[发明专利]一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法

说明书

本发明提供了一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法，该钢轨的成分按重量百分比计如下：C：0.68％～0.78％，Si：0.30％～0.58％，Mn：0.50％～0.80％，P：≤0.025％，S：≤0.015％，Cr：0.10％～0.40％，V：0.02％～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法，包括冶炼—连铸—再加热—钢轨轧制—在线热处理—矫直；在线热处理：空冷至钢轨轨头表面温度700‑750℃，之后分两个阶段进行冷却。采用本发明技术方案生产的钢轨抗拉强度≥1080MPa，延伸率≥11％，硬度≥330HB。

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高速铁路用在线热处理钢轨及其制造方法。

背景技术

高速铁路用钢轨采用《高速铁路用钢轨》(TB/T 3276)中的U71Mn 材质的钢轨，高速铁路轴重及运量远低于货运或重载线路，我国经过多年来的运营情况表明了U71Mn材质热轧钢轨适于高速、轻载的高速铁路直线段，曲线段钢轨受力相对增加，磨损加剧，因此选用 U71Mn在线热处理钢轨，U71Mn热轧及在线热处理钢轨强度适中、韧性好的特点满足我国高铁运营要求的同时，也对安全行车提供了有力保障。钢轨无缝连接方式已成为主流，尤其高速铁路均采用无缝线路，因此钢轨焊接质量直接影响了使用效果，钢轨使用周期内的伤损主要以焊缝处的缺陷为主。U71Mn钢轨以Mn元素为主要强化方式为主，Mn在钢中的局部偏析无法避免，在生产热处理钢轨或焊接正火快速冷却过程中Mn偏析位置易在过冷度较大的情况生产马氏体组织，马氏体在珠光体钢轨中是不允许存在的，因此为了避免马氏体组织产生必须制定适当的热处理工艺，但过低的冷却速度无法保证在线热处理或焊缝性能符合标准要求，因此U71Mn在线热处理钢轨生产和焊后热处理相对于现有的U75V材质钢轨难度大，工艺控制窗口窄，容易出现性能不合或异常组织问题。珠光体在线热处理钢轨主要以C、Si、Mn、Cr、V等元素来实现强度及硬度的提高，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，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”)。

2)进一步提高钢中碳含量，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)和“耐磨性和延性优良的珠光体钢轨及其制造方法”(03800576.X)以及中国专利“一种过共析钢轨的热处理方法”(201410058292.4)、“一种过共析钢轨及其制备方法” (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”(200980105903.3)等)。

3)中国专利申请号为201480018025.2公开了公开了“珠光体钢轨及珠光体钢轨的制造方法”，该方法中的成分采用了较高C、Si、 Mn、Cr元素，通过加速冷却获得强度达1300MPa以上、硬度400HB 以上珠光体钢轨钢，该钢轨比较适合重载铁路应用。

上述钢轨的特征为均采用Cr或V等强化元素通过在线热处理获得强度在1180-1300MPa的高强度钢轨，除了C、Si、Mn等元素外，添加的Cr、V等元素改善了钢轨的热处理工艺适应性，使生产及焊后热处理时产生异常组织的倾向变小，但强度和硬度提高也带来韧性降低的问题，因此对于轻载、高速的高铁用轨来说，显然是不适用的。通过对高速铁路在线热处理钢轨性能要求，以及分析现有U71Mn钢轨在线热处理及焊后热处理存在的问题，结合各元素强化作用，确定通过降低Mn元素、添加Cr、V元素成分方案，配合热处理工艺获得与U71Mn在线热处理钢轨性能相当、工艺适应性更好的高速铁路用在线热处理钢轨。本发明基于解决高速铁路用在线热处理生产及焊接困难问题，应用于今后高铁建设和维修换轨，市场前景广阔。

发明内容