耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋼軌材料，具體涉及耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌。本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，采用如下熱處理方法制備得到：將熱軋后處于奧氏體相區(qū)的鋼軌進(jìn)行加速冷卻，冷卻速度為2～5℃/s，直到軌頭踏面溫度降至480℃以下時(shí)，停止加速冷卻，空冷至室溫，得到鋼軌成品；所述鋼軌成品的顯微組織為由片狀鐵素體和其間交替分布的滲碳體組成的珠光體，珠光體片間距不超過120nm，鋼軌成品的抗拉強(qiáng)度≥1200MPa，延伸率≥10％。本發(fā)明鋼軌耐海洋環(huán)境腐蝕，在海洋環(huán)境中腐蝕速率低于同等條件下碳素及普通微合金化鋼軌的1/2，適宜于沿海地區(qū)大運(yùn)量、軸重高的重載鐵路應(yīng)用。
【專利說明】耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼軌材料，具體涉及耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼軌作為引導(dǎo)列車運(yùn)行并將載荷傳遞至道床的結(jié)構(gòu)件，直接關(guān)系到鐵路的運(yùn)輸效 率和行車安全。由于鐵路長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，因而鐵路用鋼不僅要滿足各項(xiàng)力學(xué)性能 要求，還同時(shí)要具有一定的耐腐蝕性能。在鋼軌服役過程中，不僅要承受各項(xiàng)復(fù)雜應(yīng)力作 用，還將面臨因長(zhǎng)期腐蝕導(dǎo)致的失效問題。我國(guó)東南沿海鐵路密集，行車密度大，通過總重 高，由于長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中服役，鋼軌銹蝕嚴(yán)重，在確保所需力學(xué)性能的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高鋼 軌的耐腐蝕性能，使其至少滿足一個(gè)大修周期的要求，避免因腐蝕問題提前更換下道將是 今后亟待解決的問題。
[0003] 研究表明，提高鋼軌的耐腐蝕性能通常有以下三種方法：一是表層涂覆耐腐蝕液 態(tài)材料，通過在鋼軌表層人為覆蓋一層與基體隔離的薄膜，避免鋼軌基體與空氣或其它介 質(zhì)接觸，提高鋼軌耐腐蝕性能；二是通過犧牲陽極提高鋼軌的耐腐蝕性能；三是通過向普 通碳素軌中添加 Cu、Cr、Ni等耐腐蝕元素，提高鋼軌基體的耐腐蝕性能。前述兩種方法的耐 腐蝕原理與本發(fā)明有本質(zhì)不同，對(duì)于第三種方式，是目前國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)研究方向。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮?01010034200. 0的專利公開了一種具有優(yōu)良強(qiáng)韌性能抗疲勞性能和耐 磨性能耐蝕重軌鋼，其基本合金體系中合金元素的重量百分含量為：C :0. 55%?0. 72%、 Si :0· 35%?1. 1%、Μη :0· 7 ?1. 40%、Cr :0· 2%?0· 65%、Cu :0· 2%?0· 65%，余量為 Fe，在上述基本成分基礎(chǔ)上，同時(shí)添加一種或幾種微合金元素 Nb、V、Ti、Ni、Mo,其中Nb : 0· 01 % ?0· 055 %、V :0· 05 % ?0· 10 %、Ti :0· 001 % ?0· 05 % ;Ni :0· 1 % ?0· 3 %、Mo : 0. 15%?0. 3%。該專利采用了在現(xiàn)有碳素鋼軌鋼的基礎(chǔ)上添加 Cr、Cu等廉價(jià)耐腐蝕合 金元素的方式提高鋼軌的耐腐蝕性能；同時(shí)，根據(jù)性能的需要添加 V、Nb、Ti等合金元素， 依據(jù)添加量不同在鋼中發(fā)揮固溶或析出強(qiáng)化作用，最終提高鋼軌的強(qiáng)韌性。研究表明，在 低碳或超低碳鋼中添加 Cr、Cu、Ni等元素同時(shí)增加提高耐腐蝕性能顯著的P元素含量，可 以在原有碳素鋼的基礎(chǔ)上顯著提高耐大氣及海洋環(huán)境性能，如我國(guó)早期研制的〇9CuPTiRE、 09CuPCrNi耐候鋼等。對(duì)于如鋼軌等高碳鋼，添加 Cr、Cu、Ni元素對(duì)于組織、力學(xué)性能及耐 腐蝕性能的影響與低碳鋼有類似之處，同時(shí)也存在明顯不同。首先，Cr含量是目前鋼軌鋼普 遍采用的強(qiáng)化元素，提高Cr含量不僅對(duì)強(qiáng)韌性提高顯著，同時(shí)也能夠提高耐腐蝕性能；添 加0. 