一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺的制作方法

1.本发明涉及钢轨焊接技术领域，尤其涉及一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺。

背景技术：

2.随着铁路重载运输技术的进步，我国铁路重载运输能力在不断提高，重载货车轴重在逐步提高，重载铁路具有轴重大、运量大、发车密度高等特点。重载铁路用钢轨的迅猛发展，对钢厂的钢轨材料强韧性、耐磨性和抗疲劳性能提出了更苛刻的要求。目前普遍使用的珠光体钢轨，由于其成分和组织结构的特点其强韧性基本发挥到极限，且冲击韧性、断裂韧性也较低，已无法完全满足重载铁路服役要求。贝氏体钢轨具有良好的强度、塑性、冲击韧性、耐磨性、耐滚动接触疲劳性能，非常适合重载铁路应用。但是相对于珠光体钢轨，贝氏体钢轨成本较高，约束了贝氏体钢轨的大范围应用，结合珠光体钢轨低成本的特点，在铁路线路上的直线、曲线等不同位置、不同曲线半径、不同服役要求，搭配不同的钢轨实现等寿命匹配，可在曲线上铺设耐磨钢轨，在直线上铺设普通钢轨，合理的钢轨匹配可以有效的提高线路钢轨服役性能和钢轨应用性价比，降低钢轨更换和维护费用。
3.异种钢质的钢轨闪光焊接在行业中属于难点，不同材质之间的焊接受到成分、性能、组织、标准要求、服役要求等各方面的影响。种钢轨成分不同，力学性能和理化常数不同，焊接工艺参数也不同。u20mn贝氏体钢轨属于低碳、高合金成分体系，u75vh钢轨属于高碳、低合金成分体系，贝氏体钢轨合金含量明显高于珠光体钢轨，珠光体钢轨碳含量又明显高于贝氏体钢轨。贝氏体钢轨由于合金含量高，焊接过热区存在沿奥氏体晶界的合金成分偏析，造成显微组织不均匀，可能产生液化裂纹。且贝氏体钢轨闪光焊接头的焊接残余应力高，并且分布不均匀，焊缝服役时容易产生表面裂纹。珠光体钢轨由于碳当量较高，焊接性能更差，接头容易产生灰斑、微裂纹等缺陷，且接头的韧性较差，强度、硬度已经达到极限，接头服役过程中断头率较高。
4.焊缝热处理工艺及方式是影响闪光焊接头质量的主要原因，焊缝加热温度及冷却的方式不同，直接影响接头的强度、硬度、韧性等性能指标，也会导致接头出现不均匀或异常组织。异质钢轨的焊接需要接头各项性能与不同母材均相匹配，且满足《tb/t 1632.2-2014钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中对接头力学性能的检验要求。
5.公开号为cn107385188b的专利，提供了贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法将接头自然冷却至150～250℃，第一冷却的接头加热至880～960℃后进行第二冷却，当冷却至180～250℃，随即进行第三冷却至室温。该发明得到焊缝平均硬度为钢轨母材的85～90％，不满足大于等于90％的标准要求，接头在上道服役过程中会因接头硬度低而产生低塌，影响行车平稳性。且此工艺只是针对同种贝氏体钢轨焊接接头的热处理工艺，并不适用于珠光体钢轨与贝氏体钢轨焊接接头的异种钢质的热处理，过大的冷速会导致接头珠光体一侧出现异常组织和导致接头延伸不合。
6.公开号为cn112251587b的专利，提供了贝氏体钢轨与共析珠光体钢轨焊接接头的热处理方法。该发明所焊接的贝氏体钢轨为u22si mn以c、mn、s i、cr、 mo为主要合金元素，珠光体钢轨为u78crv以c、mn、s i、cr、v为主要合金元素。焊接接头采用喷射压缩空气或水雾混合气，冷却速度为2.5～3.0℃/s，由720～760℃冷却至350～400℃；继续采用喷射压缩空气或水雾混合气，冷却速度为0.6～0.8℃/s，由350～400℃冷却至100～180℃。该发明得到的接头软化区宽度≤25mm，不满足标准要求，且采用维氏硬度进行母材及接头硬度测量，不符合标准要求；该发明未对接头强度进行表述，且未对接头的硬度hj与母材硬度hp的比值和接头软点硬度hj1与母材硬度hp的比值进行详细说明。接头由350～400℃冷却至100～180℃采用冷却速度为0.6～0.8℃/s的喷射压缩空气或水雾混合气处理，会导致接头珠光体一侧出现异常组织和导致接头延伸不合，并不适用于珠光体钢轨一侧的热处理。
