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CN109355482A - 亚共析钢轨的焊后热处理方法 - Google Patents

亚共析钢轨的焊后热处理方法 Download PDF

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CN109355482A CN201811261758.5A CN201811261758A CN109355482A CN 109355482 A CN109355482 A CN 109355482A CN 201811261758 A CN201811261758 A CN 201811261758A CN 109355482 A CN109355482 A CN 109355482A
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李大东
陆鑫
徐飞翔
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Abstract

本发明涉及亚共析钢轨的焊后热处理方法，属于铁路钢轨焊接技术领域。本发明解决的技术问题是找到合适的焊后热处理方法，使亚共析钢轨踏面硬度控制在合理范围内、保证钢轨焊接接头使用寿命。本发明的技术方案是将焊接得到的待冷却亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至200℃以下，然后加热至840～920℃时停止加热，随后进行第二冷却，当冷却至250～320℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至10～40℃的室温温度。经本发明焊后热处理的焊接接头轨头踏面纵向硬度在钢轨母材平均硬度的90％以上，接头无马氏体、贝氏体等异常组织，接头的实物疲劳寿命不低于300万次。

Description

亚共析钢轨的焊后热处理方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及亚共析钢轨的焊后热处理方法。
背景技术
现阶段，全球铁路系统主要涵盖重载铁路、高速铁路及客货混运铁路三种类型。重载铁路列车轴重大(轴重25t～40t)，所用钢轨的碳含量通常大于0.75％，抗拉强度在1200MPa以上，具有全珠光体组织或以珠光体为主，包含微量的二次渗碳体，在具有高强度、高硬度的同时保证耐磨性。由于客货混运铁路既要承担客运，又要保证货物运输，因而要求钢轨在具有一定耐磨损性能的同时，还要具有良好的抗疲劳性能。因此，客货混运铁路所用钢轨的碳含量通常为0.70％～0.80％，抗拉强度在900MPa～1100MPa之间，组织一般以珠光体为主，部分钢轨组织包含微量的铁素体。而对于高速铁路(轴重11t～14t)和准高速铁路，由于二者均要求钢轨具有一定的抗疲劳性能，所以目前广泛使用的是碳含量在0.65％～0.76％之间，抗拉强度900MPa的U71Mn热轧钢轨。
然而，线路考察表明，由于高速列车轴重较轻，运营过程中轮轨间的磨损较小，导致已产生于钢轨轨头表面或侧面的裂纹难以磨去，经轮轨间接触力往复作用，反而会加剧裂纹扩展，大大增加了钢轨的断裂倾向，严重危及铁路行车安全。此外，如果仅仅通过降低钢轨强度和硬度来提高钢轨磨耗速率，不仅会使钢轨表层产生塑性流变，造成钢轨断面尺寸偏差，还将使钢轨磨损过快，缩短使用寿命。因此，在高速及准高速铁路中，以珠光体组织为主的热轧钢轨难以达到兼顾耐磨损与耐滚动接触疲劳性能的目的。为改善高速铁路钢轨的抗接触疲劳伤损性能，近年来发展出了一种以贝氏体组织为主，包含微量马氏体和残余奥氏体的钢轨。专利文献CN1211633A公开了一种焊接部接合性优良的贝氏体钢钢轨及其制造方法，但是此种钢轨在生产过程中需要添加大量的贵重元素(如Nb、Mo、V等)，导致制造成本达到了普通珠光体钢轨的两倍。此外，钢轨过程控制和生产工艺要求严格等因素导致此种钢轨难于大批量推广使用。在此情形下，碳含量在0.55％～0.65％之间，抗拉强度在900MPa以下的亚共析热处理钢轨应运而生。此类钢轨组织以珠光体为主，含有微量铁素体。与传统U71Mn热轧珠光体钢轨相比，亚共析钢轨具有低廉的生产成本、良好的耐磨损性能及抗疲劳性能，有望成为替代U71Mn的新一代钢轨产品，用于高速和准高速铁路。亚共析钢轨的化学成分一般为：C含量0.40～0.64重量％，Si含量0.10～1.00重量％，Mn含量0.30～1.50重量％，少于等于0.025重量％的P，少于等于0.025重量％的S，少于等于0.005重量％的Al，大于0少于等于0.05重量％的稀土元素，总量大于0且小于等于0.20重量％的V、Cr和Ti中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。基于上述成分的亚共析钢轨轨头部位在室温下的金相组织为珠光体和15％～50％铁素体的均匀混合组织。
