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4.3 鑄坯噴涂涂料對鋼軌組織性能影響的研究
鞍山鴻達科技進行鑄坯噴涂涂料試驗后,分別取U75V和U71MnG涂涂料鑄坯和未涂涂料鑄坯軋制的鋼軌進行金相組織、力學性能對比檢驗分析,研究涂層材料對鋼軌組織性能的影響。
4.3.1 U75V鑄坯噴涂涂料對鋼軌組織性能的影響
4.3.1.1顯微組織
在噴涂涂料U75V鑄坯軋制的鋼軌上取樣,磨制拋光侵蝕后,在顯微鏡下從軌頭邊部開始向內觀察顯微組織,各試樣的顯微組織無明顯區別:軌頭邊緣脫碳層內組織為塊狀鐵素體和少量珠光體,向內鐵素體逐漸過渡為網狀,在距表面1mm以后,組織為珠光體和極少量鐵素體。典型組織圖片見下圖11。

4.3.1.2力學性能
在兩種U75V鑄坯軋制的鋼軌上取樣,按標準檢驗拉伸性能和踏面硬度,結果見表12。   

由上表可見,鑄坯噴涂涂料對鋼軌踏面硬度無明顯影響,但鑄坯噴涂涂料鋼軌的屈服強度和抗拉強度略高。拉力試樣取樣位置在軌頭1/4處,距表面有一定距離,理論上噴涂涂料對其無影響,分析認為此次得出的實驗結果可能取鋼軌的取樣位置有關,拉伸性能差異可能與100米鋼軌南北兩端生產條件不同有關,北端可能冷卻稍快,因此強度略高。。
4.3.2 U71MnG鑄坯噴涂涂料對鋼軌組織性能的影響
    2012年5月10日,進行U71MnG鑄坯噴涂涂料試驗時取鋼軌試樣,檢驗分析鑄坯噴涂涂料對鋼軌組織性能的影響。
4.3.2.1 顯微組織
未噴涂涂料鑄坯軋制的U71MnG鋼軌軌頭表面存在半脫碳層,脫碳層內組織為網狀鐵素體和珠光體。噴涂涂料鑄坯軋制的U71MnG鋼軌軌頭表面無脫碳層或存在極少量全脫碳層,全脫碳層內為鐵素體,其它部位全為珠光體,不存在鐵素體網。鑄坯噴涂涂料軋制U71MnG鋼軌和正常生產的U71MnG鋼軌的基體顯微組織相同,均為珠光體和極少量鐵素體。典型形貌見下圖12。

4.3.2.2 力學性能
在噴涂涂料鑄坯和未涂涂料鑄坯軋制的U71MnG鋼軌上分別取樣,由距軌頭踏面0.5mm開始,向內依次檢測顯微硬度,每隔0.1mm檢測一點,壓頭100g,檢測結果見圖13。鑄坯噴涂涂料生產的鋼軌軌頭踏面下0.5mm內平均硬度299HV,比正常鋼軌的283HV高16HV。踏面下0.5到2mm內,兩支鋼軌硬度平均值分別 為288HV和291HV,兩者相差不大。

在噴涂涂料鑄坯和未涂涂料鑄坯軋制的鋼軌軌頭1/4處分別取拉伸試樣,檢測其拉伸性能,結果見下表13. 可見,鑄坯涂涂料對U71MnG鋼軌拉伸性能無明顯影響。

4.4在線噴涂涂料工藝和設備布置形式
經多次鑄坯噴涂涂料試驗可知,對熱鑄坯表面不進行氧化鐵皮清除處理,直接噴涂涂料后裝爐即可;對下線(鑄坯表面溫度低于600℃)鑄坯,需要先清除表面翹起的氧化鐵皮,再噴涂涂料。因此結合兩方面考慮,初步設計設備布置圖如下

 

4.5小結
選擇合適的涂料,U71Mn和U75V兩種重軌鑄坯噴涂涂料加熱后,鑄坯表面脫碳均明顯減輕,其軋制的鋼軌軌頭表面脫碳層明顯降低,噴涂工藝適當,兩種鋼軌踏面脫碳層≤0.3mm合格率均可達90%。鑄坯噴涂涂料對兩種鋼軌內部組織和力學性能無明顯影響,由于鑄坯涂涂料后鋼軌脫碳層較淺,表面以鐵素體為主的組織區域減少,踏面下0.5mm內硬度偏高。而且相比較而言,U71Mn鑄坯噴涂涂料減輕鋼軌表面脫碳的效果好于U75V。
5 化學成分對鋼軌表面脫碳影響的研究
2012年實施了新高速和新鐵標兩個行業標準。新鐵路標準中,U75V高速軌成分不變,而U71Mn要求降低Mn含量,并提高Si含量的上限。滿足新標準要求,在現有U71Mn成分基礎上,略降低Mn含量,同時為保證性能,略提C含量。但一般認為,鋼中含C量愈高脫碳傾向愈大,Si則是促進脫碳元素,使鋼脫碳傾向增加;而 Cr、Mn等元素能阻止鋼脫碳,即C、Si促進脫碳而Mn、V阻礙脫碳。提C降Mn將促進脫碳,增加脫碳深度。因此,在新鐵標實施前在試驗室研究了化學成分(特別是C、Mn)的微調對鋼軌脫碳的影響。
5.1實驗研究
鞍山鴻達科技涂裝60kg/m U71Mn和U75V鋼軌后,分別取C、Si、Mn上限、下限的鋼軌,在軌頭中心取金相樣,分別在電爐內隨爐加熱到1200℃和1150℃,保溫半小時后空冷,檢測脫碳層深度,研究化學成分對鋼軌脫碳的影響,實際取樣鋼軌化學成分和脫碳層檢驗結果見下表14.典型脫碳層形貌見圖15。

