接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法与流程

1.本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法。


背景技术：

2.作为直接承载列车运行的关键轨道部件，钢轨在服役过程中与车轮直接接触。在长期轮轨接触过程中钢轨表面材料容易出现塑性耗竭现象，进而萌生裂纹并扩展，造成疲劳裂纹、剥离掉块甚至断轨等伤损。
3.u71mn热轧钢轨作为我国普速铁路和高速铁路主要使用钢轨，广泛应用于我国各地区线路，基本满足服役需求。但随着青藏铁路、川藏铁路等服役环境恶劣，人烟稀少线路的开通运行，对钢轨提出了低维护甚至免维护的服役需求。u71mn热轧钢轨接触疲劳性能较低，在使用过程中若不及时打磨维护，容易出现严重的接触疲劳伤损甚至断轨，严重威胁线路运行安全的同时还会增加养护人员的劳动强度和钢轨更换的频次，增加线路维护成本。因此，亟待一种接触疲劳性能优良的钢轨替代u71mn热轧钢轨在低维护铁路线路使用。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，以解决现有钢轨接触疲劳性能较低的问题。
5.根据本发明的一个方面，提出一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，包括以下步骤：
6.s1，对钢坯进行保温处理；
7.s2，利用轧制机组对保温处理后的钢坯进行轧制；
8.s3，对轧制后获得的余热钢轨依次进行加速冷却和自然冷却；
9.其中，在步骤s2中，所述轧制机组包括依次进行轧制的第一组轧机和第二组轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的多个第一轧机，所述第二组轧机包括依次进行轧制的多个第二轧机；多个所述第一轧机的开轧温度为1100～1300℃，并且在依次利用两个所述第一轧机进行轧制之间，对钢坯进行补充加热；多个所述第二轧机的开轧温度为750～950℃，并且在依次利用两个所述第二轧机进行轧制之间，对钢坯进行加速冷却。
10.根据本发明的一个实施例，所述轧制机组为七机架轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的bd1轧机、bd2轧机、由ur1轧机和e1轧机组成的ur1e1轧机，所述第二组轧机包括依次进行轧制的由ur2轧机和e2轧机组成的ur2e2轧机、uf轧机；
11.所述bd1轧机的开轧温度为1200～1300℃，所述bd1轧机轧制完成后对钢坯补充加热；
12.所述bd2轧机的开轧温度为1150～1250℃，所述bd2轧机轧制完成后对钢坯补充加热；
13.所述ur1e1轧机的开轧温度为1100～1200℃，所述ur1e1轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；
14.所述ur2e2轧机的开轧温度为850～950℃，所述ur2e2轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；
15.所述uf轧机的开轧温度为750～850℃。
16.根据本发明的一个实施例，所述ur1e1轧机轧制完成后，按照12～13℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却；
17.所述ur2e2轧机轧制完成后，按照9.5～10.5℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却。
18.根据本发明的一个实施例，在步骤s1中，保温温度为1250～1350℃。
19.根据本发明的一个实施例，在步骤s3中，当钢轨温度为700～750℃时开始进行加速冷却，冷却速率为2.3～2.7℃/s，当钢轨温度降至400～500℃时停止加速冷却，然后在空气中自然冷却至室温。
20.根据本发明的一个实施例，按质量百分比计，所述钢坯的化学成分为：c：0.55％～0.75％；si：0.40％～0.90％；mn：0.40％～0.80％；cr：0.25％～0.65％；cu：0.20％～0.50％；ni：0.15％～0.35％；mn+cr：1.10％～1.50％；cu+ni：0.40％～0.70％；v、nb、ti中的至少一种；其余为fe和不可避免的杂质；其中，当包含v时，v含量为0.02％～0.15％；当包含nb时，nb含量为0.01％～0.08％；当包含ti时，ti含量为0.001％～0.030％。
21.根据本发明的一个实施例，在1480mpa接触应力、0.5％滑差、500rpm转速的滚动对磨试验条件下，所述接触疲劳性能优良的钢轨的接触疲劳寿命为7.8万次
