過共析鋼軌生產(chǎn)工藝研究

郭朝軍 王建鋒 連 波

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司）

0 前言

過共析鋼軌是20世紀(jì)90年代日本最先開發(fā)品種，C含量在0.9%～1.00%范圍內(nèi)，耐磨性能比C含量為0.7%～0.82%的普通鋼軌提高了20%以上，有優(yōu)良的抗接觸疲勞性能，適合在小半徑曲線上使用[1]。我國從2006年開始過共析鋼軌的開發(fā)研究，鋼軌硬度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率與日本軌相當(dāng)，但鋪設(shè)在半徑 600 m曲線上的鋼軌也出現(xiàn)魚鱗傷和剝離掉塊；另外，鋼軌焊接中鋁熱焊接頭硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，使用后個(gè)別焊接接頭存在低塌現(xiàn)象。結(jié)合當(dāng)前我國重載鐵路列車軸重、運(yùn)行速度和運(yùn)行密度大幅提高的特點(diǎn)，高耐磨、高強(qiáng)韌、高抗疲勞鋼軌的研發(fā)已迫在眉睫。有研究表明，目前過共析鋼軌研究的關(guān)鍵技術(shù)集中在抑制二次滲碳體的析出[2]，筆者以過共析鋼為研究對象，從產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)、冶煉過程、軋制過程控制等方面開展研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場工藝控制，找出了最佳工藝控制，實(shí)現(xiàn)了高耐磨、高強(qiáng)韌、高抗疲勞的過共析鋼軌的研發(fā)。

1 過共析鋼性能指標(biāo)要求

過共析的鋼軌的突出優(yōu)點(diǎn)是低成本和高強(qiáng)度高耐磨性，特別適用于曲線鋼軌，因此研發(fā)高強(qiáng)度且具有優(yōu)良抗接觸疲勞性能的過共析鋼軌成為研究方向。但過共析鋼軌要求比較高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）踏面硬度大于400 HB；（2）抗拉強(qiáng)度大于1 330 MPa，斷后伸長率大于9%；（3）全斷面組織不得出現(xiàn)明顯呈網(wǎng)狀分布的二次滲碳體、馬氏體和貝氏體等有害組織；（4）非金屬夾雜物和有害元素的含量應(yīng)達(dá)到高速鋼軌標(biāo)準(zhǔn)的要求；（5）殘余應(yīng)力、斷裂韌性等指標(biāo)應(yīng)達(dá)到鋼軌訂貨技術(shù)條件(TB/T2344—2012)規(guī)定要求，而當(dāng)前的生產(chǎn)不能完全滿足上述指標(biāo)。

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果討論

2.1 過共析鋼生產(chǎn)流程

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→RH爐精煉→大方坯連鑄→裝爐加熱→高壓水除鱗→BD1、BD2開坯→高壓水除鱗→萬能軋機(jī)軋制→UF精軋→熱打印→切尾→檢查、測量→在線熱處理→平立復(fù)合矯直→尺寸、平直度檢查、測量→渦流、超聲波探傷→補(bǔ)矯→加工→成品驗(yàn)收→入庫。

2.2 解決思路

對于共析鋼來說，通過合金強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化來提高其硬度已經(jīng)十分困難了，因?yàn)檐夘^表面會形成不希望出現(xiàn)的脆性貝氏體和馬氏體組織。在線處理工藝對鋼軌的熱軋形變熱處理工藝TMCP和奧氏體晶粒細(xì)化提出了較高的技術(shù)要求。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，細(xì)化珠光體組織結(jié)構(gòu)可以提高鋼軌的耐磨性能和滾動接觸疲勞壽命。一方面，減小珠光體團(tuán)塊的平均直徑可以提高鋼軌的抗拉強(qiáng)度和耐磨性能；另一方面，減小珠光體層片間距可以顯著提高鋼軌的抗剝離能力，從而顯著提高鋼軌的滾動接觸疲勞壽命。隨著珠光體組織的細(xì)化，珠光體層片間距的減小，鋼軌的硬度提高。當(dāng)珠光體層片間距減小時(shí)，滲碳體體積百分比隨之提高，鋼軌的硬度也隨之提高，從而提高了鋼軌的耐磨性能。因此，如何通過成分-工藝-組織控制獲得細(xì)小的珠光體團(tuán)塊和細(xì)小均勻的珠光體片層間距，同時(shí)控制好滲碳體體積分?jǐn)?shù)，成為生產(chǎn)高耐磨性、超高強(qiáng)度過共析鋼軌的技術(shù)關(guān)鍵。

