专利名称：含钒合金钢轨的热处理方法
技术领域：
本发明涉及钢轨的热处理技术，特别是一种对钢轨轨头热处理的方法。
已有技术中，例如中国专利申请88105864.5和92113263.8，日本专利申请61-279626/86和美国专利申请3846183/74所公开的钢轨热处理方法，其技术方案均是对钢轨轨头直接施以快速强冷的热处理方法。采用这些已有技术对合金钢轨进行热处理时，由于其中的合金元素对钢的临界冷速和淬透性的影响，将导致钢轨热处理硬化层内出现贝氏体或马氏体组织，尤其是硅、锰、钒在其偏析区容易形成较稳定的奥氏体，在连续快速的冷却过程中，这部分奥氏体在珠光体转变温度区不能转变为珠光体组织，而是滞留到低温区转变成有害组织，例如贝氏体或马氏体组织。
美国专利申请4714500/87所公开的一种热处理方法，对钢轨热处理过程采取分段控制，可保证合金钢轨在热处理后其硬化层为金细珠光体组织，不出现贝氏体或马氏体组织。但是，该技术方案的明显不足是热处理过程中第二步骤热处理时间太长和第三步骤的再加热，使含钒钢轨中的V(C，N)大量析出沉淀。虽然这种方法有利于提高钢轨强度，但是由于其中的V(C，N)大量析出和颗粒长大，将导致钢轨塑韧性明显降低，从而影响钢轨在使用中的安全性。此外，该技术方案还存在热处理时间长，生产效率低，工序多，控制复杂等缺点。
本发明的目的是提供一种用于含钒合金钢轨的热处理方法。采用本方法热处理后的含钒合金钢轨具有良好的塑韧性和高的强度；其方法的热处理时间短，热处理生产效率高，工艺简单。
本发明根据其目的提出以下技术解决方案。
含钒合金钢轨的热处理方法，其步骤是，将含钒合金钢轨保持在奥氏体温度区的高温范围内；用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，先将压缩空气喷向钢轨头部进行快冷，使轨头以12.0～16.0℃/s的冷却速度从770℃～730℃冷却至630℃～590℃；再用压缩空气进行慢冷，使轨头以1.0～2.0℃/s的冷却速度从630℃～590℃冷却至520℃～480℃；最后，用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨头部进行快冷，使轨头以14.0～20.0℃/s的冷却速度从520℃～480℃冷却至390℃～320℃。钢轨冷却过程为强、弱、强三段。
进一步的是，上述方法中的三段强制冷却处理的时间和为96～120秒。
进一步的是，上述方法中，在强制冷却处理钢轨轨头过程中，轨头踏面的冷却强度大于轨头侧面的冷却强度，其冷却强度的控制关系比为1.4～1.6∶1。
在强制冷却处理过程中使轨头从770℃～730℃快速冷却至630℃～590℃，主要在于避免奥氏体在珠光体转变温度的高温区转变成粗大珠光体，使钢轨获得较均匀的细珠光体组织；有意识缩短此步骤冷却时间，还在于增长下一步骤的奥氏体的有效转变时间，使奥氏体有充分的时间完成珠光体转变。
使轨头从630℃～590℃慢速冷却至520℃～480℃，在于确保奥氏体有足够的有效时间完全转变成珠光体，以获得全细珠光体组织。同时由于在其慢冷过程中有适量的V(C，N)析出，可以提高钢轨强度。
使轨头从520℃～480℃快速冷却至390℃～320℃，在于避免V(C，N)的进一步析出沉淀和控制析出的V(C，N)颗粒长大，确保钢轨在高的强度下获得良好的塑韧性。同时，有利于控制钢轨变形。
使轨头踏面的冷却强度大于轨头侧面的冷却强度，在于使轨头踏面的冷却速度与轨头侧面的冷却速度保持一致，以保证轨头踏面、侧面硬度均匀。
与已有技术相比，本发明具有如下明显效果1、热处理后的含钒合金钢轨，不会因合金元素的作用而在钢轨中产生对钢轨使用性能有害的组织，例如贝氏体或马氏体组织。
2、在热处理过程中，可以有效地控制析出适量的V(C，N)，并且使析出的V(C，N)颗粒直径在400埃以下；同时，可以减小珠光体团的平均弦长，进一步细化珠光体组织。