22.在根据本发明的实施例的接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法中，通过将多个第一轧机的开轧温度设置为1100～1300℃并且在依次利用两个第一轧机进行轧制之间对钢坯进行补充加热，可以保证钢坯在第一组轧机轧制时，表面温度与内部温度差异小，提高可轧性的同时，提高钢轨内外性能均匀性，有利于改善接触疲劳性能；通过将多个第二轧机的开轧温度设置为750～950℃并且在依次利用两个第二轧机进行轧制之间对钢坯进行加速冷却，可以抑制高温回复再结晶，细化轧制后奥氏体晶粒度，进一步提高成品钢轨的接触疲劳性能。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1示出根据本发明实施例的接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法的示意图；
25.图2示出根据本发明实施例的轧制机组的示意图；
26.图3示出根据本发明实施例的接触疲劳试样在钢轨上的取样区域；
27.图4示出根据本发明实施例的在接触疲劳试验中双轮对滚的示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
29.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两
个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
30.本发明提出一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，包括以下步骤：
31.s1，对钢坯进行保温处理；
32.s2，利用轧制机组对保温处理后的钢坯进行轧制；
33.s3，对轧制后获得的余热钢轨依次进行加速冷却和自然冷却；
34.其中，在步骤s2中，所述轧制机组包括依次进行轧制的第一组轧机和第二组轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的多个第一轧机，所述第二组轧机包括依次进行轧制的多个第二轧机；多个所述第一轧机的开轧温度为1100～1300℃，并且在依次利用两个所述第一轧机进行轧制之间，对钢坯进行补充加热；多个所述第二轧机的开轧温度为750～950℃，并且在依次利用两个所述第二轧机进行轧制之间，对钢坯进行加速冷却。
35.在本发明的实施例中，通过将多个第一轧机的开轧温度设置为1100～1300℃并且在依次利用两个第一轧机进行轧制之间对钢坯进行补充加热，可以保证钢坯在第一组轧机轧制时，表面温度与内部温度差异小，提高可轧性的同时，提高钢轨内外性能均匀性，有利于改善接触疲劳性能；通过将多个第二轧机的开轧温度设置为750～950℃并且在依次利用两个第二轧机进行轧制之间对钢坯进行加速冷却，可以抑制高温回复再结晶，细化轧制后奥氏体晶粒度，进一步提高成品钢轨的接触疲劳性能。
36.参考图1和图2，在一些实施例中，所述轧制机组为七机架轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的bd1轧机(第一开坯机)、bd2轧机(第二开坯机)、由ur1轧机和e1轧机组成的ur1e1轧机(第一万能精轧轧边机)，所述第二组轧机包括依次进行轧制的由ur2轧机和e2轧机组成的ur2e2轧机(第二万能精轧轧边机)、uf轧机(终轧机)。bd1轧机、bd2轧机、e1轧机和e2轧机均包括一对水平辊，ur1轧机、ur2轧机和uf轧机均包括一对水平辊和一对立辊。
37.在一些实施例中，所述bd1轧机的开轧温度为1200～1300℃，所述bd1轧机轧制完成后对钢坯补充加热；所述bd2轧机的开轧温度为1150～1250℃，所述bd2轧机轧制完成后对钢坯补充加热；所述ur1e1轧机的开轧温度为1100～1200℃，所述ur1e1轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；所述ur2e2轧机的开轧温度为850～950℃，所述ur2e2轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；所述uf轧机的开轧温度为750～850℃。在一些实施例中，所述ur1e1轧机轧制完成后，按照12～13℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却；所述ur2e2轧机轧制完成后，按照9.5～10.5℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却。