作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，甚至行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路运营条件影响，焊接长轨条的断裂大多发生在接头上，因而钢轨接头也就成了无缝线路的薄弱环节。采用在线热处理技术，基于细晶强化原理生产的钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度远低于母材。软化后的钢轨接头在线路服役过程中，易优先在轨头踏面形成“鞍型”磨耗，增加了轮轨冲击，影响钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。因此，目前国内钢轨焊接完成后一般遵照TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》及TB/T1632.4-2014《钢轨焊接第4部分：气压焊接》进行钢轨焊后正火，以中频感应电加热或氧乙炔火焰加热作为热源将钢轨接头加热至奥氏体化以上温度后，采取空冷或风冷进一步提升钢轨焊接区域的踏面硬度。此外，上述标准还规定了热处理钢轨焊接区域的平均硬度不得低于钢轨母材平均硬度的90％，且焊缝和热影响区的微观组织中不应出现马氏体、贝氏体等有害组织。
综上所述，铁路工程领域亟需一种能够将亚共析钢轨焊接接头的踏面硬度控制在合理范围内、保证钢轨焊接接头使用寿命的焊后热处理工艺，从而保证钢轨焊接接头的服役性能及铁路运行安全。目前关于亚共析钢的报道主要涉及钢材的生产方法以及热处理工艺，如专利文献CN107227429A公开了一种含B钢轨的生产方法，包括：铁水脱硫、转炉冶炼、氩站、LF炉外精炼、RH真空脱气、连铸、钢坯加热及轧制和轧后热处理的步骤，该方法通过添加适量微合金扩大亚共析钢轨热处理的工艺范围。然而，目前还没有关于碳含量在0.55％～0.65％的亚共析钢轨焊后热处理的报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是找到合适的焊后热处理方法，使亚共析钢轨踏面硬度控制在合理范围内、保证钢轨焊接接头使用寿命，从而保证钢轨焊接接头的服役性能及铁路运行安全。
本发明解决上述技术问题的技术方案是提供亚共析钢轨的焊后热处理方法，步骤包括：将焊接得到的温度在1100～1400℃的亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至200℃以下，然后加热至840～920℃停止加热，随后进行第二冷却，当冷却至250～320℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至10～40℃的室温温度，其中第二冷却的起始温度控制在800℃以上。
其中，当焊接接头温度在1100～1400℃时开始第一冷却。
其中，第二冷却的起始温度控制在停止加热后的800℃以上。
其中，第一冷却和第三冷却在空气中自然冷却，第二冷却施以冷却介质快速冷却。
其中，第二冷却采用喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式。
其中，第一冷却结束后采用全断面的方式进行加热。
其中，第一冷却结束后采用中频感应仿型电加热线圈或氧-乙炔火焰仿型加热器进行加热。
其中，焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
本发明的有益效果是：
经本发明焊后热处理的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面纵向硬度控制在钢轨母材平均硬度的90％以上，同时保证接头无马氏体、贝氏体等异常组织；本发明可以控制亚共析钢轨焊接接头的实物疲劳寿命不低于300万次，远高于TB/T1632.2-2014及TB/T1632.4-2014标准规定的200万次。
附图说明
图1为采用实施例1方法得到的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。
图2为采用对比例1方法得到的焊后正火风冷条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。
图3为采用对比例2方法得到的焊后空冷条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。
图4为采用对比例3方法得到的焊后正火空冷条件下的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度效果图。
图5为本发明的亚共析钢轨焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度检测示意图。
具体实施方式
本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内的长度为70～110mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。本发明中，所述“室温”为10～40℃范围的温度。本发明涉及到的接头温度为焊接接头的轨头表层温度，也即轨头踏面温度，采用红外测温仪对温度信号进行采集，所述钢轨轨头踏面为车轮与钢轨的接触部分。
本发明提供亚共析钢轨的焊后热处理方法，步骤包括：将焊接得到的待冷却亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至200℃以下，然后加热至840～920℃停止加热，随后进行第二冷却，当冷却至250～320℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至10～40℃的室温温度。
