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CN116536578A - 一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨及其制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨及其制备方法 Download PDF

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CN116536578A CN202310394420.1A CN202310394420A CN116536578A CN 116536578 A CN116536578 A CN 116536578A CN 202310394420 A CN202310394420 A CN 202310394420A CN 116536578 A CN116536578 A CN 116536578A
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Abstract

本发明涉及一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，其化学成分及配比如下：按质量百分比计，C：0.55‑0.70％、Si：0.45‑0.95％、Mn：0.35‑0.85％、Cr：0.30‑0.80％、Cu：0.25‑0.55％、Ni：0.15‑0.35％、Mn+Cr：1.15‑1.60％、Cu+Ni：0.40‑0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02‑0.15％、Ti：0.001‑0.030％、Nb：0.001‑0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。此外，本发明还涉及一种上述钢轨的制备方法。通过本发明，本发明实现了性能协同提升，实现了钢轨兼具耐腐蚀、抗疲劳和优良可焊性。

Description

一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢轨制造技术领域，具体涉及一种高原山区铁路用耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨及其制备方法。
背景技术
钢轨是轨道交通轮轨系统最核心的部件之一，随着新型轨道交通工程的建设和轨道交通对安全、舒适、高效、长寿化的极致追求，现有钢轨的性能和品质面临新的挑战。高原、低温、大温差、风沙、潮湿等极端自然环境和超长大坡道、小半径曲线、高速、重载、频繁启动制动等苛刻运营条件复合作用下，钢轨服役过程中极易发生擦伤、异常磨耗、热损伤失效、疲劳失效及轮轨界面黏着等一系列问题，同时还面临焊接、使用、维护、更换等工程化问题，要求钢轨不仅具有优异的耐磨性能和接触疲劳性能，还同时兼具良好的低温韧塑性、抗擦伤、耐腐蚀和优良的可焊性。
在提高钢轨耐磨、耐接触疲劳性能的方面，通过合金化和热处理技术已比较成熟；在提高韧塑性的方面，通过合金化获得贝氏体组织提升钢轨韧塑性也取得了一些突破；然而，受基础研究和工艺装备限制，目前大部分研究和产品均侧重于某一方面的性能提高，未能全面考虑钢轨磨耗、接触疲劳、低温韧塑性、可焊性等综合性能的整体提升，现有钢轨材料设计理论和制造工艺下，磨耗、接触疲劳、(低温)韧塑性、抗擦伤等性能理论上相互制约，难以同步改善。尽管贝氏体钢轨因其优良的强韧性配合具有潜在应用前景，但贝氏体微观组织复杂、服役性能不稳定，从而限制其在苛刻服役工况下如川藏铁路、高速货运铁路等领域应用。
专利文献CN10192950A公开了一种用于高速和准高速铁路的亚共析钢轨，其基本合金体系中合金元素的重量百分含量为：C：0.40％-0.64％，Si：0.10％-1.00％，Mn：0.30％-1.50％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，稀土≤0.005％，含量为0-0.020％的V、Cr和Ti中的至少一种，以及余量为Fe和不可避免的杂质。该专利通过降低碳含量，并利用加速冷却的方式来弥补碳含量降低带来的强度下降问题，使钢轨保持了高速铁路钢轨的强度的同时提高屈服强度和韧性，从而提高了耐疲劳性能。但其碳含量的降低和多达15％以上的先共析铁素体，会降低钢轨耐磨性能和抗接触疲劳性能，同时该方案主要针对轴重轻、运量小的线路，对于轴重大、腐蚀环境的线路如何解决钢轨耐磨、耐蚀和韧性的问题，并没有提出解决方案。
专利文献CN113981332A公开了一种耐磨耐腐蚀亚共析钢轨及其生产方法，化学成分重量百分比为：碳：0.50-0.70％，铜：0.10-0.80％，镍：0.01-0.50％，铬0.10-0.70％，钒：0.03-0.12％，磷：0.010-0.025％，硫：0.001-0.009％，硅和锰：0.8-2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。该发明采用低碳含量获得亚共析组织，添加铜、镍、铬、钒、硅、锰、磷、硫，或是添加铌、钼、硼和稀土元素中的一种或几种，提高钢轨的性能。亚共析组织形式多样，其显微结构对钢轨的强度、抗接触疲劳、韧性都有重要影响，显微组织的差异将导致钢轨性能的巨大变化，添加铜、镍、铬元素可提高钢轨耐蚀性能，但是却显著影响钢轨的韧性和可焊性，如何解决耐蚀于韧性、可焊性之间的矛盾以及合金元素的最优配比，该专利并没有涉及。
