本發(fā)明涉及鋼軌材料，具體地，涉及一種貝氏體鋼軌及其制備方法。
背景技術：
鐵路的軸重和運量的不斷提升，對鋼軌的服役性能提出了更高要求，年運量超過2億噸的重載鐵路特別是小曲線半徑路段已成為鋼軌傷損的重災區(qū)，鋼軌服役壽命通常不超過3年，部分線路條件苛刻路段甚至不足一年，與相鄰的直線段及大半徑曲線路段難以匹配，鋼軌頻繁更換不僅大幅增加線路養(yǎng)護成本和工人的勞動強度，同時傷損快速發(fā)展對行車安全也帶來嚴重隱患。傳統(tǒng)珠光體材質的鋼軌歷經(jīng)一百多年的發(fā)展，性能已接近極限，若進一步提高鋼軌的綜合性能則需要貝氏體組織來實現(xiàn)。
目前應用于鋼軌領域的貝氏體鋼的相關研究已較為深入，例如CN105385938A公布了一種合金體系及其貝氏體鋼軌的熱處理方法以及貝氏體鋼軌，采用了如下化學成分(質量百分比)：0.22％-0.27％C、1.65％-1.85％Si、1.60％-1.80％Mn、1.30％-1.90％Cr、0.25％-0.85％Mo、0.25％-0.95％Ni、0.04％-0.06％V或0.02％-0.04％Nb，余量為Fe和不可避免的雜質。同時，對鋼中的雜質元素及氣體元素含量也進行了明確規(guī)定：P≤0.015％、S≤0.015％、鑄坯[H]≤1.5ppm、[O]≤25ppm、[N]≤70ppm、Al≤0.006％、Cu≤0.15％、Sn≤0.010％、Sb≤0.010％。鋼軌軋后采用正火+調整處理：正火溫度900-940℃奧氏體化保溫時間＞8h后出爐空冷至室溫；在Ac3+50～70℃范圍內(nèi)保溫7h后，直接水冷淬火至馬氏體相變溫度以上320-350℃之間；然后在320-350℃將鋼軌堆垛放入保溫坑中保溫處理，保溫時間＞5h；最后，在320-370℃范圍內(nèi)保溫＞9h進行回火處理后繼續(xù)空冷至室溫，進而獲得成品鋼軌。采用該方法生產(chǎn)的鋼軌具有優(yōu)良的強韌綜合性能。研究表明，該生產(chǎn)方法盡管對鋼軌的性能有益，但鋼中的合金元素如Ni、V、Nb含量較高，導致鋼軌的生產(chǎn)成本大幅增加；同時，在后續(xù)處理步驟中采用了水冷淬火，由于鋼軌特別是軌頭部位表層及心部冷速不同，將導致鋼軌彎曲，殘余應力大幅增加，即使通過后續(xù)等溫及回火處理也無法獲得理想的應力指標；此外，由于采用一次正火、一次淬火、一次等溫處理及一次回火處理，鋼軌的生產(chǎn)周期顯著延長且能源消耗成本增加。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種貝氏體鋼軌及其制備方法。該貝氏體鋼軌具有優(yōu)良的強韌性能和服役安全性，適用于大軸重、高密度重載鐵路小曲線半徑路段和線路條件復雜路段。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種貝氏體鋼軌，其中，以該貝氏體鋼軌的重量為基準，該貝氏體鋼軌的軌頭上圓角部位的顯微組織中的貝氏體鐵素體片條的含量大于等于90重量％且所述貝氏體鐵素體片條的寬度為0.3-0.8μm，薄膜狀殘余奧氏體的含量小于等于5重量％且所述薄膜狀殘余奧氏體的寬度小于0.1μm，馬氏體的含量小于等于5重量％，
獲得所述貝氏體鋼軌的鋼坯的化學成分需要滿足以下條件：以所述鋼坯的重量為基準，所述鋼坯含有0.20-0.30重量％的C，1.40-1.60重量％的Si，1.85-2.05重量％的Mn，1.00％-1.25重量％的Cr，0.30％-0.50重量％的Mo，0.07％-0.09重量％的V，并滿足3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。
