一种适用于高原铁路的新材质钢轨钢及制备方法与流程

本发明属于钢铁和冶炼，具体涉及一种新材质钢及其制备的适用于高原铁路的钢轨，以及该钢轨的制备方法。

背景技术：

1、目前，铁路用钢轨平均含碳量在0.7％以上，以保证较高强度和良好耐磨性来满足运营需求。在建和已建高原铁路用钢轨采用u71mn牌号，钢轨轧制后不进行热处理，平均含碳量为0.71％，抗拉强度≥880mpa，断后伸长率≥10％。然而，实践发现，高原(尤其是川藏铁路经过的青藏高原)低温、大温差、长大坡道、潮湿、高原无人区等特殊气候条件和线路条件，对钢轨低温韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗接触疲劳等综合性能提出了更高要求。国内外现役钢轨无法同时兼具优良的低温韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗接触疲劳性能，难以完全适应高原铁路苛刻、独特的线路条件。因此，必须开发出综合性能更优异的新材质钢。

2、在新材质钢轨钢的研制方面，虽然相关现有技术出现了涉及适应高寒、高湿、大温差或大坡道等环境因素，但基本都是单一因素下适用的钢轨研发。如公开号cn114635072a(公开日2022年6月17日)的中国发明专利申请“一种高寒地区耐低温钢轨生产方法”，公开的钢轨的生产方法包括：1)铁水→转炉冶炼→lf精炼→vd→连铸；其中转炉冶炼采用无铝脱氧合金化，全过程按精炼正常吹氩；真空度≤0.10kpa，深真空时间≥18min，过热度δt≤30℃；2)轧制工艺为：方坯→锯切→加热→bd1轧制→bd2轧制→ccs万能轧机连轧→在线余热淬火→锯切→冷却→切头尾→矫直→检查→包装→过磅→入库；其中方坯加热预热段温度不大于900℃；加热时长不小于3小时15分钟；出炉温度为不低于1180℃，开轧温度≥1080℃，终轧温度910～940℃。生产出的钢轨的化学成分按照质量百分含量计算包括：c0.67-0.69％，si0.36-0.39％，mn0.97-1.13％，p≤0.015％，s≤0.010％,其余为fe及不可避免的杂质。再如公开号cn115522116a(公开日2022年12月27日)的中国发明专利申请“一种高原铁路用耐蚀耐低温钢轨冶炼生产方法”，以及公开号cn112239831a(公开日2021年1月19日)的中国发明专利申请“高韧高寒铁路钢轨及其生产方法”。因此，仍然需要从配方设计和生产方法等方面研究开发匹配高原复杂多因素的线路条件的钢轨。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种新材质钢及其制备的钢轨。本发明的钢轨兼具低温韧性、耐磨损、耐腐蚀和抗接触疲劳性能，综合性能优异，特别适合高原复杂严苛的自然条件。

2、本发明采用了如下的技术方案：

3、一种新材质钢，按重量百分比计，化学组成为：

4、c：0.55～0.72％，si：0.15～0.58％，mn：0.50～1.00％，cr：0.15～0.50％，cu：0.15～0.50％，v≤0.12％，ni≤0.30％，nb≤0.05％，p≤0.025％，s≤0.025％，余量为铁和不可避免的杂质。

5、作为一个优选的实施方案，本发明提供一种新材质钢，按重量百分比计，化学组成为：

6、c：0.58～0.65％，si：0.50～0.55％，mn：0.65～0.75％，cr：0.25～0.40％，cu：0.35～0.45％，v:0.01～0.10％，ni：0.05～0.20％，nb:0～0.03％，p≤0.02％，s≤0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。

7、作为一个更优选的实施方案，本发明提供一种新材质钢，按重量百分比计，化学组成为：

8、c：0.58～0.62％，si：0.52～0.54％，mn：0.68～0.70％，cr：0.30～0.36％，cu：0.40～0.45％，v:0.03～0.05％，ni：0.09～0.15％，nb:0～0.025％，p≤0.015％，s≤0.006％，余量为铁和不可避免的杂质。

9、优选地，所述新材质钢中，[h]≤2.5ppm，[o]≤20ppm，[n]≤80ppm。

10、[h]、[o]、[n]分别表示新材质钢中氢、氧和氮的总含量。

11、本发明还有一个目的在于提供一种钢轨的制备方法，按照本发明所述新材质钢的化学组成为配方，包括以下步骤：

12、高炉吹炼→铁水预处理→转炉提钒→顶底复吹转炉冶炼→lf精炼→真空处理→大方坯连铸→步进式加热炉→万能轧制→在线热处理→平立复合矫直→断面尺寸、平直度、超声波检测→锯钻联合加工；

