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4.3 铸坯喷涂涂料对钢轨组织性能影响的研究
鞍山鸿达科技进行铸坯喷涂涂料试验后,分别取U75V和U71MnG涂涂料铸坯和未涂涂料铸坯轧制的钢轨进行金相组织、力学性能对比检验分析,研究涂层材料对钢轨组织性能的影响。
4.3.1 U75V铸坯喷涂涂料对钢轨组织性能的影响
4.3.1.1显微组织
在喷涂涂料U75V铸坯轧制的钢轨上取样,磨制抛光侵蚀后,在显微镜下从轨头边部开始向内观察显微组织,各试样的显微组织无明显区别:轨头边缘脱碳层内组织为块状铁素体和少量珠光体,向内铁素体逐渐过渡为网状,在距表面1mm以后,组织为珠光体和极少量铁素体。典型组织图片见下图11。

4.3.1.2力学性能
在两种U75V铸坯轧制的钢轨上取样,按标准检验拉伸性能和踏面硬度,结果见表12。   

由上表可见,铸坯喷涂涂料对钢轨踏面硬度无明显影响,但铸坯喷涂涂料钢轨的屈服强度和抗拉强度略高。拉力试样取样位置在轨头1/4处,距表面有一定距离,理论上喷涂涂料对其无影响,分析认为此次得出的实验结果可能取钢轨的取样位置有关,拉伸性能差异可能与100米钢轨南北两端生产条件不同有关,北端可能冷却稍快,因此强度略高。。
4.3.2 U71MnG铸坯喷涂涂料对钢轨组织性能的影响
    2012年5月10日,进行U71MnG铸坯喷涂涂料试验时取钢轨试样,检验分析铸坯喷涂涂料对钢轨组织性能的影响。
4.3.2.1 显微组织
未喷涂涂料铸坯轧制的U71MnG钢轨轨头表面存在半脱碳层,脱碳层内组织为网状铁素体和珠光体。喷涂涂料铸坯轧制的U71MnG钢轨轨头表面无脱碳层或存在极少量全脱碳层,全脱碳层内为铁素体,其它部位全为珠光体,不存在铁素体网。铸坯喷涂涂料轧制U71MnG钢轨和正常生产的U71MnG钢轨的基体显微组织相同,均为珠光体和极少量铁素体。典型形貌见下图12。

4.3.2.2 力学性能
在喷涂涂料铸坯和未涂涂料铸坯轧制的U71MnG钢轨上分别取样,由距轨头踏面0.5mm开始,向内依次检测显微硬度,每隔0.1mm检测一点,压头100g,检测结果见图13。铸坯喷涂涂料生产的钢轨轨头踏面下0.5mm内平均硬度299HV,比正常钢轨的283HV高16HV。踏面下0.5到2mm内,两支钢轨硬度平均值分别 为288HV和291HV,两者相差不大。

在喷涂涂料铸坯和未涂涂料铸坯轧制的钢轨轨头1/4处分别取拉伸试样,检测其拉伸性能,结果见下表13. 可见,铸坯涂涂料对U71MnG钢轨拉伸性能无明显影响。

4.4在线喷涂涂料工艺和设备布置形式
经多次铸坯喷涂涂料试验可知,对热铸坯表面不进行氧化铁皮清除处理,直接喷涂涂料后装炉即可;对下线(铸坯表面温度低于600℃)铸坯,需要先清除表面翘起的氧化铁皮,再喷涂涂料。因此结合两方面考虑,初步设计设备布置图如下

 

4.5小结
选择合适的涂料,U71Mn和U75V两种重轨铸坯喷涂涂料加热后,铸坯表面脱碳均明显减轻,其轧制的钢轨轨头表面脱碳层明显降低,喷涂工艺适当,两种钢轨踏面脱碳层≤0.3mm合格率均可达90%。铸坯喷涂涂料对两种钢轨内部组织和力学性能无明显影响,由于铸坯涂涂料后钢轨脱碳层较浅,表面以铁素体为主的组织区域减少,踏面下0.5mm内硬度偏高。而且相比较而言,U71Mn铸坯喷涂涂料减轻钢轨表面脱碳的效果好于U75V。
5 化学成分对钢轨表面脱碳影响的研究
2012年实施了新高速和新铁标两个行业标准。新铁路标准中,U75V高速轨成分不变,而U71Mn要求降低Mn含量,并提高Si含量的上限。满足新标准要求,在现有U71Mn成分基础上,略降低Mn含量,同时为保证性能,略提C含量。但一般认为,钢中含C量愈高脱碳倾向愈大,Si则是促进脱碳元素,使钢脱碳倾向增加;而 Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳,即C、Si促进脱碳而Mn、V阻碍脱碳。提C降Mn将促进脱碳,增加脱碳深度。因此,在新铁标实施前在试验室研究了化学成分(特别是C、Mn)的微调对钢轨脱碳的影响。
5.1实验研究
鞍山鸿达科技涂装60kg/m U71Mn和U75V钢轨后,分别取C、Si、Mn上限、下限的钢轨,在轨头中心取金相样,分别在电炉内随炉加热到1200℃和1150℃,保温半小时后空冷,检测脱碳层深度,研究化学成分对钢轨脱碳的影响,实际取样钢轨化学成分和脱碳层检验结果见下表14.典型脱碳层形貌见图15。