本發(fā)明的發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，影響鋼軌服役安全的主要包含以下因素：一是貝氏體鋼軌顯微組織中的殘余奧氏體的含量和馬氏體組織的含量；殘余奧氏體在室溫下是亞穩(wěn)相，在外加應力或溫度作用下將向更穩(wěn)定的馬氏體組織轉變，而馬氏體組織屬于脆性組織，在輪軌多向應力反復作用下易萌生裂紋，當裂紋進一步擴展至臨界長度后易導致鋼軌脆斷，危及行車安全。因此，降低鋼軌中馬氏體組織的含量對避免鋼軌脆斷有顯著益處。然而，軋后空冷至室溫的鋼軌將不可避免地獲得馬氏體組織。因此，如果在鋼軌溫度降低至室溫前進行等溫處理，使原本形成馬氏體的區(qū)域盡可能多的獲得貝氏體組織，則可有效解決馬氏體組織的含量問題。與此同時，對鋼中形成的殘余奧氏體也應通過成分及工藝的調整，使其盡可能獲得薄膜狀且是富碳程度更高的亞穩(wěn)相，此時在外加應力作用下向馬氏體組織轉變的幾率和能力將大幅降低；通過殘余奧氏體與馬氏體組織的協(xié)同控制，可有效提高鋼軌的服役安全性。二是鋼軌的殘余應力。研究表明，鋼軌經(jīng)軋制與矯直后，軌頭及軌底部位分布拉應力、軌腰部位為壓應力，當鋼軌殘余應力較大時，由于軌腰厚度小，屬于鋼軌全斷面較為薄弱的部位，在軌頭、軌底應力作用下易產(chǎn)生軌腰劈裂，嚴重危機行車安全。盡管鋼軌貝氏體鋼軌具有較高的斷裂韌性和較低的裂紋擴展速率，但目前尚無證據(jù)表明，其能夠抵消較大殘余應力的有害作用。因此，降低鋼軌的殘余應力是貝氏體鋼軌需重點解決的問題。本發(fā)明通過貝氏體鐵素體片條、薄膜狀殘余奧氏體與馬氏體組織的協(xié)同控制，不僅可以獲得具有優(yōu)良的強韌性能的貝氏體鋼軌，還可達到降低殘余應力的作用。
本發(fā)明還提供了上述貝氏體鋼軌的制備方法，該方法包括：將保溫處理后的鋼坯進行軋制得到余熱鋼軌，待余熱鋼軌的踏面中心在空氣中冷卻至軌頭踏面的中心溫度為350-370℃后，將所得余熱鋼軌置于375-405℃下回火4-8h，然后在空氣中冷卻至室溫。
本發(fā)明提供的貝氏體鋼軌具有優(yōu)良的強韌性能，并且，相比于軋后冷卻至室溫的鋼軌，采用等溫處理的鋼軌軌底中心殘余應力可至少降低10％，即本發(fā)明提供的貝氏體鋼軌還具有優(yōu)良的服役安全性。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：
圖1是本發(fā)明的實施例1的貝氏體鋼軌的軌頭上圓角部位在透射電鏡下觀察得到的一個視場的微觀結構圖。
具體實施方式
以下對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
在本文中所披露的范圍的端點和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應當理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個范圍的端點值之間、各個范圍的端點值和單獨的點值之間，以及單獨的點值之間可以彼此組合而得到一個或多個新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應被視為在本文中具體公開。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供了一種貝氏體鋼軌，其中，以該貝氏體鋼軌的重量為基準，該貝氏體鋼軌的軌頭上圓角部位的顯微組織中的貝氏體鐵素體片條的含量大于等于90重量％且所述貝氏體鐵素體片條的寬度為0.3-0.8μm，薄膜狀殘余奧氏體的含量小于等于5重量％且所述薄膜狀殘余奧氏體的寬度小于0.1μm，馬氏體的含量小于等于5重量％，
