[发明专利]一种高强度贝氏体钢轨及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路钢轨及其制造，特别涉及一种高强度贝氏体钢轨及其热处理工艺。

背景技术

随着铁路重载运输技术的进步，我国铁路重载运输能力在不断提高，既有客货混运线路年通过列车总重在1亿吨以上已经很普遍，货车轴重在逐步提高，2008年大秦线运量达3.4亿吨。这种背景下，促进了适合重载运输铁路钢轨的开发。

重载运输对钢轨耐剥离掉块即耐滚动接触疲劳性能提出了更高的要求，贝氏体钢轨恰好以其优异的耐滚动接触疲劳性能满足了这种要求。这方面文献有：

K.Sawley，J.Kristan，Development of bainitic rail steels with potential resistance to rolling contact fatigue，Fatigue fract Engng Mater Struct 26，2003，1019-1029.

文献中介绍的贝氏体钢轨J6，热轧钢轨强度级别达到1400MPa，轨头延伸率仅为5.0％，断面收缩率6.4％，轨腰的塑性更低，延伸率4.0-5.0％，断面收缩率2.8-5.9％。这种钢轨虽然强度较高，但塑性过低，无法满足铁路行车安全的需要。究其原因，主要是合金元素含量过高，尤其是提高淬透性的元素Mn2.00％，Cr1.94％，Mn+Cr达到了3.94％，提高淬透性的元素含量达到这么高的水平，一方面钢中会产生较高比例的马氏体(在光学显微镜下观察)，另一方面产品的工艺性较差，偏析严重。因此热轧贝氏体钢轨强度不宜过高，否则会给钢轨生产加工和铁路安全运营带来更多的问题。

现有技术“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”(CN101921971A)主要考虑热轧轨生产，未考虑加速冷却工艺条件的可操作性，例如，当提高钢淬透性的元素全部达到成分上限水平时，一方面淬火工艺规范中加热温度和冷却速度范围必须很窄，另一方面非常容易在光学显微镜下发现马氏体等严重降低钢冲击韧性和断裂韧性的组织。因此该技术选择了较低的热处理冷却速度10℃-20℃/分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度贝氏体钢轨及其热处理工艺，钢种成分设计方面：为避免热轧或热处理后钢轨在光学显微镜下检验时发现马氏体组织或透射电镜下检验时发现粗大的M-A岛组织而限制提高淬透性元素的总量，通过轧后热处理(加速冷却)使钢轨的抗拉强度提高至1400MPa以上，实现强度和韧塑性的最佳匹配，使钢轨的耐滚动接触疲劳性能及耐磨性均优异。少量多元微合金化或/及热处理在显著提高钢轨强度的同时，冲击韧性、断裂韧性也明显提高。

钢中常用的合金元素对增大钢的淬透性的能力按照下列顺序增高：镍、铬、锰。锰与铬提高淬透性的效果相当。镍提高淬透性的能力虽然较低，但提高淬透性的同时还能够使钢保持较高的韧性。钼能够使贝氏体钢的先析铁素体C曲线显著右移，从而使钢在热轧空冷条件下就能够全部转变成贝氏体组织。镍、钼由于价格高，一般趋势是尽量少加或不加，其它元素在钢中一般大量采用。

在合金设计时，只有对淬透性要求不高的钢，才使用单一的合金元素，如40Cr、45Mn2。对淬透性要求较高的钢无例外地都采用复合金化，这是因为多种元素同时存在对钢淬透性的增大起着相辅相成的作用。如镍单独存在时，增大淬透性的作用与硅元素相似，不是突出的，但是当将镍加入铬钢或铬锰钢中时，其增大淬透性的作用非常显著。因此，目前对淬透性要求高的钢的化学成分的配方，都采用多元合金化的原则，这样一方面可以充分发挥合金元素的作用，另一方面也可以节省合金资源。需要注意的是，在采用多元合金化的时候，要注意限制提高淬透性元素的总量，这样才能实现强度和韧塑性的最佳匹配。

高强度贝氏体钢轨的化学成分：

C：0.10％-0.32％，Si：0.80％-2.00％，Mn：0.80％-2.80％，Cr：＜1.50％，Mo：0.10％-0.40％。其中Mn+Cr≤2.8％，满足这一要求，才能确保热处理后不会在光学显微下发现马氏体组织。

C：0.10％-0.32％，Si：0.80％-2.00％，Mn：0.80％-2.80％，Cr：＜1.50％，其中Mn+Cr≤2.8％。此外复合加入Nb：0.01％-0.10％，V：0.02％-0.2％，Ti：0.005％-0.05％；Mo含量为0.10％-0.25％。