上述試驗表明,重軌鋼加熱溫度越高,脫碳越嚴重。化學成分對鋼軌脫碳有一定影響,加熱溫度為1150℃的U75V試樣表面為全脫碳,而U71Mn試樣表面即有全脫碳又有半脫碳。加熱溫度升到1200℃時,U75V和U71Mn試樣表面全脫碳層已被氧化掉了,只存在部分脫碳層,而且脫碳層深度明顯增加。U71Mn試樣的碳含量越高脫碳越嚴重,Si、Mn對脫碳影響不明顯。
5.2加Cr 防鋼軌脫碳的工業試驗研究
統計鋼軌脫碳層檢驗數據發現,生產檢驗的U77MnCr鋼軌脫碳深度均小于0.3mm,分析認為,Cr對抑制脫碳有一定作用,因此,鞍山鴻達科技第二次涂裝U71MnG高速軌后,冶煉兩爐加Cr的試驗鋼,在LF爐精煉結束前向鋼水中添加Cr,使其0.10%<Cr<0.15%。在此爐鑄坯軋制的鋼軌上取樣檢測脫碳層,研究Cr對U71MnG脫碳深度的影響。
5.2.1 試驗鋼軌化學成分
試驗鋼軌取樣編號及化學成分見下表15。

5.2.2 加Cr對鋼軌脫碳層的影響
三支鋼軌軌頭踏面脫碳層檢驗結果見下表16。每號軌頭最嚴重處脫碳圖片見下圖16.

加Cr鋼軌軌頭表面晶粒相對細小,Cr含量為0.093%的鋼軌試樣的踏面脫碳層小于0.24mm,側面最大處0.32mm,未加Cr鋼軌踏面脫碳層0.33mm,側面最大處0.45mm,說明Cr對抑制脫碳有一定作用。Cr含量為0.061%鋼軌的脫碳層最深,側面最深處達0.5mm以上,分析認為,試驗過程中由于軋機故障影響,4D207933A在加熱爐內停留超過4小時,其脫碳層較深可能與其受熱時間長有關。可見,重軌鋼的脫碳深度受多種因素影響,因此,要使其脫面層滿足要求,還要控制好在爐時間,爐內氣氛等多種影響因素。
5.2.3 加Cr對鋼軌組織性能的影響
加Cr和未加Cr鋼軌軌頭表面均存在半脫碳層,脫碳層內組織為網狀鐵素體和珠光體,兩者基體顯微組織也相同,均為珠光體。但從圖1可見,加Cr鋼軌脫碳層內的鐵素體網小于未加Cr鋼軌脫碳層內鐵素體網,說明加Cr細化了鋼軌表面組織。兩者基體組織見下圖17。

5. 3 小結
    碳對鋼軌脫碳略有影響,碳高脫碳略嚴重,但影響不大。其它常規元素對鋼軌脫碳層影響不明顯。
鋼中添加微量Cr元素,可以細化鋼軌表面組織,脫碳深度略降低,且加Cr對鋼軌內部組織無明顯影響,但需同時控制好加熱時間,爐內溫度、氣氛等影響因素,而且要精確控制殘余元素Cr的含量有一定難度。
6結論
上述研究表明:影響鋼軌脫碳深度的因素很多,包括產品規格、化學成分、鑄坯加熱時間、加熱爐氣氛等。鋼軌在爐時間越長,斷面規格越大,脫面深度越嚴重;碳含量越高,鋼軌脫碳越嚴重;添加微量Cr元素,可細化表面組織,略降低脫碳深度(但標準規定了殘余元素Cr含量要<0.15,冶煉很難控制);加熱爐南北爐況不同,南北兩端鑄坯和鋼軌脫碳不均,北端好于南端;加熱爐內一加熱和均熱段均為還原性氣氛,不利于降低脫碳深度。
針對上述研究結論進行分析后認為,鋼軌的內控成分是根據鐵標研究確定的,變動范圍很小,對鋼軌脫面深度影響也較小;目前加熱爐內氣氛受    煤氣熱值波動且無檢測手段等影響,調節控制加熱爐內氣氛非常困難;調節鑄坯加熱時間和溫度不利于軋制工藝生產,影響鋼軌表面質量。因此,僅靠優化現有生產工藝降低鋼軌脫碳層難度很大。
經多次鑄坯噴涂涂料試驗,確定在熱裝熱裝鑄坯表面噴涂涂料是降低鋼軌脫碳深度的最佳生產途徑。經過篩選和改進涂料成分,鑄坯噴涂合適的涂料后,U71Mn和U75V兩種鋼軌脫碳深度≤0.3mm的合格率均可達90%以上。兩種熱裝熱裝鑄坯均可直接噴涂涂料,熱坯噴涂涂料前不需要清理氧化鐵皮;軋制前也不需要清理涂料,高壓水除鱗裝置即可將鑄坯表面涂料清理干凈,對軋制工藝無影響,不影響鋼軌表面質量,對鋼軌內部組織和力學性能也無明顯影響。當然,鑄坯噴涂涂料的同時,也要合理控制加熱爐的熱工制度,兩者共同作用,降低鋼軌脫碳深度的效果更明顯。

 

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