獲得所述貝氏體鋼軌的鋼坯的化學成分需要滿足以下條件：以所述鋼坯的重量為基準，所述鋼坯含有0.20-0.30重量％的C，1.40-1.60重量％的Si，1.85-2.05重量％的Mn，1.00％-1.25重量％的Cr，0.30％-0.50重量％的Mo，0.07％-0.09重量％的V，并滿足3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。
為了使貝氏體鋼軌中的薄膜狀殘余奧氏體和馬氏體組織更好地發(fā)揮協(xié)同作用使得貝氏體鋼軌具有更優(yōu)良的強韌性能和服役安全性，優(yōu)選情況下，以該貝氏體鋼軌的重量為基準，所述貝氏體鐵素體片條的含量為91-95重量％，薄膜狀殘余奧氏體的含量為2-5重量％，馬氏體的含量為2-5重量％。
為了獲得上述貝氏體鋼軌的鋼坯原料的化學成分需要滿足以下條件，以所述鋼坯的重量為基準，所述鋼坯含有0.20-0.30重量％的C，1.40-1.60重量％的Si，1.85-2.05重量％的Mn，1.00％-1.25重量％的Cr，0.30％-0.50重量％的Mo，0.07％-0.09重量％的V，余量為Fe和不可避免的雜質，并滿足3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。
優(yōu)選情況下，所述鋼坯還包括P和S，以所述鋼坯的重量為基準，所述P的含量為0.010-0.016重量％，所述S的含量為0.001-0.005重量％。
以下說明本發(fā)明所述鋼坯主要化學元素的含量限定在上述范圍的原因。
碳(C)是貝氏體鋼獲得良好強韌性匹配和綜合力學性能最重要的元素。當碳的含量低于0.20重量％時，無法充分發(fā)揮強化作用，導致鋼軌的強硬度過低，無法滿足重載條件下的服役性能；當碳的含量低于0.30重量％時，在本發(fā)明所述方法下，鋼的強度指標過高而韌塑性過低，不利于鋼軌的使用安全性。因此，本發(fā)明將碳的含量限定為0.20-0.30重量％。
硅(Si)作為鋼中的主要添加元素通常以固溶形式存在于鐵素體中，能夠提高組織強度。當硅的含量低于1.40重量％時，對于貝氏體鋼，一方面固溶量偏低導致強化效果不明顯，另一方面將無法有效抑制碳化物析出，獲得薄膜狀殘余奧氏體組織，進而無法獲得本發(fā)明的具有特定組織的貝氏體鋼，不能實現(xiàn)本發(fā)明的目的；當硅的含量高于1.60重量％時，將充分抑制碳化物的析出，代之以較多的殘余奧氏體出現(xiàn)，同時易產(chǎn)生表面缺陷，無法確保列車運行的平順性。因此，本發(fā)明將硅的含量限定為1.40-1.60重量％。
錳(Mn)能夠顯著降低貝氏體組織開始轉變溫度，是貝氏體鋼中獲得細化的貝氏體鐵素體片條的重要添加元素。當錳的含量低于1.85重量％時，對貝氏體鋼的積極作用難以達到；當錳的含量高于2.05重量％時，將增加鋼軌的偏析以及室溫條件下馬氏體組織的不利，鋼軌的疲勞性能以及服役安全性能顯著降低。因此，本發(fā)明將錳的含量限定為1.85-2.05重量％。
鉻(Cr)作為中等碳化物的形成元素，與鋼中的碳可形成多種碳化物；同時，鉻能均勻鋼中碳化物的分布，減小碳化物尺寸，從而改善鋼軌的耐磨損性能。當鉻的含量低于1.00重量％時，形成的碳化物硬度及比例較低，且以片狀形式聚集，不利于提高鋼軌的耐磨損性能和韌性降低；當鉻的含量高于1.25重量％時，鋼中馬氏體比例將顯著提高，鋼軌的服役的安全性難于保障。因此，本發(fā)明將鉻的含量限定為1.00-1.25重量％。
鉬(Mo)對于降低熱軋空冷條件下貝氏體組織的開始轉變溫度具有極為顯著的效果，并且有利于穩(wěn)定和強化貝氏體組織。當鉬的含量低于0.30重量％時，難以達到上述效果；當鉬的含量高于0.50重量％時，貝氏體組織轉變效率將顯著降低，無法在冷卻過程中獲得理想的貝氏體組織。因此，本發(fā)明將鉬的含量限定為0.30-0.50重量％。
