壓縮空氣、水汽混合物、油氣混合物中的至少一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的提高鋼軌硬化層深度的熱處理方法，其特征在于： 所述鋼軌的碳含量為〇. 75 %?0. 90%。
【文檔編號(hào)】C21D9/04GK104060075SQ201410334751
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】韓振宇, 鄒明, 賈濟(jì)海, 郭華, 李大東, 鄧勇, 王春建, 袁俊, 陳崇木 申請(qǐng)人:攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司