7.公开号为cn112695189a的专利，提供了一种贝氏体钢轨焊接接头热处理工艺，对未经过任何热处理的贝氏体钢轨焊接接头进行550～650℃加热，接头自然冷却。该发明对焊态的接头进行高温回火处理，并未对接头进行正火处理，此工艺下焊缝显微组织未到达奥氏体化温度，未达到细化组织和晶粒度来提高接头强度、硬度和韧性的目的，接头平均硬度为钢轨母材的86％，不满足大于等于90％的标准要求。且此工艺只是针对同种贝氏体钢轨焊接接头的热处理工艺，并不适用于珠光体钢轨与贝氏体钢轨焊接接头的异种钢质的热处理。

技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，使用本发明的接头热处理工艺后，可以保证u20mn贝氏体钢轨和u75vh珠光体钢轨的混焊接头力学性能满足标准和线路服役要求，得到的接头力学性能可以与两种不同钢质母材均达到优良的匹配，从而有效的提高混焊接头服役性能。
9.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
10.本发明一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，将相同断面的贝氏体钢轨、珠光体钢轨端面分别打磨除锈、闪光焊接后，按照以下步骤进行接头热处理：
11.1)、将高温焊态的贝氏体钢轨与珠光体钢轨接头空冷至200℃以下，冷却速度在1.0～4.0℃/s之间，保证接头每个位置都完全相变，将接头焊筋全部打磨平整；
12.2)、使用仿形接头正火机对焊态下的接头进行感应加热处理，首先选用低频加热保证钢轨轨头心部能加热到所需的温度。加热频率在1000～1400hz之间, 低频功率在60～80kw之间，加热时间在90～120s之间，将接头由0～200℃加热到830～860℃；
13.3)、立即调整接头正火机感应加热参数，由低频加热调至高频感应加热，高频加热保证钢轨轨头踏面下0～15mm范围内温度能加热到目标温度。加热频率在2000～2300hz之间,低频功率在50～65kw之间，加热时间在80～110s之间，将接头由830～860℃加热到880～910℃之间；
14.4)、接头感应加热到达880～910℃温度后停止加热，立即对接头进行喷风冷却处理，喷风时间控制在在110～130s之间，喷风压力在0.18～0.21mpa之间，将接头由880～910℃冷却至410～440℃之间，冷却速度控制在3.0～5.0℃ /s之间，此过程可使接头的珠光体
钢轨热影响区的组织晶粒度细化，保证接头珠光体钢轨一侧的强度和硬度；
15.5)、当接头冷却至410～440℃之间时，立即停止喷风处理，将接头以≤ 0.20℃/s的冷却速度保温缓冷处理。此过程可使接头的贝氏体钢轨尽可能长时间的控制在贝氏体相变区间，保证一定的贝氏体组织比例，然后进行低碳马氏体组织转变，使接头贝氏体钢轨一侧具有较高的强韧性；
16.6)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温；
17.7)、使用全断面回火机对接头进行加热回火处理，选用丙烷、氧气混合气体加热5～10mi n，将接头由室温加热到250～350℃之间；由于钢轨为异形端面，加热过程中要尽可能的保证钢轨焊缝各位置以相同的速度、温度加热，从而保证焊缝组织转变同时性，降低回火处理带来的头、腰、底应力不均现象；
18.8)、接头到达250～350℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温；此过程可以改善接头贝氏体钢轨一侧热影响区的马氏体条带组织和降低接头液化裂纹，且不影响接头珠光体钢轨一侧的力学性能，得到的接头性能均于贝氏体钢轨和珠光体钢轨母材性能相匹配。
19.进一步的，所述混合气体中，丙烷输出气压：0.04～0.07mpa，氧气输出气压：0.15～0.3mpa。
20.进一步的，贝氏体钢轨以c、mn、s i、cr、n i、mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.15～0.35％，s i：0.60～1.50％，mn：1.50～3.0％， cr：0.45～1.30％，n i:0.20～0.80％，mo:0.20～0.60％，nb：0～0.06％,p≤0.022％， s≤0.015％，a l：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。
