钢轨在线余热强化工艺

期月卷年第包头钢铁学院学报钢轨在线余热强化工艺’刘宗昌王宝峰王贵张国柱包头钢铁学院包头钢铁公司摘要在分析钢轨工作条件、性能要求及化学成分特点的基础上,对国内外钢轨在线强化工艺进行了综合评述。用相变理论全面分析了钢轨余热强化过程,为工艺的工业实施提供了充分的理论依据。关橄词钢轨,余热强化,珠光体中图分类号巧随着我国铁路运输事业的迅速发展,对钢轨的性能提出了越来越高的要求。我国铁路弯道多,轴重,火车时速,年运输量在不断增加因而钢轨的服役条件日益恶劣。火车车轮与钢轨的接触面是很小的,载荷的垂直重力,牵引力和制动力,弯道处的导向力都作用于轨头的一小块面积上,因此提高钢轨的强度是提高寿命的最根本途径。世界上对钢轨的研究和应用表明,细片状珠光体组织具有现代钢轨所必需的耐磨性,高的疲劳强度以及易于焊接等优点。理论上,凡获得较为平衡的片状珠光体组织的工艺属正火,即使鼓风,喷雾,水浸至后再空冷,得到共析组织,也称为正火。因此,钢轨“余热淬火”实质上为正火,由于国内外已习惯上称之余热淬火,故本文也暂以此称之。应当提出,国内外均研究过钢轨的淬火一回火工艺称,得到了马氏体、贝氏体组织再经回火获得回火索氏体组织,渗碳体呈粒状分布,实际应用中发现接触疲劳性能较差而没有成功‘年代以来,兴起了钢轨轧后在线热处理工艺,即利用轧制余热直接喷射冷却介质或阶段性浸入冷却介质,实现轨头奥氏体一‘细片状珠光体的转变,获得了满意的性能,即余热强化工艺获得成功,也称“余热淬火”,但从物理冶金角度讲与处理有着本质上的区别。本文从物理冶金角度阐述了钢轨在线余热强化工艺的理论依据及应用研究。钢轨的工作条件及性能要求火车车轮在钢轨上运动时,钢轨踏面上与车轮以很窄的线形面接触,接触是瞬时的,周期性变化的,接触应力可高达。一列货车有数十节车厢,百余个车轮周期性的加载于该踏面处。在曲线段牵引力、制动力及弯道导向力作用下,既有滚动也有滑动,接触面上承受强烈摩擦,年运输量越大,磨损越严重。依上述工作条件,钢轨的性能应大致要求如下高的强度。。和。高的接触疲劳强度均匀的硬度和高的耐磨性良好的焊接性一定的耐候性必要的塑性和韧性等。,收稿日期一一修改稿一一包头钢铁学院学报从目前应用情况看,曲线段钢轨在疲劳报废之前就已因磨损到位而更换下来,因此提高耐磨性显得较为突出。钢轨头部在线余热强化应达到如下性能指标。,写中写一应当指出,轨底、轨腰也应适当强化,并保持轨头、轨底呈现良好的压缩应力状态,铁道部提出钢轨要向高碳、高强度、高纯度、高精度方向发展。钢轨的成分特点及合金化为了获得完全的共析组织,应采用共析碳素钢或近于共析成分的合金钢轨。随着钢中碳含量的增加,强度提高,耐磨性增强。目前世界各国生产的钢轨有碳素钢轨和合金钢轨两大类。碳素共析钢轨含碳一,含锰一,尚有硅、硫、磷等杂质元素。我国生产的钢轨,其成分为一,一,一,簇,镇。为了容易获得细片状珠光体,并进一步强化,加人、、、。,等元素进行合金化,形成合金钢轨,如美,美、中,钢轨,一钢轨德,一钢轨英,一一钢轨澳、日等。合金钢轨具有高强度,高耐磨性和一定塑性,但、会降低焊接性能,因此发展微合金化钢轨已成为一种趋势,利用、、、。等元素强化基体,细化组织,经热处理后得到超高强度钢轨。、,塑性、韧性不降低,且不损害焊接性。珠光体的片间距与性能的关系珠光体的片间距。与强度有如下关系,,一〔。一告告〕。、,〔。一专〕式中一珠光体片层间距,,,表示钢中该元素的重量百分数。可见,屈服强度和强度极限均随片层间距的减小而增加。根据片状珠光体组织的电镜照片,测得珠光体片层间距约为。一,属细片状珠光体范围又根据卢森堡提供的照片测得。一。实际上与片层垂直截面上测定的将比此值稍小。珠光体片层间距与断裂强度的关系如图〔,〕,可见,片层间距与断裂强度呈线性关系,当片层间距。一时,断裂强度。一。珠光体硬度与抗拉强度的关系如图所示,可见当珠光体硬度为一时,强度极限可达。实际应用表明,细片状珠光体组织和较高硬度一具有最好的耐磨性。