上述试验表明,重轨钢加热温度越高,脱碳越严重。化学成分对钢轨脱碳有一定影响,加热温度为1150℃的U75V试样表面为全脱碳,而U71Mn试样表面即有全脱碳又有半脱碳。加热温度升到1200℃时,U75V和U71Mn试样表面全脱碳层已被氧化掉了,只存在部分脱碳层,而且脱碳层深度明显增加。U71Mn试样的碳含量越高脱碳越严重,Si、Mn对脱碳影响不明显。
5.2加Cr 防钢轨脱碳的工业试验研究
统计钢轨脱碳层检验数据发现,生产检验的U77MnCr钢轨脱碳深度均小于0.3mm,分析认为,Cr对抑制脱碳有一定作用,因此,鞍山鸿达科技第二次涂装U71MnG高速轨后,冶炼两炉加Cr的试验钢,在LF炉精炼结束前向钢水中添加Cr,使其0.10%<Cr<0.15%。在此炉铸坯轧制的钢轨上取样检测脱碳层,研究Cr对U71MnG脱碳深度的影响。
5.2.1 试验钢轨化学成分
试验钢轨取样编号及化学成分见下表15。

5.2.2 加Cr对钢轨脱碳层的影响
三支钢轨轨头踏面脱碳层检验结果见下表16。每号轨头最严重处脱碳图片见下图16.

加Cr钢轨轨头表面晶粒相对细小,Cr含量为0.093%的钢轨试样的踏面脱碳层小于0.24mm,侧面最大处0.32mm,未加Cr钢轨踏面脱碳层0.33mm,侧面最大处0.45mm,说明Cr对抑制脱碳有一定作用。Cr含量为0.061%钢轨的脱碳层最深,侧面最深处达0.5mm以上,分析认为,试验过程中由于轧机故障影响,4D207933A在加热炉内停留超过4小时,其脱碳层较深可能与其受热时间长有关。可见,重轨钢的脱碳深度受多种因素影响,因此,要使其脱面层满足要求,还要控制好在炉时间,炉内气氛等多种影响因素。
5.2.3 加Cr对钢轨组织性能的影响
加Cr和未加Cr钢轨轨头表面均存在半脱碳层,脱碳层内组织为网状铁素体和珠光体,两者基体显微组织也相同,均为珠光体。但从图1可见,加Cr钢轨脱碳层内的铁素体网小于未加Cr钢轨脱碳层内铁素体网,说明加Cr细化了钢轨表面组织。两者基体组织见下图17。

5. 3 小结
    碳对钢轨脱碳略有影响,碳高脱碳略严重,但影响不大。其它常规元素对钢轨脱碳层影响不明显。
钢中添加微量Cr元素,可以细化钢轨表面组织,脱碳深度略降低,且加Cr对钢轨内部组织无明显影响,但需同时控制好加热时间,炉内温度、气氛等影响因素,而且要精确控制残余元素Cr的含量有一定难度。
6结论
上述研究表明:影响钢轨脱碳深度的因素很多,包括产品规格、化学成分、铸坯加热时间、加热炉气氛等。钢轨在炉时间越长,断面规格越大,脱面深度越严重;碳含量越高,钢轨脱碳越严重;添加微量Cr元素,可细化表面组织,略降低脱碳深度(但标准规定了残余元素Cr含量要<0.15,冶炼很难控制);加热炉南北炉况不同,南北两端铸坯和钢轨脱碳不均,北端好于南端;加热炉内一加热和均热段均为还原性气氛,不利于降低脱碳深度。
针对上述研究结论进行分析后认为,钢轨的内控成分是根据铁标研究确定的,变动范围很小,对钢轨脱面深度影响也较小;目前加热炉内气氛受    煤气热值波动且无检测手段等影响,调节控制加热炉内气氛非常困难;调节铸坯加热时间和温度不利于轧制工艺生产,影响钢轨表面质量。因此,仅靠优化现有生产工艺降低钢轨脱碳层难度很大。
经多次铸坯喷涂涂料试验,确定在热装热装铸坯表面喷涂涂料是降低钢轨脱碳深度的最佳生产途径。经过筛选和改进涂料成分,铸坯喷涂合适的涂料后,U71Mn和U75V两种钢轨脱碳深度≤0.3mm的合格率均可达90%以上。两种热装热装铸坯均可直接喷涂涂料,热坯喷涂涂料前不需要清理氧化铁皮;轧制前也不需要清理涂料,高压水除鳞装置即可将铸坯表面涂料清理干净,对轧制工艺无影响,不影响钢轨表面质量,对钢轨内部组织和力学性能也无明显影响。当然,铸坯喷涂涂料的同时,也要合理控制加热炉的热工制度,两者共同作用,降低钢轨脱碳深度的效果更明显。

 

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