21.进一步的，珠光体钢轨c、mn、s i、v为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.71～0.80％，s i：0.50～0.80％，mn：0.75～1.05％，v：0.04～ 0.12％，p≤0.030％，s≤0.025％，al：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。
22.进一步的，两种钢轨均经冶炼、连铸、钢坯缓冷、轧制、热处理等进行的钢轨生产；钢轨的轧制压缩比不应小于9：1，终轧温度不应高于950℃，从而保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。
23.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
24.基于本发明内容，得到接头抗拉强度≥1085mpa，接头延伸≥9.2％，接头的硬度平均值hj与母材硬度平均值hp的比值满足hj≥0.91hp，接头软点硬度平均值hj1与母材硬度平均值hp的比值满足hj1≥0.86hp，软化区宽度w≤18mm。
25.本发明重点针对贝氏体钢轨和珠光体钢轨组织转变特点，结合两种钢轨cct 曲线中各关键温度点进行的工艺发明，接头正火后通过控制珠光体和贝氏体组织相变温度和时间，使接头热影响区珠光体一侧得到细珠光体组织，贝氏体一侧得到贝氏体组织，从而使接头具有较高的强度、硬度和韧性。改善钢轨在线路服役过程中因焊接区域硬度差过大或接头微观组织异常而导致的钢轨焊接接头“鞍型”磨耗及早期疲劳断裂,保证铁路运行安全。本发明方法具有良好的推广应用前景，可在国内焊接基地或线路焊接施工单位进行推广使用。
具体实施方式
26.本发明所焊接的贝氏体钢轨以c、mn、si、cr、n i、mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.15～0.35％，si：0.60～1.50％，mn：1.50～ 3.0％，cr：0.45～1.30％，ni:0.20～0.80％，mo:0.20～0.60％，nb：0～0.06％,p ≤0.022％，s≤0.015％，al：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。珠光体钢轨c、mn、si、v为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.71～ 0.80％，s i：0.50～0.80％，mn：0.75～1.05％，v：0.04～0.12％，p≤0.030％，s ≤0.025％，al：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。
27.具体焊接接头热处理工艺焊接步骤如下：
28.将相同断面(60kg/m或75kg/m)的贝氏体钢轨、珠光体钢轨端面分别打磨除锈，进行固定闪光对接焊接。
29.将高温焊态的贝氏体钢轨与珠光体钢轨接头空冷至200℃以下，冷却速度在 1.0～4.0℃/s之间。接头空冷到温后，将接头焊筋全部打磨平整。
30.使用仿形接头正火机对焊态下的接头进行感应加热处理，首先选用低频加热，加热频率在1000～1400hz之间,低频功率在60～80kw之间，加热时间在90～ 120s之间，将接头由0～200℃加热到830～860℃。
31.低频加热到温后，立即调整接头正火机感应加热参数，由低频加热调至高频感应加热，加热频率在2000～2300hz之间,低频功率在50～65kw之间，加热时间在80～110s之间，将接头由830～860℃加热到880～910℃之间。
32.接头感应加热到达880～910℃温度后停止加热，立即对接头进行喷风冷却处理，喷风时间控制在在110～130s之间，喷风压力在0.18～0.21mpa之间，将接头由880～910℃冷却至410～440℃之间，冷却速度控制在3.0～5.0℃/s 之间。
33.当接头冷却至410～440℃之间时，立即停止喷风处理，将接头以≤0.20℃ /s的冷却速度保温缓冷处理。当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温。