2.3 成分設(shè)計(jì)

在對過共析鋼軌進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)，首先在實(shí)驗(yàn)室采用中頻爐冶煉試驗(yàn)鋼，澆注成鋼錠，然后將其鍛造成長方坯，在長方坯上取樣，并從硬度、拉伸性能、沖擊性能及顯微組織等方面對試樣進(jìn)行分析研究。同時(shí)，在冶煉過程中嘗試采用原位納米新技術(shù)來細(xì)化氧化物顆粒的大小和珠光體球團(tuán)，在實(shí)驗(yàn)室條件下觀察先共析滲碳體的組織和珠光體的片層間距。篩選出該鋼種的合理化學(xué)成分，最終確定過共析鋼軌的化學(xué)成分范圍和關(guān)鍵冶煉控制工藝。按照上述工藝，在現(xiàn)場進(jìn)行了5個(gè)爐次(爐次號：81203～81207)的生產(chǎn)試制，成分控制見表1。

從表1可以看出，過共析鋼的化學(xué)成分控制穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.4 非金屬夾雜物控制效果及分析

針對鋼軌對非金屬夾雜物的嚴(yán)格要求，考慮采用原位納米增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低夾雜物、高潔凈度鋼軌的生產(chǎn)。原位納米增強(qiáng)技術(shù)是一種新型優(yōu)化鋼材質(zhì)量的新技術(shù)，是指通過精確控制熔體流場、濃度場和溫度場分布，利用原位納米相周圍的微區(qū)濃度起伏及黏度變化，使原位納米相在合金熔體的凝固過程中直接產(chǎn)生，形成高密度、均勻細(xì)小的原位納米相。熔體中的Ti有強(qiáng)烈的趨勢形成鈦氧化物而析出，當(dāng)鋼的凝固溫度在1 530～1 620 ℃時(shí)，以微量供給的方式加入純Ti。此時(shí)Ti的尖端開始融化并產(chǎn)生大量的自由[Ti]，然后迅速擴(kuò)散到熔體周圍。在極短時(shí)間內(nèi)，微區(qū)[Ti]的尖端開始融化并產(chǎn)生大量的自由[Ti]，然后迅速擴(kuò)散到熔體周圍。與此同時(shí)，熔體中的自由[Ti]會與其中的自由[O]發(fā)生反應(yīng)并消耗[O]，大量的鈦氧化物在此過程中形成。也可以嘗試采用其他元素（如Si）形成原位納米氧化物來控制組織與性能。

納米相的長大速度可以通過控制溫度和微區(qū)的濃度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)納米相的形核核心在熔體中形成時(shí)，利用強(qiáng)電磁攪拌來產(chǎn)生對流場，產(chǎn)生的流場會將新形成的納米形核核心迅速帶離其產(chǎn)生的區(qū)域，并破壞此區(qū)的濃度，使其達(dá)不到長大所需的動力學(xué)及熱力學(xué)條件。通過對這一過程的嚴(yán)格控制，會在熔體中直接形成大量彌散分布的氧化物納米相。該技術(shù)使冶煉過程和連鑄過程中鋼中原先本該生成的大尺寸夾雜物(氧化物和硫化物)的尺寸減小到1 μm以下，少數(shù)在1～10 μm，同時(shí)它也能通過生成微晶消除連鑄和軋制過程中的碳化物偏析。按照TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際生產(chǎn)的成品鋼軌上取樣并進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測，具體結(jié)果見表2。