专利文献CN 107227429 A公开了一种去除钢轨中铁素体网组织的热处理方法，通过在钢轨热处理过程中进行分段加速冷却，控制亚共析成分的钢轨先共析铁素体，避免出现网状铁素体组织。其钢轨钢典型成分为：C：0.60-0.72％；Si：0.25-0.60％；Mn：0.85-1.05％；Cr：0.05-0.30％；V：0.01-0.09％；P≤0.025％；S≤0.025％，N≤0.0080％；其余为Fe及不可避免的杂质。该方法虽然利用了亚共析碳含量成分设计加热处理的方法提高了钢轨的强度和韧性，但未能实现钢轨耐磨性能、耐蚀性能、抗接触疲劳性能的综合提升，在复杂线路条件下适应性不足。
因此，针对上述问题，提供一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨是令人期望的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种兼具耐磨损、耐腐蚀、抗接触疲劳、抗擦伤及焊接性能优良的钢轨的组织控制方案、成分设计方案及其制备方法，解决目前成分和制造条件下钢轨无法协同提升的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的一方面，提供一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，钢轨的化学成分及配比如下：按质量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本发明的一个实施例中，化学成分的配比满足如下关系：
6.93[C]+1.15[Si]+1.26[Mn]+1.46[Cr]+6.2[V]+0.63[Cu]+0.86[Ni]≥7.0％；并且
0.71[Si]+1.04[Cr]+1.67[Cu]+1.35[Ni]+2.1[Nb]≥1.7％。
在本发明的一个实施例中，碳当量CE满足如下关系：
[C]+[Mn]/6+[Cr]/5+[V]/5+[Cu]/15+[Ni]/15≤0.95％。
在本发明的一个实施例中，化学成分的配比还满足如下关系：
[Cr]+[Cu]+[Ni]≥0.60％。
根据本发明的另一方面，提供一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，包含以下步骤：
1)控制钢轨基体的化学成分及配比如下：按重量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2)将钢轨基体采用连铸结晶器电磁搅拌和二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌，并配合低过热度和高拉速浇铸，获得高均质性钢坯；
3)将钢坯置于加热炉中进行加热，经万能轧制法轧制成钢轨；
4)对钢轨进行加速冷却，冷却至500℃以下后自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
在本发明的一个实施例中，在步骤2)中，连铸结晶器电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，二冷电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，过热度为12-20℃，铸坯拉速为0.82-0.95m/min。
在本发明的一个实施例中，在步骤3)中，钢坯的加热过程分为三阶段：第一阶段中加热炉炉膛温度为750-950℃，加热时间为50-70min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1100-1280℃，加热时间为45-65min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1180-1230℃，加热时间为35-50min。
在本发明的一个实施例中，在步骤3)中，万能轧制法包括万能粗轧、中轧和精轧。
在本发明的一个实施例中，开轧温度为1150-1200℃，中轧温度为900-930℃，延伸系数大于1.3，终轧温度为850-880℃。
在本发明的一个实施例中，在步骤4)中，钢轨的加速冷却分阶段进行：在第一阶段中，钢轨的顶面温度从790-820℃，以4.0-5.5℃/s速度加速冷却42-52s；在第二阶段中，在第一阶段结束后以1.0-2.0℃/s的速度冷却至500℃以下。
在本发明的一个实施例中，在步骤4)中，通过水平矫直机来进行小变形量矫直，其中所述水平矫直机的可移动上辊的总压下量为30-40mm。
通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术具有如下优点：
本发明方法通过采用精准的化学成分设计、低偏析高均质性冶炼工艺获得了更宽的钢轨热处理窗口，为大冷速热处理提供的良好条件，可以实施钢轨大冷速热处理，获得极细片层的珠光体组织，同时提高了钢轨的强度和韧性；本发明通过对先共析铁素体含量的合理控制，利用微量先共析铁素体一方面提高了钢轨的韧性，同时先共析铁素体的析出也细化了原始奥氏体晶粒，进而再次提高了钢轨的韧性；本发明在耐蚀性能和力学性能协同调控方面，通过强化系数、碳当量和耐蚀性能的匹配，实现了性能协同提升，实现了钢轨兼具耐腐蚀、抗疲劳和优良可焊性。
附图说明
图1示出了本发明实施例1制备得到的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的微观组织图；
图2示出了本发明实施例2制备得到的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的微观组织图。
具体实施方式
