過共析鋼軌生產(chǎn)工藝研究

郭朝軍 王建鋒 連 波

（河鋼集團邯鋼公司）

0 前言

過共析鋼軌是20世紀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、抗拉強度和斷后伸長率與日本軌相當，但鋪設在半徑 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準要求，使用后個別焊接接頭存在低塌現(xiàn)象。結合當前我國重載鐵路列車軸重、運行速度和運行密度大幅提高的特點，高耐磨、高強韌、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鍵技術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)品成分設計、冶煉過程、軋制過程控制等方面開展研究，結合實驗室研究和現(xiàn)場工藝控制，找出了最佳工藝控制，實現(xiàn)了高耐磨、高強韌、高抗疲勞的過共析鋼軌的研發(fā)。

1 過共析鋼性能指標要求

過共析的鋼軌的突出優(yōu)點是低成本和高強度高耐磨性，特別適用于曲線鋼軌，因此研發(fā)高強度且具有優(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)在以下幾個方面：（1）踏面硬度大于400 HB；（2）抗拉強度大于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達到高速鋼軌標準的要求；（5）殘余應力、斷裂韌性等指標應達到鋼軌訂貨技術條件(TB/T2344—2012)規(guī)定要求，而當前的生產(chǎn)不能完全滿足上述指標。

2 試驗方法及結果討論

2.1 過共析鋼生產(chǎn)流程

鐵水預處理→轉爐冶煉→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→萬能軋機軋制→UF精軋→熱打印→切尾→檢查、測量→在線熱處理→平立復合矯直→尺寸、平直度檢查、測量→渦流、超聲波探傷→補矯→加工→成品驗收→入庫。

2.2 解決思路

對于共析鋼來說，通過合金強化和熱處理強化來提高其硬度已經(jīng)十分困難了，因為軌頭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和奧氏體晶粒細化提出了較高的技術要求。國內(nèi)外研究結果表明，細化珠光體組織結構可以提高鋼軌的耐磨性能和滾動接觸疲勞壽命。一方面，減小珠光體團塊的平均直徑可以提高鋼軌的抗拉強度和耐磨性能；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化，珠光體層片間距的減小，鋼軌的硬度提高。當珠光體層片間距減小時，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-組織控制獲得細小的珠光體團塊和細小均勻的珠光體片層間距，同時控制好滲碳體體積分數(shù)，成為生產(chǎn)高耐磨性、超高強度過共析鋼軌的技術關鍵。

2.3 成分設計

在對過共析鋼軌進行化學成分設計時，首先在實驗室采用中頻爐冶煉試驗鋼，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行分析研究。同時，在冶煉過程中嘗試采用原位納米新技術來細化氧化物顆粒的大小和珠光體球團，在實驗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成分，最終確定過共析鋼軌的化學成分范圍和關鍵冶煉控制工藝。按照上述工藝，在現(xiàn)場進行了5個爐次(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，過共析鋼的化學成分控制穩(wěn)定，達到了預期的效果。

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格要求，考慮采用原位納米增強技術實現(xiàn)低夾雜物、高潔凈度鋼軌的生產(chǎn)。原位納米增強技術是一種新型優(yōu)化鋼材質(zhì)量的新技術，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、均勻細小的原位納米相。熔體中的Ti有強烈的趨勢形成鈦氧化物而析出，當鋼的凝固溫度在1 530～1 620 ℃時，以微量供給的方式加入純Ti。此時Ti的尖端開始融化并產(chǎn)生大量的自由[Ti]，然后迅速擴散到熔體周圍。在極短時間內(nèi)，微區(qū)[Ti]的尖端開始融化并產(chǎn)生大量的自由[Ti]，然后迅速擴散到熔體周圍。與此同時，熔體中的自由[Ti]會與其中的自由[O]發(fā)生反應并消耗[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)的濃度來實現(xiàn)。當納米相的形核核心在熔體中形成時，利用強電磁攪拌來產(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，使其達不到長大所需的動力學及熱力學條件。通過對這一過程的嚴格控制，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標準，在實際生產(chǎn)的成品鋼軌上取樣并進行非金屬夾雜物的檢測，具體結果見表2。

表2 非金屬夾雜物檢驗結果

按照歐標EN13674.1—2011標準，對鋼軌中非金屬夾雜物的含量進行評價， K3值完全符合標準，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

在實驗室條件下，采用Gleeble熱模擬實驗和軋制實驗相結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。熱模擬實驗是研究金屬變形及相變的有效方法，可以實現(xiàn)預定變形的精確控制。因此，用熱模擬機進行變形實驗，采用高精度光學顯微鏡OM/SEM/TEM、拉伸試驗機等設備對實驗后的試樣進行組織觀察、強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標準進行了加工、檢驗，其硬度和抗拉強度檢驗結果見表3、表4，組織如圖1所示。

表3 抗拉強度及延伸率

表4 踏面硬度檢驗結果

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標準規(guī)定的鋼軌抗拉強度大于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標準規(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，符合預期目標。

2.6殘余應力控制

殘余應力的控制水平也是衡量鋼軌生產(chǎn)能力的一個標志。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、顯微組織及殘余應力演變規(guī)律，建立新的耦合組織及殘余應力分析模型，掌握鋼軌軋制過程動態(tài)再結晶后的軟化及相變行為，最終實現(xiàn)鋼軌底殘余應力。按照TB/T2344—2012標準要求，在百米鋼軌的端部及中間部位取6個試樣，進行相應的鋼軌殘余應力檢測，具體結果見表5。

表5 鋼軌軌底殘余應力檢測結果 MPa

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

3 結語

（1）對合金體系設計、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鍵技術進行了研究，并應用于實際生產(chǎn)，使得過共析鋼的各項性能指標均滿足了既定要求。

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