[发明专利]1500MPa级高强韧性贝氏体/马氏体钢轨及其制造方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及钢轨领域，尤其涉及贝氏体/马氏体钢轨及其制造方法。

背景技术

近年来，随着列车速度、轴重以及运输密度的增加，钢轨伤损日益严重，尤其在小半径曲线或道岔尖轨或翼轨等部件上，钢轨磨耗、剥离及擦伤十分严重。特别地，在小半径曲线上，有些钢轨使用不到一年、通过总重不到亿吨，就因轨头侧面磨耗超限不得不更换；在曲线线路中上股钢轨的轨距角以及下股钢轨的轨面剥离掉块也十分严重，有的钢轨上道时间不长，轨面剥离掉块就达到几个毫米，甚至还诱发疲劳重伤，造成钢轨横向断裂。此外，在上坡起动地段以及下坡制动地段，钢轨擦伤也时有发生，严重时造成断轨，影响铁路运输的安全与效率。

为了减少钢轨的磨耗，现有技术中采用多种手段，通常是合金化或合金化与热处理相结合的方式，来提高钢轨的强度和硬度以提高耐磨性能。例如：

1)在钢中增加C、Si成分含量，以及添加V、Cr等合金，轧制后不加其他处理的微合金钢轨，如U75V型钢轨等。

2)通过加速冷却轨头部位而制造的轨头硬化热处理钢轨，如U75V、U77MnCr、PG4热处理钢轨等(例如参见名为含钒合金钢轨的热处理方法的中国专利ZL96117731.4)。

3)增加钢中的含C量至过共析成分，采用增加渗碳体密度的方式来增加其耐磨性能，再通过全断面加速冷却(即在线热处理)既细化珠光体组织、提高硬度，又抑制游离渗碳体的析出，以保证有足够的韧塑性的所谓过共析热处理钢轨(例如参见新日本制铁株式会社的名为“耐磨损性和耐内部伤损性能优良的钢轨及其制造方法”的专利ZL96190344.9；以及名为“耐磨性和延性优良的珠光体钢轨及其制造方法”的专利申请03800576.X等)。

然而，上述钢轨的特征在于，其含C量均超过0.70％以上，且组织结构均为珠光体。对于珠光体钢轨，采用合金化与热处理相结合的方式使强度达到1300MPa级已基本接近极限，若再提高强度，就难以避免会出现在这种高碳含量情形下不允许存在的高碳脆性(片状或孪晶)马氏体组织。另外，钢中C含量越高，添加的合金越多，淬透性越强，钢轨使用中抵抗机车车轮擦伤的能力也越差。

发明人发现，在轮轨接触应力的反复作用下，通常在轮轨接触区域材料发生塑性变形以及变形累积、随后硬化、塑性耗竭而产生剥离裂纹，裂纹扩展导致掉块；由此提高材料的塑性指标显然对提高抗剥离掉块的能力有利。

对于钢轨轨面剥离掉块伤损，用大型打磨列车定期打磨钢轨是一种解决方法。但其不仅打磨费用昂贵，且在列车运行期间往往没有充分的打磨时间。

针对上述珠光体钢轨存在的问题以及其它问题，贝氏体类钢轨应运而生。

例如，鞍钢新轧钢股份有限公司在其名为“抗磨损、高强韧性准贝氏体钢轨及其制造方法”的发明专利ZL02158853.8中公开了一种准贝氏体钢轨，其是通过提供合金化的钢并使热轧后的钢轨先空冷至400℃再以0.01℃/s-0.002℃/s的低冷却速度缓慢冷却至200℃，然后再空冷获得准贝氏体钢轨，其钢轨组织基本为无碳化物贝氏体。

北京特冶工贸有限责任公司在其名为“曲线和重载钢轨用贝氏体钢和贝氏体钢轨及其生产方法”的专利申请201010275470.0中公开了一种贝氏体钢及用该钢制成的钢轨，该钢轨通过合金化和随后的整体热处理以及在10-20℃/s的冷却速度的加速冷却到350-300℃并最后进行时效处理。

上述贝氏体钢轨，其抗拉强度等级大体为1200或1300MPa级，轨顶面硬度为370或380HB级别，虽然其韧塑性优于珠光体型钢轨，但耐磨性能不及相同强度等级的珠光体型钢轨。而且，上述专利或专利申请要求对钢轨的全断面进行热处理(或冷却)，并希望在钢轨的全断面中形成一致的硬度(例如见ZL02158853.8中发明内容最后一段)。而在钢轨中通常希望提供足够高的钢轨轨头表面硬度；以及在钢轨的其它部分提供合适的硬度以适合钢轨矫直和在铺设中的钻孔作业。由此，上述对比文件的钢轨很难实现这效果。

发明内容

因此，本发明针对上述问题，提供一种具有1500MPa级的高强韧性贝氏体/马氏体钢轨及其制造方法。该贝氏体/马氏体钢轨在含C量显著低于上述珠光体钢轨的情形下，精心控制其元素含量(即合金化)以及其处理工艺使得轨头的组织成分为C含量相对低的贝氏体以及板条状马氏体而具有优异的抗磨损、耐剥离、抗擦伤性能。