釩(V)作為晶粒細化元素添加到鋼中可進一步細化貝氏體鐵素體片條，同步提高鋼軌的強硬度與韌塑性指標。當釩的含量低于0.07重量％時，晶粒細化效果不顯著，鋼軌的強韌綜合性能較低；當釩的含量高于0.09重量％時，將惡化鋼軌的沖擊韌性，不利于鋼軌獲得更高的耐接觸疲勞性能。因此，將釩的含量限定為0.07-0.09重量％。
為確保本發(fā)明所述的貝氏體鋼軌獲得更優(yōu)的服役性能，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)獲得所述貝氏體鋼軌的鋼坯中的Mn+Cr的重量百分比需滿足3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。原因是，Mn和Cr在貝氏體鋼中有相似的作用，在軋后空冷條件下，當Mn+Cr＜3.1重量％時，鋼中貝氏體鐵素體片條比例不足90重量％，鋼軌的韌塑性指標大幅降低；當Mn+Cr＞3.3重量％時，一方面鋼軌硬度過高，另一方面將導致鋼軌局部嚴重偏析，難以確保鋼軌中貝氏體組織及性能的均勻性。因此，本發(fā)明將Mn+Cr的重量百分比限定為3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。
本發(fā)明提供的具有特定組織的上述貝氏體鋼軌具有良好的強韌性和優(yōu)異的安全服役性。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明還提供了上述貝氏體鋼軌的制備方法，該方法包括：將保溫處理后的鋼坯進行軋制得到余熱鋼軌，待余熱鋼軌的踏面中心在空氣中冷卻至軌頭踏面的中心溫度為350-370℃后，將所得余熱鋼軌置于375-405℃下回火4-8h，然后在空氣中冷卻至室溫。
根據(jù)本發(fā)明的方法，以所述鋼坯的重量為基準，所述鋼坯含有0.20-0.30重量％的C，1.40-1.60重量％的Si，1.85-2.05重量％的Mn，1.00％-1.25重量％的Cr，0.30％-0.50重量％的Mo，0.07％-0.09重量％的V，并滿足3.1重量％≤Mn+Cr≤3.3重量％。
根據(jù)本發(fā)明的方法，上述組成的鋼坯可以通過本領域的常規(guī)方法獲得，例如將含有上述化學成分的鋼水經(jīng)轉爐或電爐冶煉、LF爐精煉、RH或VD真空處理后連鑄為一定斷面尺寸的連鑄坯，然后將該連鑄坯送至步進式加熱爐中加熱保溫，將鋼坯軋制為所需斷面的余熱鋼軌。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所述保溫條件以將鋼坯加熱至適于軋制的溫度為準，例如將鋼坯加熱至1200-1300℃并保溫3h以上，優(yōu)選情況下，將鋼坯加熱至1200-1300℃并保溫3-5h。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可以采用孔型法或萬能法將所述保溫處理后的鋼坯進行軋制得到余熱鋼軌。對所述軋制的條件沒有特別的限定，優(yōu)選情況下，將上述鋼坯軋制成單重為43-75kg/m的斷面鋼軌。
根據(jù)本發(fā)明的方法，上述軋制后，將所述余熱鋼軌置于空氣中冷卻，當余熱鋼軌的踏面中心在空氣中冷卻至軌頭踏面的中心溫度為350-370℃后，將所得余熱鋼軌置于375-405℃下回火4-8h。
當所得余熱鋼軌的回火的溫度高于405℃，鋼軌溫度接近脆性轉變區(qū)溫度，此時鋼軌在回火爐中的降溫速度遠低于空氣中，導致鋼軌在405℃以上的溫度停留時間過長，鋼軌的強度及沖擊韌性將大幅降低。顯微組織檢驗也證實，原本應保留至室溫的片條狀貝氏體鐵素體此時出現(xiàn)多邊形化趨勢；如果所得余熱鋼軌的回火溫度低于375℃，鋼軌在回火處理后繼續(xù)冷卻至室溫時，形成馬氏體組織的含量＞5重量％；同時，鋼軌的韌塑性指標提升不顯著，不利于獲得性能優(yōu)良的貝氏體鋼軌。