应当理解，在示例性实施例中所示的本发明的实施例仅是说明性的。虽然在本发明中仅对少数实施例进行了详细描述，但本领域技术人员很容易领会在未实质脱离本发明主题的教导情况下，多种修改是可行的。相应地，所有这样的修改都应当被包括在本发明的范围内。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以对以下示例性实施例的设计、操作条件和参数等做出其他的替换、修改、变化和删减。
本发明提供一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，钢轨的化学成分及配比如下：按质量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在上述钢轨中，化学成分的配比满足如下关系：
6.93[C]+1.15[Si]+1.26[Mn]+1.46[Cr]+6.2[V]+0.63[Cu]+0.86[Ni]≥7.0％；并且
0.71[Si]+1.04[Cr]+1.67[Cu]+1.35[Ni]+2.1[Nb]≥1.7％；
[Cr]+[Cu]+[Ni]≥0.60％；
碳当量CE满足如下关系：
[C]+[Mn]/6+[Cr]/5+[V]/5+[Cu]/15+[Ni]/15≤0.95％。
此外，本发明还提供一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，包含以下步骤：
1)控制钢轨基体的化学成分及配比如下：按重量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2)将钢轨基体采用连铸结晶器电磁搅拌和二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌，并配合低过热度和高拉速浇铸，获得高均质性钢坯；
3)将钢坯置于加热炉中进行加热，经万能轧制法轧制成钢轨；
4)对钢轨进行加速冷却，冷却至500℃以下后自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
在上述制备方法中，在步骤2)中，连铸结晶器电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，二冷电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，过热度为12-20℃，铸坯拉速为0.82-0.95m/min。
在上述制备方法中，在步骤3)中，钢坯的加热过程分为三阶段：第一阶段中加热炉炉膛温度为750-950℃，加热时间为50-70min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1100-1280℃，加热时间为45-65min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1180-1230℃，加热时间为35-50min。
在上述制备方法中，在步骤3)中，万能轧制法包括万能粗轧、中轧和精轧。
在上述制备方法中，开轧温度为1150-1200℃，中轧温度为900-930℃，延伸系数大于1.3，终轧温度为850-880℃。
在上述制备方法中，在步骤4)中，钢轨的加速冷却分阶段进行：在第一阶段中，钢轨的顶面温度从790-820℃，以4.0-5.5℃/s速度加速冷却42-52s；在第二阶段中，在第一阶段结束后以1.0-2.0℃/s的速度冷却至500℃以下。
在上述制备方法中，在步骤4)中，通过水平矫直机来进行小变形量矫直，其中水平矫直机的可移动上辊的总压下量为30-40mm。
下面通过具体实施例来详细地描述本发明的上述技术方案。
高原山区铁路高原低温、大温差、超长大坡道、长隧道、高原无人区等特殊线路条件，以及高速、客货混运的运营特点，对钢轨低温韧塑性、接触疲劳性能、抗擦伤、组织性能稳定性、可焊性等方面提出了更高要求。本发明从钢轨的成分设计及冶炼、轧制、热处理全流程进行创新，发挥合金元素之间、生产流程上下工序的协同、交互作用，提供一种具有良好的综合性能的钢轨及其制备方法。
本发明提供了一种兼具耐磨损、耐腐蚀、抗接触疲劳、抗擦伤及焊接性能优良的钢轨。
本发明提供的钢轨轨头显微组织为0.5％-3.0％先共析铁素体+极细片层珠光体，其中，轨头顶面下1mm位置珠光体片层平均间距70-80纳米，奥氏体晶粒平均尺寸为5-15微米；轨头顶面下10mm位置珠光体片层平均间距75-85纳米，奥氏体晶粒平均尺寸为8-20微米；轨头顶面下方25mm位置珠光体片层平均间距90-100纳米，奥氏体晶粒平均尺寸为12-25微米；该钢轨拥有细的原奥氏体晶粒(9级以上)和极薄的珠光体片层间距(100纳米以下)，同时配合纳米析出相的强化作用，拥有良好强韧性：钢轨抗拉强度Rm≥1100MPa、断后伸长率A≥14％、屈服强度Rp0.2≥730MPa、低温断裂韧性-40℃KIC≥40MPa·m0.5；其化学成分中，Cr、Cu、Ni等耐蚀元素，在提高钢轨强度的同时，也提高了钢轨的耐蚀性能，相对U71Mn耐蚀性≥150％。
在本发明中，为了实现极薄的珠光体片层间距，钢轨轨头经大冷速加速冷却在200℃以上相变过冷度进行珠光体相变。
在本发明的实施例中，本发明提供的钢轨的化学成分和配比如下：C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％、以及还包括V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
为了实现本发明的目的，优选地，各元素含量应满足如下关系：
6.93[C]+1.15[Si]+1.26[Mn]+1.46[Cr]+3.6[Mo]+6.2[V]+0.63[Cu]+0.86[Ni]≥7.0％；
