[发明专利]一种高强韧性回火马氏体辙叉钢及其热处理方法

说明书

本发明涉及一种1380MPa级和1560MPa级高强韧性回火马氏体辙叉钢及其热处理方法，属于轨道交通用钢技术领域。解决了现有辙叉钢难以满足30吨轴重和35吨轴重列车的重载铁路需求。本发明提供的1380MPa级和1560MPa级回火马氏体辙叉钢轨钢中的碳含量分别为：C0.16‑0.22％和0.22‑0.25％，所述辙叉钢的其它成分按质量百分比计如下：Si：1.5％‑2.0％、Mn：1.5％‑2.0％、Cr：1.0％‑1.5％、Ni：0.5％‑1.0％、Mo：0.5％‑1.0％、V：0.05％‑0.15％、P：≤0.025％、S：≤0.015％、O≤0.002％、H≤0.00015％、N≤0.005％，钢中的残余元素：Al≤0.006％，Cu≤0.15％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，余量为铁。

技术领域

本发明属于建筑结构用钢技术领域，特别涉及一种高强韧性回火马氏体辙叉钢及其热处理方法。

背景技术

铁路辙叉作为承载列车载荷、引导列车转轨运行的关键部件，承受着巨大的冲击载荷，是静载荷的3-5倍，辙叉钢性能指标极大地影响铁路的运营效率和行车安全。我国铁路建设每年需辙叉钢轨约2-4万吨，产值超过1亿元；每年维修更换辙叉约8000组，其成本也超过亿元。近些年，我国铁路重载运输技术不断进步，极大提高了我国铁路的重载运输能力，我国铁路发展以“客运高速、货用重载”为铁路发展新格局，因此对于重载铁路钢轨的综合性能提出了更高的要求。高速重载铁路运输服役条件十分苛刻，对钢轨尤其是道岔轨要求具有高的强韧性、高耐磨性、良好的抗解除疲劳性能。

目前，重载铁路上应用的珠光体钢制造辙叉的研究已经较为充分，通过合金化和热处理细化片层间距提高强韧性的方法已经达到极限。重载铁路上应用的高锰钢辙叉由于是铸造工艺生产，导致性能差使得寿命短、焊接性能差等缺陷，不能满足我国铁路的未来发展。目前统称为贝氏体钢轨的辙叉用处于大规模开发应用推广阶段，在轴重23-25吨轴重列车的重载铁路路上已经普及推广应用，但是也暴露出服役性能稳定性差的特点。重载铁路的发展对趋势大轴重30吨以上和超长列车的巨量通过总重，我国在陕西中南铁路上已开通了30轴重的重载列车实验，35-40 吨轴重重载列车在国外重载铁路上已经普及。当前大秦线的为25吨轴重的运煤专线，年通过总重已超过5亿吨，因此，未来需要开发辙叉的寿命要求是通过总重超过5亿吨以上，满足30吨以上轴重列车承重需要的新型高强韧钢种。因此，更高强韧性的钢轨钢具有迫切现实需要。

贝氏体钢轨的微观组织主要是以奥氏体/贝氏体组织或贝氏体/马氏体为主的复合组织为主的合金钢轨。

现有技术一般通过合金体系设计和热处理工艺相结合得到的是以贝氏体组织为主的贝氏体、马氏体、奥氏体等复合组织的合金钢轨。

事实上，目前的贝氏体钢轨中仅贝氏体组织本身也属于一种混合组织控制。在连续冷却过程中贝氏体转变过程中，根据相变温度的不同会生成粒状贝氏体、上贝氏体、下贝氏体、仿晶型准贝氏体等，由于是非平衡相变和成分的偏析，可能会有包含残余奥氏体、马氏体组织和少量的珠光体、铁素体等。因存在上述混合组织，同时钢轨为变截面形状，将会导致钢中的微观组织在钢轨的不同位置的组成比列的不同最终影响了钢轨的服役性能。

以奥氏体和贝氏体混合组织控制型的辙叉用贝氏体钢为例：虽然研究者们通过合金体系设计及对冷速的控制，可以使准贝氏体(仿晶型贝氏体)，残余奥氏体数量控制到一定范围内，但是受生产工艺和钢轨异型形貌特征的影响，微观组织中的块状残余奥氏体的形貌和数量依然是生产控制难点。块状残余奥氏体在受到冲击载荷会发生形变诱导马氏体相变的TRIP效应，变为硬相的马氏体，产生裂纹甚至剥离掉块，影响轮轨接触疲劳性能的稳定性。

以贝/马复相钢轨生产制造的辙叉，由于同样是混合组织，主要依靠一定贝氏体/马氏体混合组织比例获得高强韧性钢轨和低温性能，但是这种混合组织钢轨在实际应用中效果并不十分理想，其主要原因是受合金体系设计和钢轨变截面形状的因素影响，钢轨中不同截面位置的马氏体组织数量存在较大的变化，导致了钢轨截面组织在不同部位的应力分布不均，导致实际应用中容易出现内部核伤(内部组织微裂纹)，影响了钢轨的使用寿命。