當回火時間低于4h，鋼軌的軌頭部位回火處理不充分，鋼軌的服役性能易波動；當回火時間高于8h，鋼中碳化物析出完成，回火工序目的已達到，繼續(xù)延長處理時間已無顯著益處。
回火處理后，將鋼軌取出在空氣中冷卻即得到成品貝氏體鋼軌。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法，當余熱鋼軌的軌頭踏面的中心溫度降至350-370℃時，將鋼軌置于375-405℃的回火4-8h。
為了使制備的貝氏體鋼軌獲得更優(yōu)良的強韌性和服役安全性能，優(yōu)選情況下，將所得余熱鋼軌在385-392℃下回火5-7小時。
本發(fā)明優(yōu)選通過翻鋼臺架將余熱鋼軌直立于連續(xù)運行的輥道中在空氣中靜置冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所述回火的裝置可以采用本領域中常用的各種能夠起到回火作用的裝置，例如回火爐。
本發(fā)明中，溫度采用紅外測溫儀測得。
以下將通過實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
本發(fā)明的實施例A1-A6以及對比例D1-D3中使用的鋼坯中含有的化學成分及含量如下表1所示，其余為Fe和不可避免的雜質。
表1
實施例1-6
實施例1-6用于說明本發(fā)明提供的貝氏體鋼軌的制備方法。
分別將表1中的A1-A6鋼坯在經(jīng)轉爐冶煉、LF爐精煉、RH真空處理后澆鑄為一定斷面尺寸的連鑄坯后，送至步進式加熱爐中加熱至1250℃，保溫4h，將鋼坯軋制為60kg/m的斷面鋼軌，將所得余熱鋼軌直立于輥道后在空氣中靜置空冷，當余熱鋼軌的踏面中心溫度降至表2中的軋后空冷終止溫度時，迅速將鋼軌置于回火爐中回火，回火溫度和時間見表2，后取出繼續(xù)空冷至室溫。
對比例1-3
按照實施例1的方法，不同的是采用的鋼坯如表1中的對比例1-3，制備過程中的溫度控制參見表2。
表2
測試例
根據(jù)以下方法對實施例1-6和對比例1-3制備的鋼軌A1-A6和D1-D3進行性能檢測，具體地：
按GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測定鋼軌的拉伸性能，測得的Rp0.2(屈服強度)、Rm(抗拉強度)、A％(伸長率)、Z％(斷面收縮率)如表3所示；
按GB/T-229/2007方法測定鋼軌的沖擊性能，測定的常溫(25℃)和0℃下鋼軌的Aku(沖擊功)參見表3；
按TB/T-2344/2012方法測定鋼軌的軌底中心殘余應力，測定結果見表3；
按GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》采用TECNAL–G 2-20透射電鏡測定鋼軌A1的顯微組織，結果參見圖1；
按照GB/T 13298-1991方法測定貝氏體鐵素體片條和馬氏體的含量，采用XRD衍射方法測定薄膜狀殘余奧氏體的含量；以及貝氏體鐵素體片條和薄膜狀殘余奧氏體的寬度通過采用透射電鏡，選取至少200個視場，測定其寬度平均值，測定結果見表3。
表1至表3的結果表明，采用本發(fā)明的方法可以獲得貝氏體鐵素體片條的含量大于等于90重量％且片條寬度顯著細化、同時殘余奧氏體和馬氏體的含量均不超過5％的貝氏體精細結構，本發(fā)明提供的貝氏體鋼軌在獲得高強度的同時，韌塑性指標特別是沖擊韌性明顯高于對比例中的相應的技術指標；同時，貝氏體鋼軌的軌底中心殘余應力明顯低于對比例中的相應的技術指標，由此看出，本發(fā)明提供的貝氏體鋼軌具有更優(yōu)良的服役性能和安全性能。
以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。