正火热处理通常是指采用常规方式将金属工件加热至Ac3(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)以上30～50℃，保温一段时间后，将金属工件从炉中取出，并在空气中进行自然冷却、或喷雾、或喷压缩空气冷却的热处理工艺。而钢轨接头的焊后热处理虽然也采用上述正火热处理，但与通常小尺寸工件使用的热处理工艺不同，因为钢轨焊接后的长度最大可达数百米，这就决定了钢轨焊接接头的正火热处理不可能在达到目标温度后进行长时间保温(奥氏体化以上温度)。因而，一般采用比常规正火温度稍高的温度将钢轨焊接接头加热至目标温度后，再进行空冷或风冷的热处理工艺，本发明优选的正火加热温度为840～920℃。
前期研究中发明人发现，亚共析钢轨钢在连续冷却转变过程中，马氏体转变的临界冷却速度约0.5～0.9℃/s，Ms温度(马氏体组织形成的开始温度)约210～240℃。因此，为避免钢轨焊接接头出现马氏体等异常组织，当对亚共析钢轨焊接接头进行焊后热处理时，需将焊后热处理快速冷却过程中的终冷温度控制在钢轨Ms温度以上。
其中，当焊接接头温度在1100～1400℃时开始第一冷却。
其中，第二冷却的起始温度控制在停止加热后的800℃以上。
其中，进行第一冷却和第三冷却的冷却方式为直接将钢轨焊接接头放置在空气中进行自然冷却的空冷，进行第二冷却的冷却方式为施以冷却介质快速冷却。第二阶段采取快速冷却是为了通过增大过冷度来细化珠光体片层间距，达到提升焊接区域硬度、改善接头韧塑性的目的；第三冷却采取空冷的目的是为了使完成第二阶段冷却的接头以较慢的速度冷却至室温温度，防止接头因冷却速度较快而产生马氏体等异常组织。
其中，第二冷却采用喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式。喷风冷却的区域为焊接接头的轨头踏面区域。
作为优选的，为保证冷却效果，第二次冷却区域还包括加热区外两侧长度70mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。
其中，第一冷却结束后采用全断面的方式进行加热。进行全断面的加热方式是指对包含焊缝在内的长度约为70～110mm范围内的钢轨焊接接头整个截面进行加热，包括钢轨焊接接头的轨头、轨腰、轨底。
其中，第一冷却结束后采用中频感应仿型电加热线圈和/或氧-乙炔火焰仿型加热器进行加热。
其中，焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
以下通过实施例对本发明作进一步的说明。
以下实施例中所用亚共析钢轨均产自攀钢集团，碳含量在0.55％～0.65％。
以下实施例的焊接接头硬度测试是按照TB/T1632.2-2014《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》将钢轨焊接接头机加工成纵断面硬度试样，并在踏面下5mm位置对焊接接头进行纵断面洛氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列，测点间距为5mm，洛氏硬度方法按GB/T230.1-2009规定进行，采用HRC标尺，并以Hp表示钢轨母材的硬度平均值，Hj表示接头的硬度平均值，接头硬度低于0.9Hp的位置表示软化区域。采用MTS-FT310型疲劳试验机对亚共析钢轨焊接接头进行三点弯曲疲劳试验，以循环载荷加载300万次时焊接接头不发生疲劳断裂为试验目标。
实施例1
将采用闪光焊接得到的温度在1400℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当接头从1400℃冷却至180℃时，采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热；当钢轨的踏面温度达到900℃时停止加热，然后采用喷射压缩空气的方式对钢轨焊接接头立即进行快速冷却至280℃；最后将焊接接头空冷至室温(25℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的亚共析钢轨焊接接头。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表1，纵向硬度的分布效果如图1所示。
表1
由表1和图1可知，采用本发明提供的焊后热处理方法处理闪光焊接得到的温度在1400℃的亚共析钢轨焊接接头时，所得钢轨接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为31.35HRC，达到了钢轨母材平均硬度的94％。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+18％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。由本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头能够通过循环次数为300万次的疲劳试验。
实施例2