2 %?0. 65 %的Cu以及根據(jù)需要添加0. 1 %?0. 3 %的Ni能夠略微提高鋼軌的強(qiáng)硬度 指標(biāo)而不損失韌塑性；對(duì)于耐腐蝕性能，如鋼中P含量< 〇. 025%，其對(duì)提高鋼軌耐腐蝕性 能的貢獻(xiàn)有限。同時(shí)，Cu含量超過0. 5%以后，還將引起焊接性能特別是鋁熱焊沖擊韌性的 惡化并增加銅脆的傾向性，不利于鋼軌的服役安全。此外，該專利中碳含量上限為〇. 72%， 并且采用熱軋態(tài)鋼軌直接上道應(yīng)用，鋼軌強(qiáng)度級(jí)別較低，僅能滿足高速及普通客貨混勻鐵 路需要，難以滿足大軸重、大運(yùn)量重載鐵路運(yùn)輸需求。因此，亟需一種耐海洋環(huán)境腐蝕的熱 處理鋼軌滿足鐵路發(fā)展需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌。
[0006] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，采用如下熱處理方法制備得到：將熱軋后處于奧 氏體相區(qū)的鋼軌進(jìn)行加速冷卻，冷卻速度為2?5°C /s，直到軌頭踏面溫度降至480°C以下 時(shí)，停止加速冷卻，空冷至室溫，得到鋼軌成品；所述鋼軌成品的顯微組織為由片狀鐵素體 和其間交替分布的滲碳體組成的珠光體，珠光體片間距不超過120nm，鋼軌成品的抗拉強(qiáng)度 彡1200MPa，延伸率彡10%。
[0007] 其中，加速冷卻可以通過對(duì)鋼軌的軌頭踏面及軌頭兩側(cè)施加冷卻介質(zhì)來進(jìn)行。
[0008] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的鋼軌化學(xué)成分優(yōu)選由以下重量百分比的元素組成：C: 0· 71 % ?0· 80 %、Si :0· 30 % ?0· 80 %、Μη:0· 80 % ?1. 20 %、Cr:0. 15 % ?0· 35 %、 V :0· 04% ?0· 12 %、Cu :0· 30 % ?0· 50 %、Ni :Cu 含量的 1/2、P :0· 03 % ?0· 05 %、S : < 0.020 %，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。更優(yōu)選由以下重量百分比的元素組成：C: 0. 77 %, Si ：0. 80 %, Μη ：1. 12 %, Ρ ：0. 042 S ：0. 012 Cr ：0. 35 Cu ：0. 50 Ni ： 0. 25%、V :0. 09%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009] 本領(lǐng)域常用的冷卻介質(zhì)均適用于本發(fā)明，優(yōu)選為介質(zhì)為壓縮空氣、水霧混合氣或 油氣混合氣。
[0010] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌的化學(xué)成分優(yōu)選為含有〇. 30%?0. 50%的Cu、Cu 含量1/2的Ni以及0.03%?0.05%的P。
[0011] Cu含量?jī)?yōu)選控制在0.30 %?0.50 %。當(dāng)鋼中Cu含量<0.20%，作為鋼中提高耐 腐蝕性能最重要的元素，無法發(fā)揮相應(yīng)作用，進(jìn)而達(dá)到本發(fā)明提高鋼軌耐腐蝕性能的目的； 當(dāng)鋼中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在強(qiáng)氧化氣氛中較長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱及保溫時(shí)，由于Fe 的選擇性氧化，在崗的表層氧化皮與基體界面將富集一層熔點(diǎn)低于ll〇〇°C的富Cu相，并沿 奧氏體晶界滲透，將使鋼坯以及軋制后的鋼軌產(chǎn)生表層裂紋或角裂；另一方面，通過焊接模 擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Cu含量提高后將顯著惡化鋼軌的焊接性能特別是鋁熱焊的沖擊韌性，不利于 鋼軌接頭的服役安全性。
[0012] Ni含量?jī)?yōu)選為Cu含量的1/2。在含Cu鋼中添加 Ni，能夠提高Cu在奧氏體中的溶 解度，在含Cu鋼中加入一定量的Ni，能夠防止Cu脆現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)可進(jìn)一步提高鋼軌的 耐腐蝕性能，由于Ni為昂貴合金元素，適宜的含量為Cu含量的1/2,即Ni在鋼中的作用除 提高耐腐蝕性能外，主要用于減輕Cu含量提高對(duì)鋼軌部分性能的危害。
