[发明专利]一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法

说明书

本发明提供了一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法，该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.20％～0.30％，Si：1.00％～1.80％，Mn：1.80％～2.80％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.50％～1.00％，Mo：0.40％～0.70％，Nb：0.02％～0.08％，V：0.05％～0.10％，Ti:0.003％～0.020％，O≤0.0005％，N：0.0030‑0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼—连铸—再加热—轧制—回火；生产出的钢轨抗拉强度≥1350MPa，屈服强度≥1150MPa，延伸率≥14％，常温冲击试验的冲击吸收能量AK_U2≥70J，断面收缩率≥50％，硬度≥410HBW。

技术领域

本发明属于材料领域，尤其涉及一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法。

背景技术

我国重载铁路运输逐渐朝向重载、大年运量的方向发展，普通性能的钢轨使用中显现出磨耗严重、伤损加剧等现象，缩短了换轨周期，增加了铁路施工量，同时服役的伤损钢轨也对行车安全有较大的影响。针对我国钢轨伤损的实际情况铁道部提出在重载线路上使用高强度钢轨或热处理钢轨，多年来高强度钢轨的研究工作在不断进行中，主要有两种工艺路线：一是开发适合热处理钢轨，二是通过合金化来提高钢轨的强度及耐磨性。

珠光体钢轨钢通过加入合金元素Si、Mn、Cr等起到固溶强化的作用，并使C曲线右移，相同冷速下获得片间距更小的珠光体组织，提高强度和钢的淬透性，如U75VH，U77MnCrH、U78CrVH等材质的轨头硬化热处理钢轨。层片状珠光体的塑性可以用断面收缩率来表示，控制层片状珠光体断面收缩率的因素时片层间距。在珠光体组织中，基体铁素体相是比较稳定的，塑性主要与渗碳体相状态有关。当片间距较大时，其片层渗碳体是连续的，而片间距较小时，层片渗碳体是不连续的，层片铁素体并未完全倍层片渗碳体所隔离，因此具有很高的塑性。细片状珠光体具有较好的耐磨性能，细片状珠光体组织和回火索氏体组织的耐磨性都随硬度的上升而提高，当硬度达到HRC42时，细片状珠光体的耐磨性比回火索氏体高出2倍，细化珠光体组织结构可以提高钢轨的耐磨性能和滚动接触疲劳寿命。一方面，减小珠光体团块的平均直径可以提高钢轨的抗张强度和耐磨性能，另一方面，减小珠光体片间距可以显著提高钢轨的抗剥离能力，因而显著提高钢轨的耐磨性能和滚动接触疲劳寿命。

日本制铁株式会社的专利“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)中的过共析珠光体钢轨钢，通过增加珠光体片中渗碳体相的密度来提高耐磨性能。其化学成分为：0.89％C,0.48％Si,0.61％Mn,0.25％Cr。热处理后抗拉强度达到1300MPa以上。

上述钢轨的特征在于均为珠光体组织，通过增加C和Cr等提高淬透性元素，再结合热处理方式使强度达到1300MPa级，强度提高的同时钢轨的韧塑性明显降低，而且冷速过高可能会出现马氏体异常组织，破坏了钢轨内部组织连续性，在使用中形成疲劳裂纹源引起核伤，韧塑性降低也增加了核伤扩展速度，最终导致钢轨断裂，影响行车安全。

相对于珠光体钢轨，贝氏体钢轨通过合金化获得较高强度同时具有良好的韧塑性，轨头全断面性能均匀性好于珠光体热处理钢轨，例如：

1)中国专利申请号200810012105.3公开了“一种热轧贝氏体钢轨及生产工艺”，该方法中的成分设计通过C-Si-Mn-Cr-Mo以及Nb、V、Ti微合金化获得强韧性较好的贝氏体钢轨，但并为考虑钢中O、N有害元素作出要求，轧制工艺方面未反映出控轧方案，因此未能充分体现出贝氏体钢轨的强度及冲击韧性方面的优势。

2)中国专利申请号201310327055.9公开了“一种贝氏体钢轨用钢及制造方法”，该方法中的除了含有Mn、Mo、Nb、V等元素外，Cr元素含量1.3％～2.0％，A1含量0.05％-1.0％，虽然合金元素加入较多，但并未对控制过程作出规定，因此提高贝氏体钢轨的强度方面受到限制，抗拉强度仅达到1250MPa以上，屈服强度仅为850MPa以上，虽然冲击韧性较高，显然不能满足重载货运和小半径曲线耐磨轨的需要。