13、其中，所述的在线热处理过程，参数设置为：轧制后，当钢轨表面温度降至750～810℃时，对钢轨踏面中心、轨头两侧和轨底施加3～3.25℃/s的加速冷却，冷却总时间120～150s；随后以1.30℃/s的冷却速度空冷至室温。

14、上述钢轨的制备方法中，如无特殊说明，各步均按照本领域常规工艺和流程进行。

15、本发明还提供上述制备方法得到的钢轨；所述钢轨的钢组织为珠光体和少量铁素体组织，抗拉强度≥1080mpa、延伸率≥12％、-40℃断裂韧性≥37mpa·m1/2，踏面硬度320～360hb，与现使用的u71mn钢轨相比，耐磨寿命提高30％以上，相对耐蚀性提高25％以上。

16、此外，本发明还提供上述钢轨在高原铁路中的应用；其中所述高原是指海拔1000米以上的地区，特别是指青藏高原。特别地，本发明所述高原地区，除了海拔高之外，还有昼夜温差大、冬季气温低、湿度大等特点。

17、本发明提供了一种新材质钢，通过调整多种化学元素的含量结合在线热处理工艺，从而提高了钢轨的性能。具体地，降低c含量来有效提高延伸率和低温冲击韧性，降低mn含量来有效提高低温冲击韧性，增加cu、ni、cr来有效提高耐蚀性能，增加v、nb含量来同时提高强度和韧性；采用大过冷度在线热处理工艺，进一步提高钢轨强度。

18、本发明合金成分设计合理，碳含量为中碳钢成分范围，通过调控mn、cu、ni、cr、v、nb等合金元素，结合热处理工艺，同时提高钢轨的低温韧性、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能。本发明得到的钢轨抗拉强度≥1080mpa、延伸率≥12％、-40℃断裂韧性≥37mpa·m1/2，踏面硬度320～360hb，与现使用的u71mn钢轨相比，耐磨寿命提高30％以上，相对耐蚀性提高25％以上。

19、采用本发明方法生产的钢轨，强度适中，低温韧性优良，耐蚀性能优良，滚动接触疲劳性能和耐磨损性能优良，适用于高原铁路复杂多变的线路条件和高寒、高湿、强辐射的恶劣环境条件。

技术特征：

1.一种新材质钢，按重量百分比计，化学组成为：

2.根据权利要求1所述的新材质钢，其特征在于，按重量百分比计，化学组成为：

3.根据权利要求2所述的新材质钢，其特征在于，按重量百分比计，化学组成为：

4.根据权利要求1至3中任一项所述新材质钢，其特征在于，所述新材质钢中，[h]≤2.5ppm，[o]≤20ppm，[n]≤80ppm。

5.一种钢轨的制备方法，按照权利要求1至4中任一项所述的新材质钢的化学组成为配方，包括以下步骤：

6.权利要求5所述的制备方法得到的钢轨。

7.根据权利要求6所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨的钢组织为珠光体和少量铁素体组织，抗拉强度≥1080mpa、延伸率≥12％、-40℃断裂韧性≥37mpa·m1/2，踏面硬度320～360hb，与现使用的u71mn钢轨相比，耐磨寿命提高30％以上，相对耐蚀性提高25％以上。

8.权利要求6或7所述的钢轨在高原铁路中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述高原是指海拔1000米以上的地区，特别是指青藏高原。

技术总结
本发明公开了一种新材质钢，按重量百分比计，化学组成为：C：0.55～0.72％，Si：0.15～0.58％，Mn：0.50～1.00％，Cr：0.15～0.50％，Cu：0.15～0.50％，V≤0.12％，Ni≤0.30％，Nb≤0.05％，P≤0.025％，S≤0.025％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明还提供所述新材质钢制备钢轨的方法，其中钢轨在线热处理工艺为：当钢轨表面温度降至750～810℃时，对钢轨踏面中心、轨头两侧和轨底施加3～3.25℃/s的加速冷却，冷却总时间120～150s；随后以1.30℃/s的冷却速度空冷至室温。本发明提供的钢轨综合性能优异，特别适合高原复杂严苛的自然条件。

技术研发人员：石彤,吕晶,高彦嵩,郝玉朋,刘丰收,刘佳朋
受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23