[0013] 對(duì)于鋼中的P元素，則是耐腐蝕鋼材中作用僅次于Cu的最重要的耐腐蝕元素，P在 鋼中提高耐大氣腐蝕方面有著特殊的作用，主要表現(xiàn)為P促使非晶態(tài)銹層的形成并改善銹 層結(jié)果，提高致密度及和鋼表面的粘結(jié)性、增強(qiáng)與大氣隔離方面有著獨(dú)特的效應(yīng)有關(guān)。鋼中 適量的Cu和P同時(shí)添加到鋼中，其復(fù)合耐腐蝕作用更加顯著。因此，對(duì)于耐腐蝕鋼中的P 含量，一般不宜超過〇. 10%。然而，P提高耐腐蝕性能的同時(shí)也帶來了脆性增加、韌塑性特 別是沖擊韌性降低的危害，在鋼軌等高碳鋼中十分明顯。研究表明，既要發(fā)揮P對(duì)提高耐腐 蝕性能的有益作用，又要降低因脆性導(dǎo)致服役風(fēng)險(xiǎn)的增加，優(yōu)選的P含量控制在0. 03%? 0. 05%為宜，如P含量低于0. 03%，鋼軌在大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能無法有效提高；如P含 量高于0. 05%，鋼軌脆性過大，無法滿足服役要求。
[0014] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌可采用如下方法制備：采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉含所述 化學(xué)成分的鋼水，經(jīng)爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為大方坯后送入加熱爐加熱并保溫，采 用孔型法或萬能法軋制成單重50?75kg/m鋼軌后進(jìn)行熱處理，可得耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼 軌。
[0015] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其顯微組織為由片狀鐵素體和期間交替分布的滲 碳體組成的珠光體，片間距不超過120nm;具有良好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度> 1200MPa、延伸 率> 10% ;耐海洋環(huán)境腐蝕，在海洋環(huán)境中腐蝕速率低于同等條件下碳素及普通微合金化 鋼軌的1/2,適宜于沿海地區(qū)大運(yùn)量、軸重高的重載鐵路應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌的顯微組織照片。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，采用如下熱處理方法制備得到：將熱軋后處于奧 氏體相區(qū)的鋼軌進(jìn)行加速冷卻，冷卻速度為2?5°C /s，直到軌頭踏面溫度降至480°C以下 時(shí)，停止加速冷卻，空冷至室溫，得到鋼軌成品；所述鋼軌成品的顯微組織為由片狀鐵素體 和其間交替分布的滲碳體組成的珠光體，珠光體片間距不超過120nm，鋼軌成品的抗拉強(qiáng)度 彡1200MPa，延伸率彡10%。
[0018] 其中，加速冷卻可以通過對(duì)鋼軌的軌頭踏面及軌頭兩側(cè)施加冷卻介質(zhì)來進(jìn)行。
[0019] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的鋼軌化學(xué)成分優(yōu)選由以下重量百分比的元素組成：C: 0· 71 % ?0· 80 %、Si :0· 30 % ?0· 80 %、Μη:0· 80 % ?1. 20 %、Cr:0. 15 % ?0· 35 %、 V :0· 04% ?0· 12 %、Cu :0· 30 % ?0· 50 %、Ni :Cu 含量的 1/2、P :0· 03 % ?0· 05 %、S : < 0.020 %，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。更優(yōu)選由以下重量百分比的元素組成：C: 0. 77 %, Si ：0. 80 %, Μη ：1. 12 %, Ρ ：0. 042 S ：0. 012 Cr ：0. 35 Cu ：0. 50 Ni ： 0. 25%、V :0. 09%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0020] 本領(lǐng)域常用的冷卻介質(zhì)均適用于本發(fā)明，優(yōu)選為介質(zhì)為壓縮空氣、水霧混合氣或 油氣混合氣。
[0021] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌的化學(xué)成分優(yōu)選為含有0. 30%?0. 50%的Cu、Cu 含量1/2的Ni以及0.03%?0.05%的P。