38.bd1轧机轧制完成后对钢坯补充加热，bd2轧机开轧温度1150～1250℃；bd2轧机轧制完成后对钢坯补充加热，ur1e1轧机开轧温度1100～1200℃。通过较高的开轧温度和补充加热，可以保证钢坯在前4个轧机轧制时，表面温度与内部温度差异小，提高可轧性的同时，提高钢轨内外性能均匀性。
39.ur1e1轧机轧制完成后对钢坯加速冷却，冷速12～13℃/s，ur2e2轧机开轧温度850～950℃；ur2e2轧机轧制完成后对钢坯加速冷却，冷速9.5～10.5℃/s，uf轧机开轧温度750～850℃。前4轧机轧制后钢坯基本成型，后续3轧机轧制变形量小，采用加速冷却的方式以及较低的开轧温度，可以抑制高温回复再结晶，细化轧制后奥氏体晶粒度，提高成品钢轨性能。
40.在一些实施例中，在步骤s1中，保温温度为1250～1350℃，从而使钢坯充分奥氏体
化，高温软化后达到轧制要求。
41.在一些实施例中，在步骤s3中，当钢轨温度为700～750℃时开始进行加速冷却，冷却速率为2.3～2.7℃/s，当钢轨温度降至400～500℃时停止加速冷却，然后在空气中自然冷却至室温。利用轧制余热进行加速冷却，可以减小钢轨珠光体组织片层间距，提高性能。同时，该过程冷速不宜过高，终冷温度不宜过低，防止钢轨出现异常马氏体组织。
42.在一些实施例中，按质量百分比计，所述钢坯的化学成分为：c：0.55％～0.75％；si：0.40％～0.90％；mn：0.40％～0.80％；cr：0.25％～0.65％；cu：0.20％～0.50％；ni：0.15％～0.35％；mn+cr：1.10％～1.50％；cu+ni：0.40％～0.70％；v、nb、ti中的至少一种；其余为fe和不可避免的杂质；其中，当包含v时，v含量为0.02％～0.15％；当包含nb时，nb含量为0.01％～0.08％；当包含ti时，ti含量为0.001％～0.030％。通过设计这样的化学成分，进一步改善钢轨的接触疲劳性能。
43.碳(c)是钢中获得良好强韧性匹配和综合力学性能最重要的元素。在本发明所述钢轨制备方法条件下，当碳的含量低于0.55重量％时，强化作用无法充分发挥，导致钢轨强度及抗疲劳性能不佳；当碳的含量高于0.75重量％时，钢轨韧塑性降低，达不到提高钢轨接触疲劳性能的目的。因此，本发明将碳含量范围限制在0.55～0.75重量％。
44.硅(si)在钢中通常固溶在铁素体中，可以提高材料强度和耐磨性能。在本发明所述钢轨制备方法条件下，当硅含量低于0.40重量％时，钢轨强度、耐磨性无法满足线路服役需求；硅在钢轨钢中又是裂纹敏感性元素，含量高于0.90重量％时，会造成疲劳断裂性能恶化。因此，本发明将硅含量范围限制在0.40～0.90重量％。
45.锰(mn)在钢中起到提高淬透性作用。在本发明所述钢轨制备方法条件下，当锰的含量低于0.40重量％时，钢轨淬透性不足，成品钢轨强度及疲劳性能，无法满足线路服役需求；当锰的含量高于0.80重量％时，钢轨淬透性过强，热处理会引起马氏体等异常组织。因此，本发明将硅含量范围限制在0.40～0.80重量％。
46.铬(cr)在钢中同样起到提高淬透性作用，同时还具有一定的抗氧化作用。能提高钢的强度和耐腐蚀性能。在本发明所述钢轨制备方法条件下，当铬含量低于0.25％时，钢轨强度不足，无法满足线路服役需求；当铬含量高于0.65％时，淬透性过强，钢轨中容易出现异常组织。因此，本发明将铬含量范围限制在0.25～0.65重量％。
47.铜(cu)在钢中主要起到抗氧化，抗腐蚀作用。在本发明所述钢轨制备方法条件下，当铜含量低于0.20％时，钢轨耐腐蚀作用提升不明显。当铜含量高于0.50％时，容易造成铜脆现象，造成钢轨性能恶化。因此，本发明将铜含量范围限制在0.20～0.50重量％。
48.镍(ni)在钢中可以抑制铜脆，同时提高耐蚀性能。在本发明所述的钢轨的铜含量基础上，当镍含量低于0.15％时，抑制铜脆作用不明显。当镍含量高于0.35％时，不利于钢轨焊接。
49.铌(nb)、钒(v)、钛(ti)在钢中主要与碳和氮作用，形成碳氮化物，抑制晶粒长大，提高钢轨强度及韧性。但含量过高会一方面影响焊接性能，还会导致钢轨塑性降低。
50.参考图3和图4，可以在钢轨的轨头部分进行取样以制备获得轮状的试验样，使用接触疲劳试验机，采用双轮对滚的方式(使得试验样和轮状的对磨样之间进行双轮对滚)来测量钢轨材料疲劳寿命，进而评价其接触疲劳性能。在一些实施例中，在室温空气环境中，在1480mpa接触应力、0.5％滑差、500rpm转速的滚动对磨试验条件下，根据本发明技术方案
制备的钢轨的接触疲劳寿命为7.8万次。
51.发明人还对当前广泛使用的u71mn热轧钢轨的接触疲劳寿命进行了检测，测得在室温空气环境中，在1480mpa接触应力、0.5％滑差、500rpm转速的滚动对磨试验条件下，u71mn热轧钢轨疲劳寿命仅约6万次。可见，通过本发明技术方案制备的钢轨的接触疲劳寿命较u71mn热轧钢轨提高30％，接触疲劳性能得到较大提高。