0.71[Si]+1.04[Cr]+1.35[Mo]+1.67[Cu]+1.35[Ni]+3.6[RE]+2.1[Nb]≥1.7％；
[Cr]+[Mo]+[Cu]+[Ni]+[RE]≥0.60；并且
碳当量CE应满足如下关系：
[C]+[Mn]/6+[Cr]/5+[Mo]/5+[V]/5+[Cu]/15+[Ni]/15≤0.95，
其中在本发明的具体实施例中，本发明中的钢轨没有Mo和RE元素，由此[Mo]＝0，[RE]＝0，即上述等式可以为：
6.93[C]+1.15[Si]+1.26[Mn]+1.46[Cr]+6.2[V]+0.63[Cu]+0.86[Ni]≥7.0％；
0.71[Si]+1.04[Cr]+1.67[Cu]+1.35[Ni]+2.1[Nb]≥1.7％；
[Cr]+[Cu]+[Ni]≥0.60；并且
碳当量CE应满足如下关系：
[C]+[Mn]/6+[Cr]/5+[V]/5+[Cu]/15+[Ni]/15≤0.95。
本发明选择各合金元素及对应含量的原理如下：
碳(C)：碳是提高强度最经济有效的合金元素，对组织和性能影响极大。C含量每增加0.1％，抗拉强度Rm大约提高90MPa，屈服极限Rel大约提高40-50MPa，碳对提高钢强度的作用非常明显。钢中碳对抗蚀性非常不利，尤其是随着碳含量的增加，抗晶间腐蚀性能显著降低，虽然在钢中加入一定数量的合金后，情况会有所改善，但是最彻底的措施还是尽可能降低含碳量。因此，为了提高耐腐蚀钢轨耐腐蚀性，应降低碳含量，但是为了保证其性能，碳含量也不能过低。
硅(Si)：硅提高钢在加热和冷却时的临界转变温度，增加热滞后作用。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比。在车轮钢中的研究表明，提高Si含量对车轮抗剥离和抗擦伤性能有益。含有一定量的硅对钢的抗腐蚀性能有显著的效果，主要是由于当开始腐蚀时，在钢表面形成致密的SiO2薄膜，阻碍腐蚀介质的进一步向内侵蚀。此外，硅含量超过0.30％的钢，其表面氧化铁皮与钢基体之间发生硅元素富集，使氧化铁皮更加致密，并增强氧化铁皮与基体之间的结合力，从而提高表面氧化铁皮的耐腐蚀性。硅与其它元素如Cu、Cr、P、Ca配合使用也可改善钢的耐候性，特别是增强局部腐蚀的抗力。
锰(Mn)：锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时又是碳化物形成元素。锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰能增加过冷奥氏体的稳定性，也强烈增加钢的淬透性。在钢中添加Mn元素，可以提高钢的抗拉强度和屈服极限，但它并不恶化钢的变形能力；锰可以降低钢的韧脆转变温度，锰元素使屈服强度每增加15MPa时，可以降低韧脆转变温度约5℃。
磷(P)：磷是提高铁素体强度最高的元素，在珠光体钢中同时存在于铁素体和渗碳体中。一定磷含量对低碳钢固然能提高力学性能，但这种有利因素随着钢的碳含量的增高而消失。碳含量越高，则磷所引起的脆性就越大。磷对钢的焊接性也非常不利，它能增加焊缝的裂纹敏感性。磷是耐候钢中提高耐腐蚀性能最有效的元素，对耐候钢的耐腐蚀性能起到重要作用。由于磷对耐腐蚀性的重要作用，但鉴于其在钢中的偏析及脆性，所以钢轨磷含量需谨慎控制。
硫(S)：MnS夹杂，特别是长条和链状MnS夹杂是钢发生点蚀和应力腐蚀的重要因素之一。鉴于A类夹杂物级别控制、焊接性能和耐腐蚀性能的要求，S含量要求尽可能低。
铜(Cu)：铜是扩大γ相区的元素，但在铁中的溶解度不大，和铁不能形成连续的固溶体，铜在α铁中的溶解度随着温度的降低而剧降。铜对钢力学性能的影响大致归纳为两个方面：1)固溶强化，它在此方面仅弱于磷而略强于硅；2)在含量超过约0.75％时，经过固溶和时效处理后，产生ε-Cu沉淀强化作用。铜的加入可以提高钢的抗腐蚀性能。铜之所以能改善钢的抗腐蚀性能，主要是钢在腐蚀过程中，由于对不同元素的选择侵蚀结果，含铜钢表面发生铜的富集现象；在腐蚀层和铜的富集层之间形成一薄层紧密的氧化铜中间层，可以减缓或阻止腐蚀介质的继续向内侵蚀。在工业大气及潮湿大气的地区，耐腐蚀性随铜含量增加而增加，铜含量为0.30％-0.35％时取得最好效果，再增加铜的含量，效果的增加就不太明显了。
铬(Cr)：铬和铁形成连续的固溶体，与碳形成多种碳化物，对钢的性能有显著的影响，特别是钢的耐磨性。铬能显著提高钢的淬透性，铬还使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少。铬是具有钝化倾向的元素，因此一定成分的铬加入钢中，使钢具有抗腐蚀性和抗氧化性的能力。当含铬钢受某种介质侵蚀时，在钢件的表面形成了一层氧化膜，这层薄膜叫做钝化膜，钝化膜在有利的条件下它是致密的、不被溶解的，而且当它被破坏时，能够自行恢复。
镍(Ni)：镍可提高钢的稳定性，添加镍会提高钢的自腐蚀电位；同时，锈层中富镍可有效抑制Cl-的侵入。国内研究者认为镍是耐大气腐蚀有效元素，但只是在含镍量较多时(3.5％)，收效才较大(耐各种大气腐蚀)，而当含量较低(1％左右)，特别是当钢中含有铜时，其改善耐腐蚀性的效果并不明显。耐候钢中添加一定量的镍元素(Ni：Cu＝1:3-1:2)，主要是防止铜脆缺陷。
铌(Nb)：高碳钢中铌在高温下仍具有一定的固溶度，1200℃时可固溶约0.02％，为了经济而又很好发挥铌的作用，钢轨钢中铌的添加量不应超过0.02％。铌在钢轨钢中主要起到细化奥氏体晶粒、提高塑、韧性和疲劳强度的作用，对轨钢强度没有明显的影响。铌作为钢中常见的细化晶粒的元素，也因此被用作提高钢耐腐蚀性的研究。