34.使用全断面回火机对接头进行加热回火处理，选用丙烷(输出气压：0.04～ 0.07mpa)、氧气(输出气压：0.15～0.3mpa)混合气体加热5～10mi n，将接头由室温加热到250～350℃之间。
35.接头到达250～350℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温。
36.实施过程中工艺对比：
37.表1实施过程中不同热处理工艺对比
38.[0039][0040]
实施例1～实施例4，分别为贝氏体钢轨与珠光体钢轨闪光焊接工艺研发过程中，不同的接头热处理工艺，针对不同阶段实施的接头热处理工艺，进行接头性能分析。
[0041]
将实施例1～实施例4进行接头力学性能对比分析，见表2。
[0042]
表2实施过程中接头不同热处理工艺性能
[0043][0044]
表2中各项性能符号表示为：rm：抗拉强度，a：延伸率，hp：母材硬度平均值，hj：接头的硬度平均值，h
j1
：接头软点硬度平均值，w：软化区宽度。母材硬度、接头硬度和接头软点硬度分别取贝氏体钢轨与珠光体钢轨两侧的平均值。针对贝氏体钢轨与珠光体钢轨闪光焊接头性能要求，按照标准《tb/t 1632.2-2014钢轨焊接第2部分：闪光焊接》中规定，接头性能需满足：rm≥ 980mpa，a≥6.0％，hj/h
p
≥0.90，h
j1
/h
p
≥0.80，w≤20mm。
[0045]
表3实施过程中接头不同热处理工艺组织及晶粒度
[0046]
[0047][0048]
针对贝氏体钢轨与珠光体钢轨闪光焊接头金相组织及晶粒度要求，按照标准《tb/t 1632.2-2014钢轨焊接第2部分：闪光焊接》和《贝氏体钢轨闪光焊技术条件暂行》中规定，接头金相组织及晶粒度需满足：珠光体钢轨侧为珠光体和少量铁素体，不应有马氏体和贝氏体；轨头、轨脚边缘晶粒度不低于8级，轨底三角区不低于6级。贝氏体钢轨侧为贝氏体和低碳马氏体，焊缝处允许有少量铁素体；焊缝及热影响区晶粒度不低于6级。
[0049]
由表2、表3可知，贝氏体钢轨与珠光体钢轨闪光焊接头，接头抗拉强度和延伸率主要取决于钢轨组合中强度级别较低的钢轨；母材硬度指标主要取决于钢轨组合中强度级别较高的钢轨，接头硬度指标主要取决于钢轨组合中强度级别较低的钢轨。
[0050]
实施例1接头强度、延伸、软化区宽度、组织及晶粒度满足标准要求，但 hj/h
p
＝0.88，不满足标准要求，且h
j1
/h
p
也接近标准下线，正常生产过程中可能出现比值不合格现象。
[0051]
实施例2接头强度、硬度、软化区宽度及晶粒度满足标准要求，但a＝5.7％，珠光体焊缝处出现马氏体或贝氏体组织求，焊缝及热影响区出现了异常组织，导致接头延伸率降低，增加线路服役过程中接头断轨的风险。
[0052]
实施例3接头延伸、组织满足标准要求，但
[0053]
rm＝965mpa,hj/h
p
＝0.84,h
j1
/h
p
＝0.79,w＝21mm,轨头晶粒度为7.5级,接头强度、硬度、软化区宽度及晶粒度均不满足标准要求，接头在服役过程中会出现接头低塌现象，且接头硬度过低导致接头出现“马鞍型”磨耗，影响无缝线路的不平顺性。
[0054]
实施例4接头rm≥1085mpa，a≥9.2％，hj/h
p
≥0.91，h
j1
/h
p
≥0.86，w≤18mm，轨头及轨脚边缘晶粒度≥8.5级，三角区缘晶粒度≥7.5级。得到的接头力学性能可以与两种不同钢质母材均达到优良的匹配，从而有效的提高混焊接头服役性能，有效改善钢轨线路服役过程中因焊接区域硬度差过大或接头微观组织异常而导致的钢轨焊接接头异常磨耗下线及早期疲劳伤损情况，保证铁路运行安全。
[0055]
从贝氏体钢轨与珠光体钢轨闪光焊接头性能及组织检测结果来看，采用本发明的贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，解决不同钢种钢轨间的焊接问题，提出适用于焊轨基地的通用热处理工艺参数，实现将不同钢种钢轨的闪光焊接，本发明可以保证
u20mn贝氏体钢轨和u75vh珠光体钢轨的混焊接头力学性能满足标准和线路服役要求，得到的接头力学性能可以与两种不同钢质母材均达到优良的匹配，从而有效的提高混焊接头服役性能。