3、热处理后的轨头硬化层组织为全细珠光体组织，硬化层深度达15mm以上，硬度值达到HRC 44.0，从表至里递减；钢轨的抗拉强度σb1320～1420MPa、屈服强度σ0.2910～1020MPa、延伸率δ511～16％；不仅具有高的强度，而且具有良好的塑韧性。
4、轨头各部位的硬度值对称、均匀。
5、其热处理时间短，效率高，工艺步骤简单。
6、有利于控制钢轨在热处理过程中的变形。
图1为本发明中三维喷嘴装置与正在热处理的含钒合金钢轨的相对位置示意图；图2为含钒合金钢轨中V(C，N)的未溶量与钢轨冲击韧性的关系；图3为用本发明方法热处理后的含钒合金钢轨的强度与延伸率和面缩率的关系；图4(a)和(b)为用本发明方法热处理后的含钒合金钢轨轨头横截面上洛氏硬度分布测试图。
下面，就本发明的思想结合实施例作进一步说明。
用本发明热处理的含钒合金钢轨原料轨的化学成份(重量％)为0.70～0.82％C、0.50～1.00％Si、0.70～1.20％Mn、0.05～0.15％V、＜0.035％P、＜0.035％P，其于为铁和其它微量元素。
实施例1采用的含钒合金钢轨原料轨的主要化学成份(重量％)为0.81％C、0.78％Si、0.90％Mn、0.12％V。
将原料轨以设定的运行速度匀速进入加热装置，将轨头加热至920℃，随后使轨头自然空冷。当轨头空冷到740℃时，用配置在轨头周围的三维喷嘴装置，将压缩空气喷向钢轨，使轨头以12.0℃/s的冷却速度快速冷却至62 0℃；再用压缩空气缓慢冷却钢轨，使轨头以1.0℃/s的冷却速度冷却至520℃；接着用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨，使轨头以18.0℃/s的冷却速度快速冷却至380℃。三段强制冷却时间和为118秒。轨头踏面与轨头侧面的冷却强度的控制比为1.5∶1。热处理后钢轨硬化层深度为18mm，组织为金细珠光体，抗拉强度为σb1420MPa、屈服强度为σ0.21020MPa、延伸率为δ511％、常温冲击韧性为ak26J/cm2，轨头横截面硬度分布见图4(a)。钢轨沿长度方向的弯曲度为70mm/25m。
实施例2采用的含钒合金钢轨原料轨的主要化学成份(重量％)为0.76％C、0.87％Si、0.95％Mn、0.09％V。
将原料轨以设定的运行速度匀速进入加热装置，将轨头加热至920℃，随后使轨头自然空冷。当轨头空冷到750℃时，用配置在轨头周围的三维喷嘴装置，将压缩空气喷向钢轨，使轨头以13.0℃/s的冷却速度快速冷却至620℃；再用压缩空气缓慢冷却钢轨，使轨头以1.1℃/s的冷却速度冷却至520℃；接着用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨，使轨头以16.0℃/s的冷却速度快速冷却至360℃。三段强制冷却时间和为110秒。轨头踏面与轨头侧面的冷却强度的控制比为1.5∶1。热处理后钢轨硬化层深度为18mm，组织为金细珠光体，抗拉强度为σb1380MPa、屈服强度为σ0.2975MPa、延伸率为δ513％、常温冲击韧性为ak 28J/cm2，轨头横截面硬度分布见图4(b)。钢轨沿长度方向的弯曲度为60mm/25m。
实施例3采用的含钒合金钢轨原料轨的主要化学成份(重量％)为0.73％C、0.79％Si、0.90％Mn、0.06％V。
将原料轨以设定的运行速度匀速进入加热装置，将轨头加热至940℃，随后使轨头自然空冷。当轨头空冷到750℃时，用配置在轨头周围的三维喷嘴装置，将压缩空气喷向钢轨，使轨头以15.0℃/s的冷却速度快速冷却至600℃；再用压缩空气缓慢冷却钢轨，使轨头以1.5℃/s的冷却速度冷却至480℃；接着用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨，使轨头以18.0℃/s的冷却速度快速冷却至330℃。三段强制冷却时间和为98秒。轨头踏面与轨头侧面的冷却强度的控制比为1.5∶1。热处理后钢轨硬化层深度为15mm，组织为全细珠光体，抗拉强度为σb1340MPa、屈服强度为σ0.2925MPa、延伸率为δ516％、常温冲击韧性为ak34J/cm2，钢轨沿长度方向的弯曲度为55mm/25m。