此外，本发明还提供了具备上述合金元素含量的钢轨的制备方法，它包括铁水预处理、转炉冶炼、精炼、真空处理、连铸、轧制、在线热处理工艺，各工艺控制如下：
将含有上述钢轨基体成分的钢坯加热至钢坯易于变形，经万能轧机粗轧、中轧和精轧制成钢轨，所述中轧和粗轧采用低温大压下量轧制，钢轨轨头经200℃以上的相变过冷度大冷速加速冷却进行珠光体相变，冷却至500℃以下后自然冷却至室温，采用小变形量矫直。
上述钢坯是由高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、电加热和连铸制备得到；采用连铸结晶器电磁搅拌和二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，配合低过热度和高拉速浇铸工艺，获得高均质性铸坯。
在本发明的实施例中，优选地，连铸结晶器电磁搅拌磁场强度应为40×10-4-50×10-4T，二冷电磁搅拌磁场强度为40×10-4-50×10-4T。
在本发明的实施例中，优选地，连铸坯浇铸的过热度应为12-20℃。
在本发明的实施例中，优选地，铸坯拉速应为0.82-0.95m/min。
在本发明的实施例中，优选地，钢坯加热过程分为三个阶段：第一阶段，加热炉炉膛温度为750-950℃，加热时间为50-70min；第二阶段，加热炉炉膛温度为1100-1280℃，加热时间为45-65min；第三阶段，加热炉炉膛温度为1180-1230℃，加热时间为35-50min。
在本发明的实施例中，优选地，万能轧制中，开轧温度为1150-1200℃，万能中轧温度为900-930℃，延伸系数大于1.3，万能终轧温度为850℃-880℃。
在本发明的实施例中，优选地，加速冷却过程分为两个阶段，第一阶段，轨顶面温度从790℃-820℃，以4.0℃/s-5.5℃/s的速度加速冷却42-52s，冷却至540-570℃；第二阶段，以1.0-2.0℃/s的速度冷却至450-480℃后自然冷却。钢轨开始加速冷却温度为790℃-820℃，利用压缩空气进行加速冷却可提高奥氏体转变过冷度、降低奥氏体向珠光体的转变温度，从而减少珠光体的片层间距。一般而言，冷却速度越快，珠光体片层间距越小，钢材的强度越高，当冷却速度大于5.5℃/s，钢轨内部不可避免存在偏析，C、Mn元素偏析的局部区域因冷却速度过大容易产生马氏体、贝氏体等异常组织，从而导致钢轨判废；当冷却速度＜4.0℃/s，不能充分发挥热处理对钢轨强度的提升作用。对于本发明而言，通过降低易偏析元素的含量，拓宽了热处理工艺窗口，在冷却速度4.0-5.5℃/s范围内，钢轨的强度可达1100MPa以上，且钢轨的组织为珠光体和少量铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。
在本发明的实施例中，优选地，提供水平矫直机进行小变形量矫直，其中水平矫直机的第2辊的压下量为13-17mm，水平矫直机中的四个可移动上辊的总压下量为35-43mm。
因此，本发明通过采用精准的化学成分设计、低偏析高均质性冶炼工艺获得了更宽的钢轨热处理窗口，为钢轨大冷速热处理提供的良好条件，可以实施钢轨大冷速热处理，获得极细片层的珠光体组织，同时提高了钢轨的强度和韧性；本发明通过对先共析铁素体含量的合理控制，利用微量先共析铁素体一方面提高了钢轨的韧性，同时先共析铁素体的析出也细化了原始奥氏体晶粒，进而再次提高了钢轨的韧性；本发明在耐蚀性能和力学性能协同调控方面，通过强化系数、碳当量和耐蚀性能的匹配，实现了性能协同提升，实现了钢轨兼具优良耐腐蚀、抗接触疲劳、低温韧性和可焊性等综合性能。
下面具体实施例1-6和对比例1-4的具体制备过程分别如下。
实施例1-6和对比例1-4中采用的化学成分及配比如下表1所示：
表1实施例1-6和对比例1-4的化学成分及配比关系
实施例1
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例1中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为40×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为40×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度13-16℃，铸坯拉速0.84m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为750℃，加热时间为50min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1100℃，加热时间为45min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1180℃，加热时间为35min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1150℃，万能中轧温度925℃，延伸系数1.32，终轧温度为850℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为790℃时，以4.8℃/s速度加速冷却46s，然后再以1.2℃/s冷却至469℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
实施例2