[0022] Cu含量?jī)?yōu)選控制在0.30 %?0.50 %。當(dāng)鋼中Cu含量<0.20%，作為鋼中提高耐 腐蝕性能最重要的元素，無法發(fā)揮相應(yīng)作用，進(jìn)而達(dá)到本發(fā)明提高鋼軌耐腐蝕性能的目的； 當(dāng)鋼中Cu含量> 0. 50%，一方面，如在強(qiáng)氧化氣氛中較長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱及保溫時(shí)，由于Fe 的選擇性氧化，在崗的表層氧化皮與基體界面將富集一層熔點(diǎn)低于ll〇〇°C的富Cu相，并沿 奧氏體晶界滲透，將使鋼坯以及軋制后的鋼軌產(chǎn)生表層裂紋或角裂；另一方面，通過焊接模 擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Cu含量提高后將顯著惡化鋼軌的焊接性能特別是鋁熱焊的沖擊韌性，不利于 鋼軌接頭的服役安全性。
[0023] Ni含量?jī)?yōu)選為Cu含量的1/2。在含Cu鋼中添加 Ni，能夠提高Cu在奧氏體中的溶 解度，在含Cu鋼中加入一定量的Ni，能夠防止Cu脆現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)可進(jìn)一步提高鋼軌的 耐腐蝕性能，由于Ni為昂貴合金元素，適宜的含量為Cu含量的1/2,即Ni在鋼中的作用除 提高耐腐蝕性能外，主要用于減輕Cu含量提高對(duì)鋼軌部分性能的危害。
[0024] 對(duì)于鋼中的P元素，則是耐腐蝕鋼材中作用僅次于Cu的最重要的耐腐蝕元素，P在 鋼中提高耐大氣腐蝕方面有著特殊的作用，主要表現(xiàn)為P促使非晶態(tài)銹層的形成并改善銹 層結(jié)果，提高致密度及和鋼表面的粘結(jié)性、增強(qiáng)與大氣隔離方面有著獨(dú)特的效應(yīng)有關(guān)。鋼中 適量的Cu和P同時(shí)添加到鋼中，其復(fù)合耐腐蝕作用更加顯著。因此，對(duì)于耐腐蝕鋼中的P 含量，一般不宜超過〇. 10%。然而，P提高耐腐蝕性能的同時(shí)也帶來了脆性增加、韌塑性特 別是沖擊韌性降低的危害，在鋼軌等高碳鋼中十分明顯。研究表明，既要發(fā)揮P對(duì)提高耐腐 蝕性能的有益作用，又要降低因脆性導(dǎo)致服役風(fēng)險(xiǎn)的增加，優(yōu)選的P含量控制在0. 03%? 0. 05%為宜，如P含量低于0. 03%，鋼軌在大氣環(huán)境中的耐腐蝕性能無法有效提高；如P含 量高于0. 05 %，鋼軌脆性過大，無法滿足服役要求。
[0025] 本發(fā)明耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌可采用如下方法制備：采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉含所述 化學(xué)成分的鋼水，經(jīng)爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為大方坯后送入加熱爐加熱并保溫，采 用孔型法或萬能法軋制成單重50?75kg/m鋼軌后進(jìn)行熱處理，可得耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼 軌。
[0026] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的描述，并不因此將本發(fā)明限 制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其化學(xué)成分為C :0. 71 %、Si :0. 69 %、Μη:0. 92 %、 Cr:0. 20%、V :0· 08、Cu :0· 38%、Ni :0· 20%、P :0· 030%、S :彡 0· 015%，余量為 Fe 和不可 避免的雜質(zhì)。
[0029] 采用轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉含上述成分的鋼水，經(jīng)爐外精煉、真空脫氣處理，連鑄為大方 坯后送入加熱爐加熱并保溫，采用孔型法或萬能法軋制成單重50?75kg/m鋼軌，利用鋼軌 余熱，分別對(duì)鋼軌的軌頭踏面及軌頭兩側(cè)施加2. 8°C /s的冷卻介質(zhì)，當(dāng)軌頭踏面溫度降至 465 °C時(shí)停止加速冷卻并空冷至室溫。
[0030] 將上述方法制備的鋼軌進(jìn)行顯微組織、珠光體片層間距、常溫拉伸性能及周期浸 潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn)測(cè)試，
[0031] 其中，周期浸潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn)條件如下：