当硬度偏高时,会出现变态珠光体组织和微量的贝氏体,其耐磨性并不理想。从硬度与磨损率的关系图可见,珠光体越细耐磨性越好,当硬度大于时,会同时出现贝氏体和极细珠光体,当保持片层状珠光体时,耐磨性仍可提高,若为贝氏体组织,耐磨性将没什么改善,当为··刘宗昌等钢轨在线余热强化工艺片状珠光体和贝氏体混合组织时,耐磨性不会有明显提高。因此,钢轨硬度控制在以下即可,即获得一为宜。声‘,‘仪万必‘“八!∀!臼.‘‘.亡Jj龟,,.,.,J,J,J,J,叨,J,J,J目\侧甲O//万‘,/卜11‘月..卫es加.....卜.lseJF.协翻6040加如0X1.受\盆匕0故0阴m/夕/,’/./.158。7归m二l。3从m.21。9脚m必22。7M.l‘....‘尸即即110011501艺二l:5.13的l,5.,0加。一性尸寸一犷一犷月犷兮厂宝a。/淤as扩/n.X10一图1共析碳钢珠光体片间距S。与断裂强度叭的关系1050图2珠光体的硬度与强度极限仇的关系翻份撼贝氏体等250300150硬度,!仍透00图3各种组织的硬度与磨损率的关系55包头钢铁学院学报4钢轨余热“淬火”强化时的转变余热“淬火”是钢轨终轨后进入冷却机组由奥氏体向珠光体的连续冷却转变。钢轨坯加热到1200℃左右~950mm粗轧机轧~800/850mm轧机轧制成重轨(终轧温度约930℃),~热锯分段~横移台架拉至PT跨~热轧轨由冈翻至至状态~移至淬火冷却机组入口前准备淬火强化。这时温度一般已降到750一82。℃左右,有时偏高可达900℃左右。从终轧温度到淬火冷却机组前约经历90一1205,实际上足以完成了奥氏体的再结晶过程,轧制过程中的奥氏体晶粒形变及高密度位错已通过动态再结晶和静态再结晶而趋于平衡状态。因此余热淬火的奥氏体晶粒状态与重新加热奥氏体化状态,二者无明显差异。n“nllnflnllnllnlln‘声八“”O口p\卜6004002001010空103/Stl74的CCT曲线原始状态:热轧奥氏体化:,叨’C10‘10‘5.in图4钢轨余热强化工艺示意图刘宗昌等:钢轨在线余热强化工艺钢轨进入淬火机组后,冷到550一630℃之间奥氏体分解为细片状珠光体,轨头应冷至此温度范围内进行亚等温转变。钢轨的含碳量在。.65一0.82%之间,加之合金元素Mn、Cr等对共析成分的影响,钢轨钢应为亚共析钢到过共析钢。由于淬火强化实际上为正火处理,故均得到伪共析组织,即抑制了先共析铁素体和先共析渗碳体的析出,得到100%的伪珠光体组织。图4为钢轨余热强化工艺示意图解。如上所述,轨头需得到均匀的细片状珠光体组织,因此过冷奥氏体应在细片状珠光体转变温度区间有个准等温过程,它即不是纯粹的等温转变,也不是真正的连续冷却转变,是介于TTT与ccT之间的转变,这一过程的模拟研究尚待进行。准等温的转变温度范围应由珠光体片层间距而定,珠光体的片层间距与过冷度之间有如下经验公式〔幻:S。=5.02x10,/△T(nm)或S。=zsxio丫△T(nm)此式仅适用于过冷度△T200℃的温度范围。当过冷度过大时会发生贝氏体转变。图5表示了珠光体片层间距与过冷度的关系〔3〕。可见当过冷度△T为100~200℃时,珠光体片层间距可基本稳定在100~140nm之间,当△T200℃时出现贝氏体组织,这是不希望得到的,当△T100C时,珠光体片层间距显著变厚,也是不希望的。图6表示了形成温度对珠光体片层间距的影响〔2,。可见0.8%C碳素钢,当相变温度为727~627℃时。片间距S。、150一45onm,627一59oaC之间S。、80~15onm与图5大致吻合。由此可见,轨头冷却到630℃~550℃之间,奥氏体均可分解为细片状珠光体,其片间距约为90~130nmonnUO000nU.……几”9吕n了”七Jr月性口.二2.03.0Z。一又‘u、。的l|以。。川09st才RrJ4l.氏0.0.0.0.0.