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例2中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为45×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为45×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度13-16℃，铸坯拉速0.82m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为800℃，加热时间为60min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1200℃，加热时间为50min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1210℃，加热时间为40min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1200℃，万能中轧温度928℃，延伸系数1.32，终轧温度为860℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为800℃时，以5.30℃/s速度加速冷却42s，然后再以1.3℃/s冷却至486℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
实施例3
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例3中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为50×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为50×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度12-15℃，铸坯拉速0.86m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为950℃，加热时间为70min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1200℃，加热时间为60min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1230℃，加热时间为50min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1180℃，万能中轧温度918℃，延伸系数1.32，终轧温度为850℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为790℃时，以4.50℃/s速度加速冷却46s，然后再以1.25℃/s冷却至479℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
实施例4
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例4中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为45×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为50×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度11-15℃，铸坯拉速0.89m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为820℃，加热时间为55min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1180℃，加热时间为60min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1280℃，加热时间为35min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1150℃，万能中轧温度914℃，延伸系数1.32，终轧温度为880℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为820℃时，以4.80℃/s速度加速冷却46s，然后再以1.12℃/s冷却至492℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
实施例5
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例5中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为50×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为45×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度12-16℃，铸坯拉速0.85m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为900℃，加热时间为55min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1200℃，加热时间为60min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1200℃，加热时间为35min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1180℃，万能中轧温度917℃，延伸系数1.32，终轧温度为860℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为800℃时，以5.20℃/s速度加速冷却42s，然后再以1.08℃/s冷却至497℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
