一种重载铁路用钢轨及其生产方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种重载铁路用钢轨及其生产方法和应用。
【背景技术】
[0002] 重载铁路的弯道中，轮轨接触的早期阶段，车轮与钢轨轨距角处的接触应力相较 后期的稳定阶段明显过大，造成钢轨在前半年服役过程中疲劳裂纹过早产生和扩展，容易 发生剥离缺陷，严重情况下还会造成轨头核伤缺陷，影响铁路的行车安全。
[0003] 针对钢轨早期使用过程中出现的疲劳现象，国内外相关研究人员也在采取不同措 施进行改善，W期使钢轨使用更为安全，铁路运输更为顺杨。例如，北美地区的美国、加拿大 等通过利用将轨距角处的=段圆弧优化为四段圆弧，使轮轨接触应力更小。国内钢轨研究 工作者近些年也开始借鉴北美的技术思路来改善轮轨接触条件，如周清跃、张银花、田常海 等发表的"60N钢轨的廓形设计及试验研究"论文中介绍，针对我国铁路多种型面的车轮在 线路上混跑的实际情况，为改善轮轨接触关系，减少轮轨接触应力、改善车辆动力学性能， 研究设计具有新轨头廓型的60N钢轨。仿真结果表明：60N钢轨与LM，S1002CN和LMA型面 车轮接触时的接触点基本在轨头踏面中屯、区域；60N钢轨的最大接触应力和最大Mises等 效应力与60钢轨相比，分别降低约19%和13%。
[0004] 同时，国内外相关研究者也通过设计钢轨的化学成分和热处理工艺来改善钢轨的 抗接触疲劳性能，具体如下。 阳0化](1)克里斯英国有限公司于2011年申请"具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的 优异结合的钢轨钢"专利（申请公布号CN101946019A)，该专利设及高强度珠光体钢的钢 轨，其具有耐磨性和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合，其中该钢由W下组成：〇. 88-0. 95% 碳，0. 75-0. 92 % 娃，0. 80-0. 95 % 儘，0. 05-0. 14 % 饥，至多 0. 008 % 氮，至多 0. 030 % 憐， 0. 008-0. 030%硫，至多2. 5ppm氨，至多0. 10%铭，至多0. 010%侣，至多20ppm氧，余量为 铁和不可避免的杂质。该专利钢轨在水润滑条件下具有超过130000循环的RCF抵抗性。
[0006] (2)新日铁住金株式会社公司于2013年在国内申请"钢轨及其制造方法"专利 (申请公布号CN102985574A)，该专利提供一种钢轨，该钢轨W质量％计含有：C:大于0. 85 且为 1. 20%W下、Si:0. 05-2. 00%、Mn:0. 05-0. 50%、Cr:0. 05-0. 60%、P《0. 0150%， 其余部分由化及不可避免的杂质构成，其中，由W头部拐角部及头顶部的表面作为起点到 深度IOmm的范围构成的头表部的97%W上为珠光体组织；所述珠光体组织的维氏硬度为 HV320-500 ;所述珠光体组织中的渗碳体相的Mn浓度CMn[at. % ]除W铁素体的Mn浓度 FMn[at. % ]而算出的值CMn/FMn值为1. 0W上且5. 0W下。
[0007] (3)新日本制铁株式会社公司于2012年申请"延展性优良的珠光体系高碳钢钢 轨及其制造方法"（申请公布号CN102803536A)，设及一种延展性优良的珠光体系高碳钢 钢轨，其W质量％计，含有C:超过 0.85-1. 40%、Si:0. 10-2. 00%、Mn:0. 10-2. 00%、Ti: 0. 001-0. 01%、V:0. 005-0. 20%W及N<0. 0040%，剩余部分包括铁和不可避免的杂质；Ti 和V的含量满足式（1)的范围，而且钢轨头部为珠光体组织。5《[V(质量％)]/[Ti(质 量％ )]《20式（1)。
[0008] (4)美国柏林顿北方铁道公司于1991年申请"高强度耐损伤钢轨及其制造方 法"（专利公开号CN1063916A)。该专利提出一种高强度耐损伤钢轨的构成，该钢轨的组分 按重量百分比计算为C:0. 60-0. 85%、Si:0. 1-1. 0%、Mn:0. 5-1. 5%、P:在 0. 035%W下、 S:在0. 040%W下、Al:在0. 05%W下，其余为化及不可避免的夹杂。角部2及头侧部3的 硬度为皿341-HB405,头顶部的硬度为上述角部及头侧部硬度的90%W下。