实施例4采用的含钒合金钢轨原料轨的主要化学成份(重量％)为0.79％C、0.90％Si、0.89％Mn、0.11％V。
将原料轨以设定的运行速度匀速进入加热装置，将轨头加热至910℃，随后使轨头自然空冷。当轨头空冷到750℃时，用配置在轨头周围的三维喷嘴装置，将压缩空气喷向钢轨，使轨头以13.0℃/s的冷却速度快速冷却至620℃；再用压缩空气缓慢冷却钢轨，使轨头以1.1℃/s的冷却速度冷却至510℃；接着用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨，使轨头以15.0℃/s的冷却速度快速冷却至360℃。三段强制冷却时间和为120秒。轨头踏面与轨头侧面的冷却强度的控制比为1.5∶1。热处理后钢轨硬化层深度为18mm，组织为金细珠光体，抗拉强度为σb1400MPa、屈服强度为σ0.2990MPa、延伸率为δ512％。钢轨沿长度方向的弯曲度为45mm/25m。
实施例5采用的含钒合金钢轨原料轨的主要化学成份(重量％)为0.75％C、0.9 5％Si、1.05％Mn、0.07％V。
将处于奥氏体温度区的含钒合金钢轨，在750℃时用配置在轨头周围的三维喷嘴装置，将压缩空气喷向钢轨，使轨头以15.0℃/s的冷却速度快速冷却至600℃；再用压缩空气缓慢冷却钢轨，使轨头以1.4℃/s的冷却速度冷却至490℃；接着用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨，使轨头以15.0℃/s的冷却速度冷却至340℃。三段强制冷却时间和为100秒。轨头踏面与轨头侧面的冷却强度的控制比为1.5∶1。热处理后钢轨硬化层深度为18mm，组织为全细珠光体，抗拉强度为σb1350MPa、屈服强度为σ0.2950MPa、延伸率为δ513％、常温冲击韧性为ak30J/cm2，钢轨沿长度方向的弯曲度为40mm/25m。
权利要求
1.含钒合金钢轨的热处理方法，其步骤是，将含钒合金钢轨保持在奥氏体区的高温范围内；本发明其特征在于，用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，先将压缩空气喷向钢轨头部进行快冷，使轨头以12.0～16.0℃/s的冷却速度从770℃～730℃冷却至630℃～590℃；再用压缩空气进行慢冷，使轨头以1.0～2.0℃/s的冷却速度从630℃～590℃冷却至520℃～480℃；最后，用配置在钢轨头部周围的三维喷嘴装置，将水喷向钢轨进行强冷，使轨头以14.0～20.0℃/s的冷却速度从520℃～480℃冷却至390℃～320℃。钢轨冷却过程为强、弱、强三段。
2.如权利要求1所说的含钒合金钢轨的热处理方法，其特征在于，三段强制冷却处理的时间和为96～120秒。
3.如权利要求1所说的含钒合金钢轨的热处理方法，其特征在于，在冷却处理钢轨轨头过程中，轨头踏面的冷却强度大于轨头侧面的冷却强度，其冷却强度的控制关系为1.4～1.6∶1 。
全文摘要
本发明公开的一种含钒合金钢轨的热处理方法是，将含钒合金钢轨保持在奥氏体区的高温范围内；先用压缩空气快速冷却轨头；再用压缩空气缓慢冷却轨头；最后用水强冷轨头。将钢轨冷却过程控制为强、弱、强三段。采用本发明热处理后的含钒合金钢轨具有良好的塑韧性和高的强度；且缩短了热处理时间，提高了生产效率，同时具有工艺步骤简单，过程控制容易等优点。
文档编号C21D9/04GK1155013SQ9611773
公开日1997年7月23日 申请日期1996年9月27日 优先权日1996年9月27日
发明者邓建辉, 俞梦文, 颜东, 张昆吾, 苏世怀, 张开华 申请人:攀枝花钢铁(集团)公司钢铁研究院