实施例6
一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号实施例6中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
将上述钢轨基体采用磁场强度为48×10-4T连铸结晶器电磁搅拌和磁场强度为48×10-4T的二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度13-17℃，铸坯拉速0.83m/min，获得钢坯；
将钢坯置于加热炉中进行加热，第一阶段中加热炉炉膛温度为820℃，加热时间为58min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1100℃，加热时间为65min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1220℃，加热时间为45min，然后经万能粗轧、中轧和精轧制成钢轨，其中万能轧制法轧制，开轧温度为1150℃，万能中轧温度923℃，延伸系数1.32，终轧温度为880℃；
将轧制后利用轧制余热在线热处理，在钢轨的顶面温度为820℃时，以4.50℃/s速度加速冷却50s，然后再以1.13℃/s冷却至462℃后在空气中自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
对比例1
一种钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号对比例1中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
采用现有方法制备珠光体钢轨，其中连铸浇铸过热度24-35℃，铸坯拉速0.71m/min，万能轧制法轧制，万能中轧温度为967℃，延伸系数1.19；
轧制后利用轧制余热在线热处理，以2.1℃/s速度加速冷却110s至548℃后在空气中自然冷却至室温。
对比例2
一种钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号对比例2中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
采用现有方法制备珠光体钢轨，其中连铸浇铸过热度19-32℃，铸坯拉速0.69m/min，万能轧制法轧制，万能中轧温度975℃，延伸系数1.19；
轧制后利用轧制余热在线热处理，以2.1℃/s速度加速冷却110s至562℃后在空气中自然冷却至室温。
对比例3
一种钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号对比例3中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
采用现有方法制备珠光体钢轨，其中连铸浇铸过热度26-35℃，铸坯拉速0.70m/min。万能轧制法轧制，万能中轧温度952℃，延伸系数1.19；
轧制后利用轧制余热在线热处理，以2.1℃/s速度加速冷却110s至552℃后在空气中自然冷却至室温。
对比例4
一种钢轨的制备方法，步骤如下：
按照编号对比例4中所示的化学成分及配比构造钢轨基体；
采用连铸结晶器电磁搅拌和二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌工艺，连铸浇铸过热度12～16℃，铸坯拉速0.83m/min，其中万能轧制法轧制，万能中轧温度921℃，延伸系数1.32；
轧制后利用轧制余热在线热处理，以4.80℃/s速度加速冷却45s，然后再1.20℃/s冷却472℃后在空气中自然冷却至室温。
本发明上述实施例1和实施例2制得钢轨的微观组织图如图1、图2所示。由图1和2可以看出，得到的钢轨的珠光体片层结构分布均匀，且未出现马氏体和贝氏体等异常组织。
此外，为了说明本发明上述实施例制备的钢轨的相关性能，以下对实施例1-6和对比例1-4的钢轨进行力学性能检验，其中按GB/T 13298标准检验室温金相组织，按GB/T228.1标准测试屈服强度、抗拉强度和延伸率，按GB/T 231.1标准测试布氏硬度，具体数据见表2。按GB/T 229标准测试室温冲击功，按TB/T 2344.1和GB/T 4161测试钢轨断裂韧度KIC，按TB/T 2375-1993测试钢轨相对耐蚀性；磨损量在MM-200磨损试验机上进行，磨损方式为干磨，转速200r/min，对磨总转数10万转，试验负荷980N、滑差10％；接触疲劳寿命测试在TIME 8123滚动接触疲劳试验机上进行，试验接触应力1200MPa、滑差1.0％。
表2实施例1-6和对比例1-4的显微组织及常规力学性能
由上述表2可看出，采用本发明成分和工艺制备的钢轨，具有更小的奥氏体晶粒度和珠光体片层间距，因此在具有高的强度和硬度同时保持了高的断后伸长率。对比例1是采用目前常规工艺生产的U71Mn碳素钢轨，其强度、硬度及断后伸长率均低于本发明制备的钢轨；对比例2是在U71Mn基础上进行成分合金化改良采用常规工艺生产的钢轨，虽然强度和硬度得到了提高，但断后伸长率较低，无法做到强韧匹配；对比例3是本发明成分、但采用常规工艺生产的钢轨，强度和塑性比U71Mn钢轨略提高，但与实施例1-6相比，屈服强度、断后伸长率差距较大；对比例4是中碳含量合金化成分、采用本发明工艺生产的钢轨，获得较细的奥氏体晶粒尺寸和珠光体片层间距，具有良好的塑性，但过高的先共析铁素体含量导致强度和硬度偏低。