月吕裁结能怡一,扩嗜咭言飞~△T/℃图5珠光体片层间距与过冷度的关系奥氏体在550一630℃之间完成分解,得到细片状珠光体的时间也是一个重要的参数,因为钢轨在冷却机组中通过的时间是很短的,初步设计为605左右。A~P转变终了时间可从CCT和TTT图中获得,见图7〔‘〕、8〔5〕。从图中可见,若在600aC等温转变,需要405完成;若连续冷却转变,从620℃开始,到550C结束转变,约需1005左右。第14卷第1期包头钢铁学院学报肠位尺寸.。~.22.7,m.卜..刀.加m。~~.1。3阴m.-.15.。7即mO~~620林IU合奴公澄.氮以日认\当蒸l叶器-.\o-…」700“U620朋0540匀0T/℃图6珠光体片间距与转变温度的关系sokg/m,6okg/m,75kg/m钢轨的轨头尺寸不等,分别为42mmx72mm,48.smmx73mm,53.3mmx75mm。如此大的轨头,热焙较大,过冷到600℃左右,既使水雾急冷,也需要一定时间。为了使轨头的过冷奥氏体在冷却机组中完成珠光体转变,冷却速度应当快一些,最好接近于水的冷却速度。口00AAA---丁丁正二二峨抽状奋.鹅札典氏怜化…℃I一l.舀位度:,扭p、卜11010.10.10.t/s图7o.64C、l.13Mn钢的TTT图10!02!0’】04图8o.63C、1.oMn钢的CCT图5钢轨全断面合理的硬度分布各国淬火钢轨的硬度大体上在30。一37oHB之间,如图9〔‘〕。可见踏面下Zmm深处的硬度。58·刘宗昌等:钢轨在线余热强化工艺Hl一L1fe在线热处理誉破软Rl一L王f。替徽头部热处理软不同创造厂的替破头部热处理执nllnUnU户kU怪月,JnUUnq‘nn”,Jn」尹洲组留\、\.口‘‘‘..口..电~一240”nllL.喂‘浦喂”伪‘”Ž“口,‘U.0“”.月任0onll”介‘踏面以下距离,.图9Hi一Life37o在线热处理普碳轨头部硬度分布368375,s{3,8375363363.363.345345.304.293311.图l。钢轨全断面硬度分布59第14第1卷期包头钢铁学院学报为36。~370HFHi一Life在线热处理轨在踏面下smm,22mm处附近分别有最高值约达3soHB,而在3,nm,iomm,3omm等处附近具有谷值(36oHB,34oHB),这种波浪式的硬度分布可能与淬火的间断水冷有关。而其它厂家的钢轨头部硬度从表层的360HB开始下降,踏面深处降低到250HB左右。余热淬火强化后典型的硬度分布如图10所示。可见踏面表层为360一370HB,下颗处偏低,约320一340HB。轨腰、轨底的硬度均较低,约300~31OHB。相当强度。:妻7OOMPa,。、)1000MPa。在线余热淬火强化的主要目标是轨头,而轨腰、轨底的性能比较容易满足铁路运输的要求。如果说轧制态的强度能满足使用条件,那么在线余热强化过程中,轨底、轨腰也比轧态增强了冷却,也适当进行了强化。如U74钢60kg/m轨轧态交货。b90oMPa已为优良等级了。在线余热强化时对轨底、轨腰的冷却主要作用是调整热应力和组织应力以达到控制钢轨的弯曲变形。6余热强化冷却工艺为了获得理想的细片状珠光体组织,利用轧制后的余热进行淬火强化,国内外已进行了研究开发工作。采用的冷却工艺多种多样,如吹风冷却.水溶液淬火,盐浴冷却,空气一水混合冷却,沸水淬火,喷水冷却,喷雾冷却等。所有这些冷却技术均以获得260一360HB硬度为目标。当前在生产中应用的有新日铁的压缩空气余热淬火;法国采用轧后余热压缩空气淬火;英国、卢森堡采用轧后余热间断水冷淬火等。包钢曾于70年代采用空气一水喷雾冷却技术进行过离线热处理,钢轨性能良好,但没有建成生产线而中断了投产。卢森堡采用间断喷水冷却方式实现了在线余热强化,较为成功。图n为喷水咀位置及轨头表面温度变化曲线〔6、。可见轨头进入机组后经过4个喷水嘴,共前进1.sm左右,轨头表面温度已降到650℃左右,为珠光体形成创造了条件。轨头前进过程中,每间隔40一60om远经历一次直射喷水冷却,表面温度波浪式降