[0032] ①溫度：45±2°C;
[0033] ②濕度：70±5%RH;
[0034] ③每一個(gè)循環(huán)周期60±3min，其中，浸潤(rùn)時(shí)間12±1. 5min ;
[0035] ④循環(huán)次數(shù)：100次；
[0036] ⑤烘烤后試樣表面最高溫度：70±10°C ;
[0037] ⑥溶液：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的NaCl溶液。
[0038] 試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，流動(dòng)水沖洗并自然過夜干燥后，稱重。
[0039] 根據(jù)GB/T16545-1996對(duì)試樣表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清除。根據(jù)公式reOT = m/ (AXt)計(jì)算腐蝕速率。其中，m為失重量，單位是g ;A為試樣表面面積，單位為m2，t為腐蝕 時(shí)間,單位為h，每種工藝下每組成分試樣3片，計(jì)算平均腐蝕速率。其性能見表3。
[0040] 實(shí)施例2?實(shí)施例6
[0041] 改變實(shí)施例1中的鋼的化學(xué)成分及其熱處理過程參數(shù)，進(jìn)行實(shí)施例2?實(shí)施例6。
[0042] 表1列出了實(shí)施例1?6的鋼坯的化學(xué)成分，表2列出了實(shí)施例1?6的熱處理 過程控制參數(shù)（包括加速冷卻速率和終冷溫度），表3列出了實(shí)施例1?6的性能測(cè)試結(jié)果 (包括顯微組織、珠光體片間距、抗拉強(qiáng)度Rm、延伸率A與腐蝕速率）。
[0043] 對(duì)比例1?對(duì)比例6
[0044] 采用現(xiàn)有技術(shù)的鋼軌化學(xué)成分進(jìn)行熱處理，其化學(xué)成分見表1，其中，對(duì)比例1和2 為已有專利201010034200. 0公開的化學(xué)成分，對(duì)比例3和4為添加 Cr、Ni、Cu、V，未提高P 含量的復(fù)合微合金化成分，對(duì)比例5為我國(guó)鐵標(biāo)中U75V熱處理鋼軌、對(duì)比例6為我國(guó)鐵標(biāo) 中U71Mn熱處理鋼軌。
[0045] 采用本發(fā)明的熱處理方法處理對(duì)比例1?對(duì)比例6所述化學(xué)成分的鋼軌，表2列 出了對(duì)比例1?對(duì)比例6的熱處理過程參數(shù)（包括加速冷卻速率和終冷溫度）。然后按照 實(shí)施例1中的方法進(jìn)行性能測(cè)試，其結(jié)果見表3。
[0046] 表1本發(fā)明實(shí)施例及對(duì)比例鋼軌的化學(xué)成分
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其特征在于采用如下熱處理方法制備得到：將熱軋后處于 奧氏體相區(qū)的鋼軌進(jìn)行加速冷卻，冷卻速度為2?5°C /s，直到軌頭踏面溫度降至480°C以 下時(shí)，停止加速冷卻，空冷至室溫，得到鋼軌成品； 所述鋼軌成品的顯微組織為由片狀鐵素體和其間交替分布的滲碳體組成的珠光體，珠 光體片間距不超過120nm，鋼軌成品的抗拉強(qiáng)度彡1200MPa，延伸率彡10%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其特征在于：通過對(duì)鋼軌的軌頭踏 面及軌頭兩側(cè)施加冷卻介質(zhì)來進(jìn)行加速冷卻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其特征在于，其化學(xué)成分由以下重 量百分比的元素組成：(：：0.71%?0.80%、51 :0.30%?0.80%、]\111:0.80%?1.20%、 Cr:0. 15% ?0· 35%、V :0· 04% ?0· 12%、Cu :0· 30% ?0· 50%、Ni :Cu 含量的 1/2、P : 0. 03%?0. 05%、S :彡0. 020%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐海洋環(huán)境腐蝕的鋼軌，其特征在于：所述冷卻介質(zhì)為壓縮 空氣、水霧混合氣或油氣混合氣。
【文檔編號(hào)】C22C38/46GK104060065SQ201410333429
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】韓振宇, 鄒明, 郭華, 李大東, 賈濟(jì)海, 鄧勇, 王春建, 袁俊, 陳崇木 申請(qǐng)人:攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司