表3实施例1-6和对比例1-4的冲击、断裂力学、磨损、腐蚀、接触疲劳性能
由上述表3可看出，采用本发明成分和工艺制备的钢轨，具有良好的常温和低温冲击性能、断裂韧性，同时磨损试验磨损量较对比例1的U71Mn钢轨低，相对耐蚀性≥143％，接触疲劳寿命达到55万次以上。对比例1是采用目前常规工艺生产的U71Mn碳素钢轨，其常温和低温冲击性能、断裂韧性均较低，接触疲劳寿命也较低；对比例2是在U71Mn基础上进行成分合金化改良采用常规工艺生产的钢轨，虽然磨损量和接触疲劳寿命较高，但其常温和低温冲击性能、断裂韧性均较低；对比例3是本发明成分、但采用常规工艺生产的钢轨，虽然磨损量和接触疲劳寿命较高，但其常温和低温冲击性能、断裂韧性均较低；对比例4是中碳含量合金化成分、采用本发明工艺生产的钢轨，虽然具有良好的常温和低温冲击性能、断裂韧性，较高的耐蚀性能，但磨损量更大、接触疲劳寿命更低。
综上所述，本发明方法通过采用精准的化学成分设计、低偏析高均质性冶炼工艺获得了更宽的钢轨热处理窗口，为大冷速热处理提供的良好条件，可以实施钢轨大冷速热处理，获得极细片层的珠光体组织，同时提高了钢轨的强度和韧性；本发明通过对先共析铁素体含量的合理控制，利用微量先共析铁素体一方面提高了钢轨的韧性，同时先共析铁素体的析出也细化了原始奥氏体晶粒，进而再次提高了钢轨的韧性；本发明在耐蚀性能和力学性能协同调控方面，通过强化系数、碳当量和耐蚀性能的匹配，实现了性能协同提升，实现了钢轨兼具耐腐蚀、抗疲劳和优良可焊性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述钢轨的化学成分及配比如下：按质量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述化学成分的配比满足如下关系：
6.93[C]+1.15[Si]+1.26[Mn]+1.46[Cr]+6.2[V]+0.63[Cu]+0.86[Ni]≥7.0％；并且
0.71[Si]+1.04[Cr]+1.67[Cu]+1.35[Ni]+2.1[Nb]≥1.7％。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，碳当量CE满足如下关系：
[C]+[Mn]/6+[Cr]/5+[V]/5+[Cu]/15+[Ni]/15≤0.95％。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨，其特征在于，所述化学成分的配比还满足如下关系：
[Cr]+[Cu]+[Ni]≥0.60％。
5.一种耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)控制钢轨基体的化学成分及配比如下：按重量百分比计，C：0.55-0.70％、Si：0.45-0.95％、Mn：0.35-0.85％、Cr：0.30-0.80％、Cu：0.25-0.55％、Ni：0.15-0.35％、Mn+Cr：1.15-1.60％、Cu+Ni：0.40-0.70％以及V、Nb、Ti中的至少一种，其中V：0.02-0.15％、Ti：0.001-0.030％、Nb：0.001-0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2)将所述钢轨基体采用连铸结晶器电磁搅拌和二冷电磁搅拌的组合电磁搅拌，并配合低过热度和高拉速浇铸，获得高均质性钢坯；
3)将所述钢坯置于加热炉中进行加热，经万能轧制法轧制成钢轨；
4)对钢轨进行加速冷却，冷却至500℃以下后自然冷却至室温，并采用小变形量矫直。
6.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，连铸结晶器电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，二冷电磁搅拌的磁场强度为40×10-4-50×10-4T，过热度为12-20℃，铸坯拉速为0.82-0.95m/min。
7.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述钢坯的加热过程分为三阶段：第一阶段中加热炉炉膛温度为750-950℃，加热时间为50-70min；第二阶段中加热炉炉膛温度为1100-1280℃，加热时间为45-65min；第三阶段中加热炉炉膛温度为1180-1230℃，加热时间为35-50min。
8.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述万能轧制法包括万能粗轧、中轧和精轧。
9.根据权利要求8所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，开轧温度为1150-1200℃，中轧温度为900-930℃，延伸系数大于1.3，终轧温度为850-880℃。
10.根据权利要求5所述的耐腐蚀抗接触疲劳性能优良的钢轨的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述钢轨的加速冷却分阶段进行：在第一阶段中，钢轨的顶面温度从790-820℃开始，以4.0-5.5℃/s速度加速冷却42-52s；在第二阶段中，在第一阶段结束后以1.0-2.0℃/s的速度冷却至500℃以下。
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