表2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

按照歐標(biāo)EN13674.1—2011標(biāo)準(zhǔn)，對鋼軌中非金屬夾雜物的含量進(jìn)行評價(jià)， K3值完全符合標(biāo)準(zhǔn)，非金屬夾雜物控制水平非常好。

2.5 組織及性能控制效果及分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)和軋制實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究軋制和冷卻工藝對先共析碳化物形成的影響。熱模擬實(shí)驗(yàn)是研究金屬變形及相變的有效方法，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定變形的精確控制。因此，用熱模擬機(jī)進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，采用高精度光學(xué)顯微鏡OM/SEM/TEM、拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對實(shí)驗(yàn)后的試樣進(jìn)行組織觀察、強(qiáng)韌性能和耐磨性檢測，測量分析先共析滲碳體的形貌及分布規(guī)律，研究成分、熱處理工藝和變形工藝對過共析鋼軌微觀組織的影響，最終確定了過共析鋼軌軋制和在線冷卻的關(guān)鍵工藝參數(shù)范圍。

按照上述工藝思路完成過共析鋼軌生產(chǎn)，并分別從不同爐次號上取樣（試樣號：1～5），按照TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了加工、檢驗(yàn)，其硬度和抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果見表3、表4，組織如圖1所示。

表3 抗拉強(qiáng)度及延伸率

表4 踏面硬度檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 鋼軌的組織

從表3、表4和圖1可以看出，鋼軌抗拉強(qiáng)度在1 335～1 389 MPa之間，延伸率在11%～12%之間，分別滿足TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼軌抗拉強(qiáng)度大于1 330 MPa，斷后延伸率大于9%的要求，且有一定的富余量；鋼軌的硬度最低值為391 HBW，最高值為415 HBW，平均硬度為401 HBW，滿足TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼軌踏面硬度值在390～450 HBW之間的要求；鋼軌的組織形態(tài)良好，符合預(yù)期目標(biāo)。

2.6殘余應(yīng)力控制

殘余應(yīng)力的控制水平也是衡量鋼軌生產(chǎn)能力的一個(gè)標(biāo)志。通常在鋼軌軋制過程中，軋件噴霧局部冷卻速率、軋后軋件斷面溫度分布、軋后鋼軌的彎曲度等諸多因素會影響軌底殘余應(yīng)力的生成。通過分析鋼軌軋制、冷卻、在線熱處理及矯直過程的溫度場、變形場、顯微組織及殘余應(yīng)力演變規(guī)律，建立新的耦合組織及殘余應(yīng)力分析模型，掌握鋼軌軋制過程動態(tài)再結(jié)晶后的軟化及相變行為，最終實(shí)現(xiàn)鋼軌底殘余應(yīng)力。按照TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，在百米鋼軌的端部及中間部位取6個(gè)試樣，進(jìn)行相應(yīng)的鋼軌殘余應(yīng)力檢測，具體結(jié)果見表5。

表5 鋼軌軌底殘余應(yīng)力檢測結(jié)果 MPa

從表5可以看出，過共析鋼軌軌底的殘余應(yīng)力為201～225 MPa，均符合TB/T2344—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼軌軌底最大殘余應(yīng)力應(yīng)小于或等于250 MPa的要求。

3 結(jié)語

（1）對合金體系設(shè)計(jì)、納米相析出和在線熱處理協(xié)同控制先共析滲碳體析出關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，使得過共析鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足了既定要求。

（2）關(guān)于過共析鋼的耐磨、高韌性等性能還需待鋼軌鋪設(shè)到線路上進(jìn)行跟蹤觀測，以查看實(shí)際使用效果。