52.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，对钢坯进行保温处理；s2，利用轧制机组对保温处理后的钢坯进行轧制；s3，对轧制后获得的余热钢轨依次进行加速冷却和自然冷却；其中，在步骤s2中，所述轧制机组包括依次进行轧制的第一组轧机和第二组轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的多个第一轧机，所述第二组轧机包括依次进行轧制的多个第二轧机；多个所述第一轧机的开轧温度为1100～1300℃，并且在依次利用两个所述第一轧机进行轧制之间，对钢坯进行补充加热；多个所述第二轧机的开轧温度为750～950℃，并且在依次利用两个所述第二轧机进行轧制之间，对钢坯进行加速冷却。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轧制机组为七机架轧机，所述第一组轧机包括依次进行轧制的bd1轧机、bd2轧机、由ur1轧机和e1轧机组成的ur1e1轧机，所述第二组轧机包括依次进行轧制的由ur2轧机和e2轧机组成的ur2e2轧机、uf轧机；所述bd1轧机的开轧温度为1200～1300℃，所述bd1轧机轧制完成后对钢坯补充加热；所述bd2轧机的开轧温度为1150～1250℃，所述bd2轧机轧制完成后对钢坯补充加热；所述ur1e1轧机的开轧温度为1100～1200℃，所述ur1e1轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；所述ur2e2轧机的开轧温度为850～950℃，所述ur2e2轧机轧制完成后对钢坯加速冷却；所述uf轧机的开轧温度为750～850℃。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述ur1e1轧机轧制完成后，按照12～13℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却；所述ur2e2轧机轧制完成后，按照9.5～10.5℃/s的冷却速率对钢坯加速冷却。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s1中，保温温度为1250～1350℃。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3中，当钢轨温度为700～750℃时开始进行加速冷却，冷却速率为2.3～2.7℃/s，当钢轨温度降至400～500℃时停止加速冷却，然后在空气中自然冷却至室温。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按质量百分比计，所述钢坯的化学成分为：c：0.55％～0.75％；si：0.40％～0.90％；mn：0.40％～0.80％；cr：0.25％～0.65％；cu：0.20％～0.50％；ni：0.15％～0.35％；mn+cr：1.10％～1.50％；cu+ni：0.40％～0.70％；v、nb、ti中的至少一种；其余为fe和不可避免的杂质；其中，当包含v时，v含量为0.02％～0.15％；当包含nb时，nb含量为0.01％～0.08％；当包含ti时，ti含量为0.001％～0.030％。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在1480mpa接触应力、0.5％滑差、500rpm转速的滚动对磨试验条件下，所述接触疲劳性能优良的钢轨的接触疲劳寿命为7.8万次。

技术总结
本发明公开了一种接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，包括以下步骤：S1，对钢坯进行保温处理；S2，利用轧制机组对保温处理后的钢坯进行轧制；S3，对轧制后获得的余热钢轨依次进行加速冷却和自然冷却；其中，在步骤S2中，轧制机组包括依次进行轧制的第一组轧机和第二组轧机，第一组轧机包括依次进行轧制的多个第一轧机，第二组轧机包括依次进行轧制的多个第二轧机；多个第一轧机的开轧温度为1100～1300℃，并且在依次利用两个第一轧机进行轧制之间，对钢坯进行补充加热；多个第二轧机的开轧温度为750～950℃，并且在依次利用两个第二轧机进行轧制之间，对钢坯进行加速冷却。本发明能够提高钢轨的接触疲劳性能。能够提高钢轨的接触疲劳性能。能够提高钢轨的接触疲劳性能。


技术研发人员：汪渊 陈崇木 杨大巍 李若曦
受保护的技术使用者：攀钢集团攀枝花钢钒有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/22