[0056]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：将相同断面的贝氏体钢轨、珠光体钢轨端面分别打磨除锈、闪光焊接后，按照以下步骤进行接头热处理：1)、将高温焊态的贝氏体钢轨与珠光体钢轨接头空冷至200℃以下，冷却速度在1.0～4.0℃/s之间，保证接头每个位置都完全相变，将接头焊筋全部打磨平整；2)、使用仿形接头正火机对焊态下的接头进行感应加热处理，首先选用低频加热保证钢轨轨头心部能加热到所需的温度；加热频率在1000～1400hz之间,低频功率在60～80kw之间，加热时间在90～120s之间，将接头由0～200℃加热到830～860℃；3)、立即调整接头正火机感应加热参数，由低频加热调至高频感应加热，高频加热保证钢轨轨头踏面下0～15mm范围内温度能加热到目标温度；加热频率在2000～2300hz之间,低频功率在50～65kw之间，加热时间在80～110s之间，将接头由830～860℃加热到880～910℃之间；4)、接头感应加热到达880～910℃温度后停止加热，立即对接头进行喷风冷却处理，喷风时间控制在在110～130s之间，喷风压力在0.18～0.21mpa之间，将接头由880～910℃冷却至410～440℃之间，冷却速度控制在3.0～5.0℃/s之间；5)、当接头冷却至410～440℃之间时，立即停止喷风处理，将接头以≤0.20℃/s的冷却速度保温缓冷处理；6)、当接头缓冷处理至200℃以下时，自然冷却至常温；7)、使用全断面回火机对接头进行加热回火处理，选用丙烷、氧气混合气体加热5～10min，将接头由室温加热到250～350℃之间；由于钢轨为异形端面，加热过程中要尽可能的保证钢轨焊缝各位置以相同的速度、温度加热；8)、接头到达250～350℃温度后，停止加热，接头自然冷却至常温。2.根据权利要求1所述的重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：所述混合气体中，丙烷输出气压：0.04～0.07mpa，氧气输出气压：0.15～0.3mpa。3.根据权利要求1所述的重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：贝氏体钢轨以c、mn、si、cr、ni、mo为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.15～0.35％，si：0.60～1.50％，mn：1.50～3.0％，cr：0.45～1.30％，ni:0.20～0.80％，mo:0.20～0.60％，nb：0～0.06％,p≤0.022％，s≤0.015％，al：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：珠光体钢轨c、mn、si、v为主要合金元素，钢轨化学成分的重量百分比为c：0.71～0.80％，si：0.50～0.80％，mn：0.75～1.05％，v：0.04～0.12％，p≤0.030％，s≤0.025％，al：≤0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述的重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，其特征在于：两种钢轨均经冶炼、连铸、钢坯缓冷、轧制、热处理等进行的钢轨生产；钢轨的轧制压缩比不应小于9：1，终轧温度不应高于950℃，从而保证钢轨原始奥氏体的晶粒度。

技术总结

本发明公开了一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，将相同断面的贝氏体钢轨、珠光体钢轨端面分别打磨除锈、闪光焊接后，按照步骤进行接头热处理。本发明的目的是提供一种重载铁路用贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接接头热处理工艺，使用本发明的接头热处理工艺后，可以保证U20Mn贝氏体钢轨和U75VH珠光体钢轨的混焊接头力学性能满足标准和线路服役要求，得到的接头力学性能可以与两种不同钢质母材均达到优良的匹配，从而有效的提高混焊接头服役性能。提高混焊接头服役性能。