[发明专利]一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢轨材料，特别涉及一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法。

背景技术

铁路技术的飞速发展对钢轨的服役性能提出了更高要求。目前，我国铁路钢轨以碳含量0.60％～0.85％的珠光体系列碳素轨、微合金化钢轨及高强度热处理钢轨为主，同时应用了少量贝氏体钢轨。珠光体钢轨具有生产工艺简单、生产成本低、组织与性能稳定等特点。然而，珠光体钢轨也存在一定不足，例如同等强度级别下接触疲劳强度低，在车轮往复应力作用下轨头部位易出现剥离掉块、裂纹、核伤等伤损，不利于铁路长寿化发展，特别是近年来，随着铁路行车密度、车辆轴重的不断提高，钢轨服役环境愈加苛刻，部分路段特别是曲线部位钢轨服役不足一年甚至几个月即因严重伤损或磨耗到限等原因提前更换下道，降低行车效率的同时给铁路运输安全带来隐患。材料技术的不断发展为钢轨用材提供了新选择，科研人员在不断优化完善现有珠光体钢轨各项指标的同时，积极探索了具备成为未来钢轨用材的另一项选择——贝氏体钢轨。

我国自上世纪九十年代以来开展了多种组分的贝氏体钢轨的研制和开发工作，大多采用低碳含量设计，辅以适量的Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V、Nb等元素，在空气中连续冷却条件下直接得到以贝氏体组织为主，同时包含少量先共析铁素体、残余奥氏体以及马氏体的复相钢。钢轨经轧制、空冷至室温后再进入加热炉中进行回火稳定化处理，促进钢中的残余奥氏体、马氏体等亚稳态组织转变，获得室温条件下组织稳定的钢轨。采用该方法制造的钢轨具有良好的强韧性匹配，轨头部位抗拉强度不低于1200MPa、延伸率不低于12％、常温U性冲击韧性不低于50J，基本能够满足疲劳问题突出但对耐磨损性能要求不高的线路的使用并取得了积极效果。然而，在产业化及批量推广应用过程中遇到了难题：首先，采用直接自然空冷方式得到贝氏体组织，意味着钢中需大量添加能够有效抑制珠光体～铁素体转变而不明显抑制贝氏体转变的元素；其中，效果最好的为Mo元素，而Mo属于昂贵合金元素，Mo的添加将使贝氏体钢轨成本大幅提升，无法获得更高的性价比；此外，部分贝氏体钢轨根据需要添加了Ni元素，与Mo相似，Ni同样是昂贵合金元素，将导致生产成本增加。另一方面，为减少铁路焊接接头，提高线路的平顺性，世界各国均在大力推广长定尺钢轨。以我国为例，目前采用100m长尺钢轨的比例已超过此前的25m定尺，对于贝氏体钢轨，由于需要回火处理，而现有条件下尚不具备100m长钢轨回火的条件，进一步限制了贝氏体钢轨的大规模应用。因此，亟需开发一种合金含量特别是贵重合金含量更低并且无需回火直接上道应用的高强度贝氏体钢轨，满足我国铁路特别是重载铁路发展需要具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度贝氏体钢轨及其生产方法。

本发明一种高强度贝氏体钢轨，钢轨轨头上圆角部位及踏面中心显微组织由宽度0.2～1.0μm的贝氏体铁素体片条和其间交替分布的厚度为0.01～0.1μm的薄膜残余奥氏体，以及比例为1～5％的马氏体组成的复相组织。

作为优选方案，上述高强度贝氏体钢轨的化学成分以重量百分比计为：C：0.15～0.30％，Si：1.00～1.80％，Mn：1.50～2.50％，Cr：0.20～0.60％，Mo：0.05～0.10％，且3.0％≤Si+Mn+Cr，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，本发明还公开了上述高强度贝氏体钢轨的生产方法，包括转炉或电炉冶炼→LF精炼→RH或VD真空处理→连铸→加热→轧制→热处理→平立复合矫直、探伤、加工；其中，除热处理步骤外，均可以采用现有方法，所述热处理为：利用终轧后的余热钢轨，当轨头踏面自然冷却至450～500℃时，对钢轨的轨头部位施加冷却介质进行加速冷却，冷却速度为3.0～6.0℃/s，当轨头踏面中心温度降至220～300℃停止加速冷却并空冷至室温。

其中，所述冷却介质为压缩空气和水汽混合物中的至少一种。

力学性能测试表明，轨头部位抗拉强度≥1400MPa、延伸率≥12％、轨头踏面硬度≥420HB、轨头全断面硬度≥40HRC、室温条件下轨头U型冲击≥60J，-20断裂韧性K_IC≥80MPa·m^1/2，其余各项指标均满足现行铁道行业标准要求，适宜于重载铁路特别是对接触疲劳及耐磨损性能要求较高的路段。

本发明有益效果：

(1)、本发明高强度贝氏体钢轨合金含量低，成本低廉；