将采用气压焊接得到的温度在1300℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当焊接接头从1300℃冷却至200℃时，采用氧-乙炔火焰仿型加热器对钢轨焊接接头区域进行全断面加热；当钢轨的踏面温度达到920℃时停止加热，然后采用水雾混合气将钢轨焊接接头进行风冷至300℃；最后将焊接接头空冷至室温(25℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的亚共析钢轨焊接接头。本实施例焊接接头硬度分布效果与图1所示效果基本一致，焊接接头金相组织与实施例1基本相同，由本实施例得到的亚共析钢轨焊接接头能够通过循环次数为300万次的实物疲劳试验。
对比例1：
采用与实施例1基本一致的方法对亚共析钢轨焊接接头进行焊后热处理，采用中频感应仿型电加热线圈将钢轨焊接接头加热至900℃，不同的是，进行第二冷时采用喷射压缩空气的方式对钢轨焊接接头立即进行快速冷却至200℃时停止风冷，然后再将焊接接头空冷至室温(25℃)。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表2，纵向硬度的分布效果如图2所示。
表2
本对比例所得钢轨焊接接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为32.28HRC，达到了钢轨母材平均硬度的98％。但是，钢轨接头热影响区中出现了大量的马氏体组织，所得钢轨接头在实物疲劳进行至150万次时发生疲劳断裂。
对比例2
将采用闪光焊焊接得到的温度在1400℃的亚共析钢轨焊接接头直接进行空冷至室温(25℃)，从而得到空冷(自然冷却)条件下的亚共析钢轨焊接接头。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表3，纵向硬度的分布效果如图3所示。
表3
由表3和图3可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的亚共析钢轨焊接接头，所得钢轨接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为23.24HRC，仅仅达到了钢轨母材平均硬度的70％。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+30％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。与钢轨母材硬度相比，整个焊接区域呈现为软化状态，由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中易造成钢轨轨头踏面低塌，影响线路平顺性及行车安全。
对比例3
将采用闪光焊焊接得到的温度在1350℃的亚共析钢轨焊接接头进行空冷，当焊接接头从1350℃冷却至180℃时，采用中频感应仿型电加热线圈对钢轨焊接接头区域进行全断面加热；当钢轨的踏面温度达到920℃时停止加热，然后将焊接接头空冷至室温(30℃)，从而得到焊后正火空冷条件下的亚共析钢轨焊接接头。焊接接头的轨头踏面下5mm位置的纵向硬度数据见表4，纵向硬度的分布效果如图4所示。
表4
由表4和图4可知，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理的亚共析钢轨焊接接头，所得到的接头距离焊缝中心±30mm区域内的硬度平均值为25.65HRC，仅仅达到了钢轨母材平均硬度的78％。此外，钢轨接头金相组织为珠光体+25％铁素体，未出现马氏体、贝氏体等异常组织。与钢轨母材相比，整个焊接区域呈现为软化状态。由该对比例得到的焊接接头在线路服役过程中易造成钢轨轨头踏面低塌，影响线路平顺性及行车安全。

Claims (8)

1.亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于包括以下步骤：将焊接得到的待冷却亚共析钢轨焊接接头进行第一冷却至200℃以下，然后加热至840～920℃停止加热，随后进行第二冷却，当冷却至250～320℃时停止第二冷却，随即进行第三冷却至10～40℃的室温温度。
2.根据权利要求1所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：当焊接接头温度在1100～1400℃时开始第一冷却。
3.根据权利要求1或2所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第二冷却的起始温度控制在停止加热后的800℃以上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第一冷却和第三冷却在空气中自然冷却，第二冷却施以冷却介质快速冷却。
5.根据权利要求1～4任一项所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第二冷却采用喷射压缩空气或水雾混合气的冷却方式。
6.根据权利要求1～5任一项所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第一冷却结束后采用全断面的方式进行加热。
7.根据权利要求1～6任一项所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述第一冷却结束后采用中频感应仿型电加热线圈或氧-乙炔火焰仿型加热器进行加热。
8.根据权利要求1～7任一项所述的亚共析钢轨的焊后热处理方法，其特征在于：所述焊接接头通过闪光焊接或气压焊接得到。
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