[发明专利]重载铁路用高强韧耐磨耐腐蚀贝氏体钢轨及其制造方法

说明书

本发明提供一种重载铁路用高强韧耐磨耐腐蚀贝氏体钢轨及其制造方法，钢轨成分按重量百分比计：C：0.15％～0.25％，Si：0.80％～1.60％，Mn：1.00％～2.20％，P：≤0.025，S：≤0.015，Cr：0.80％～1.80％，Cu：0.20％～0.50％，Mo：0.20％～0.50％，Ni：0.10％～0.40％；B：0.001％～0.003％，Nb：0.15％～0.25％，余量为Fe和不可避免杂质。本发明钢轨抗拉强度≥1450MPa，屈服强度≥1300MPa，延伸率≥13.0％，常温冲击吸收能量AK_U2≥90J，断面收缩率≥52％，轨头横断面硬度不低于43HRC。

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及用于重载铁路干线和容易造成钢轨严重腐蚀路段的铁路用75kg/m级别高强韧耐磨耐腐蚀贝氏体热处理钢轨。

背景技术

钢轨是引导列车运行并将车轮载荷传递给道床的关键部件，其质量的优劣直接影响线路的运营效率和行车安全。据了解，我国重载铁路年运输量已超过亿吨，其中两条运煤重载铁路干线朔黄铁路年运煤量超2亿吨、大秦铁路年运煤量超4亿吨，车轮轴重也由原来的25t陆续提高到了27t和30t，这些都对我国重载铁路钢轨提出了更高的使用要求。大轴重、大运量导致现有钢轨伤损数量呈大幅上升态势，尤其在小半径曲线、道岔尖轨或翼轨等部件上，钢轨磨耗、剥离及擦伤十分严重，换轨频率愈发增加、维护成本大大提高。此外，由于隧道中阴暗潮湿和沿海地区海洋气雾环境影响，钢轨腐蚀问题愈发严重，使用寿命显著降低，因腐蚀加剧的钢轨伤损(包括断裂、掉块、起皮等)造成的损失更是难以估计。这些问题对钢轨材料的强韧性、耐磨性和耐腐蚀性等都提出了更严苛的要求，现有钢种已经不能同时满足这些要求。因此，发展新一代既具高强韧耐磨性又具有耐腐蚀性的重载铁路用钢轨势在必行，这也将是未来5～10年钢轨开发的主要方向。

在钢轨高强韧耐磨方面，为了减少重载铁路铺设的钢轨的磨耗，现有常规技术多采用合金化或合金化与热处理相结合的方式来增强钢轨的强度和硬度以达到高强耐磨的目的。例如：

1)在钢中增加C、Si成分含量，以及添加V、Cr的微合金钢轨，如U75V、U77MnCr钢轨等；

2)通过加速冷却轨头部位而制造的轨头硬化热处理钢轨，如U75VH，U77MnCrH、U78CrVH钢轨等(如中国专利ZL96117731.4提供的“含钒合金钢轨的热处理方法”)；

3)增加钢中碳含量至过共析成分，采用增加渗碳体密度的方式来增加钢轨高强耐磨性，并通过在线热处理细化晶粒得到过共析热处理钢轨(如新日本制铁株式会公开的发明《耐磨损性和耐内部伤损性能优良的钢轨及其制造方法”(ZL96190344.9)和《耐磨性和延性优良的珠光体钢轨及其制造方法》(03800576.X)以及中国发明《一种过共析钢轨的热处理方法》(申请号：201410058292.4)、《一种过共析钢轨及其制备方法》(申请号：201510487942.1)和《具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢》(申请号：200980105903.3)等。

然而，上述钢轨的特征在于均以珠光体为基体，其不足之处在于，对于珠光体钢轨，采用合金化与热处理相结合的方式使抗拉强度达到1300MPa级已接近极限，无法满足重载铁路钢轨高强韧耐磨的使用要求。

在钢轨耐腐蚀方面，现有的铺设于隧道潮湿或海洋环境条件下的钢轨的腐蚀防护技术可以概括为以下三方面：

一是钢轨表面通过涂层来形成腐蚀防护。如发明《一种腐蚀图层钢轨生产工艺》(申请号：03117936.3S)公开了的合金图层确实具备耐湿热、耐盐雾侵蚀能力，但该涂层属于两性金属，在酸、碱性条件下容易反应，致使涂层保持时间短，大大降低耐蚀效果。同时，该方法对钢表面除锈等级要求须高达Sa3.0级，工艺复杂，对于小且不对称的钢轨端面很难达到要求，涂层均匀性也无法保证，生产效率大幅下降。