[0009] 然而，上述钢轨均只关注了少数几个方面，而没有同时兼顾强度、耐磨性和耐接触 疲劳性能，尤其是对于钢轨早期的耐接触疲劳性能更没有给予特别的关注。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是克服现有的货运铁路在使用早期容易出现接触疲劳劳损的现状， 提供一种重载铁路用钢轨及其生产方法，该重载铁路用钢轨具有高强度、高耐磨性和高抗 接触疲劳性能，尤其在使用前期具有优异的耐磨性能和抗接触疲劳性能。
[0011] 本发明提供了一种重载铁路用钢轨，该重载铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组 织构成，所述轨距角的厚度为3-5mm，硬度为341-368皿，延伸率为13-16 %。
[0012] 本发明还提供了生产本发明的重载铁路用钢轨的方法，该方法包括：将终社后的 钢轨进行快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保溫；快速冷却的条件包括：开冷 溫度为800-880°C，冷却速度为1-10°C/s,终冷溫度为400-450°C;快速加热和保溫的条件 包括：W3. 0-4.(TC/s的升溫速度将轨距角溫度升高至700-800°C并保溫3-5min。
[0013] 本发明另外提供了本发明生产重载铁路用钢轨的方法生产得到的重载铁路用钢 轨。
[0014] 本发明另外提供了本发明的重载铁路用钢轨在20-30吨轴重重载铁路中的应用。
[0015] 本发明的发明人发现球状珠光体组织由于其较好的塑形性能和稍低的耐磨耗性 能非常适合用作轨距角的金相组织，运样的轨距角由于具有更好的塑形性能，能被快速磨 掉，形成良好的轮轨接触关系，使钢轨在使用前期具有良好的耐磨耗性能和抗接触疲劳性 能。本发明的发明人进一步研究发现，为了得到球状珠光体组织的轨距角，可W在钢轨的生 产后期进行特殊的热处理，例如先快速冷却，然后对轨距角部位进行快速加热和保溫，能够 使轨距角处生成球状珠光体组织。根据本发明，可W抑制由于头部拉痕等造成的过大接触 压力而产生的头顶部的损伤，可延长钢轨的寿命。本发明的方法得到的钢轨兼具优异的强 度、耐磨性和抗接触疲劳性能，特别适用于20-30吨轴重重载铁路。
[0016] 本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予W详细说明。
【附图说明】
[0017] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0018] 图1是本发明提供的重载铁路用钢轨的轨距角的区域示意图。
[0019] 图2是根据本发明实施例1的重载铁路用钢轨的轨距角（左侧）与轨头基体（右 侦。交界处的金相组织的TEM图。
[0020] 图3是本发明提供的重载铁路用钢轨的轨头基体的硬度测试的测试点示意图。
[0021] 图4是本发明提供的重载铁路用钢轨的轨距角的硬度测试的测试点示意图。
[0022] 图5是本发明提供的重载铁路用钢轨的快速加热过程的加热区域示意图。
[0023] 附图标记说明
[0024] 1轨距角的区域 Al轨头基体硬度的测试位置
[00巧]Bl轨距角硬度的测试位置 Cl轨距角硬度的测试位置
【具体实施方式】
[0026]W下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体 实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0027] 本发明提供了一种重载铁路用钢轨，该重载铁路用钢轨的轨距角由球状珠光体组 织构成，所述轨距角1的厚度为3-5mm，硬度为341-368皿，延伸率为13-16%，如图1所示。
[0028] 优选地，所述重载铁路用钢轨的轨距角1的厚度为3. 5-4. 7mm，硬度为345-360皿， 延伸率为13. 5-15. 5% ;优选地，所述重载铁路用钢轨的轨距角1的宽度为18-22mm。
[0029] 在本发明中，所述轨距角1的厚度的测定方法为金相腐蚀法，硬度的测定方法为 GB/T231. 1，延伸率的测定方法为GB/T228. 1。如图4所示，钢轨的轨距角1的硬度测试点 Bl和Cl的位置大致在轨距角1厚度的中间点。
[0030] 在本发明中，所述轨距角1的位置适用于本领域通用的轨距角的位置，所述轨距 角1的边界通过金相组织来界定，金相组织为球状珠光体组织的部分为本发明的轨距角的 具体位置，如图1中附图标记1所指的阴影部分所示。本发明中的轨头、轨腰等描述钢轨部 位的词均适用于本领域通用的定义。本发明中所述的轨头基体指的是轨头除了轨距角1之 外的部分。
[0031] 根据本发明的重载铁路用钢轨，所述重载铁路用钢轨的除轨距角1W外的其他部