一种低温曲线重载服役用U76CrREH钢轨的稀土夹杂物改性组织均匀化控制方法与流程

本发明属于钢轨冶金与热加工，尤其涉及一种低温曲线重载服役用u76crreh钢轨的稀土夹杂物改性组织均匀化控制方法。尤其涉及一种通过稀土加入制度优化、钢液纯净度控制、夹杂物形态调控、连铸偏析抑制及轨头组织均匀化控制，提高钢轨耐磨性、抗滚动接触疲劳性能及低温服役稳定性的控制方法。

背景技术：

1、西部铁路典型服役环境具有低温、大昼夜温差、小曲线半径和较大轴重等特点。研究报告表明，曲线半径、钢轨材料、蠕滑率和轴重均与磨损率呈正相关，环境温度则显著影响钢轨磨损和疲劳损伤机制；其中，曲线半径、钢轨材料、蠕滑率、轴重对钢轨磨损率的影响程度由大到小依次为：曲线半径＞钢轨材料＞蠕滑率＞轴重。

2、现有针对u76crreh钢轨的优化路径，更多集中于目标硬度确定和热处理制度控制，但报告同时指出，在复杂服役条件下，热处理工艺和稀土元素都属于关键材料因素；对于不同稀土含量u76crre材料，常温下的耐磨性和抗疲劳性最佳，低温下综合性能最优，说明稀土元素对材料组织、表层硬化行为、磨损与疲劳竞争关系均有显著影响。

3、此外，报告背景部分明确提到，稀土铈可用于夹杂物球化、改善力学性能、细化奥氏体晶粒，且有研究指出铈元素可减少珠光体片层间距和厚度、推迟珠光体相变、球化夹杂物并提高强度和塑性。 这意味着，对于u76crreh钢轨，若仅关注终态硬度而忽略钢液纯净度、稀土加入时机、夹杂物改性程度和组织离散性，则仍可能在低温曲线重载工况下出现局部裂纹萌生敏感性高、疲劳扩展加快及局部掉块等问题。

4、因此，有必要提出一种区别于“目标硬度确定与热处理控制方法”的新方案，从冶金源头出发，以稀土加入—夹杂物改性—组织均匀化为主线，构建适用于u76crreh钢轨的全过程控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低温曲线重载服役用u76crreh钢轨的稀土加入—夹杂物改性—组织均匀化控制方法，以解决现有技术中仅依赖目标硬度和热处理制度优化、而对夹杂物形态、组织离散性和低温裂纹萌生源控制不足的问题。通过本发明方法，使钢轨在环境温度为-40～20℃、曲线半径为300～600m、轴重为21～30t、轮轨蠕滑率为0.5%～5%的典型服役工况下，获得更均衡的耐磨性与抗滚动接触疲劳性能。上述工况范围与报告中的试验工况一致。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明一种低温曲线重载服役用u76crreh钢轨的稀土夹杂物改性组织均匀化控制方法，包括：

4、（1）钢液纯净度控制

5、在加入稀土元素前，对钢液进行精炼净化，控制：

6、全氧t.o：≤0.0035%

7、优选全氧t.o：0.0015%～0.0030%

8、硫含量：≤0.010%

9、优选硫含量：≤0.008%

10、通过控制稀土加入前钢液氧、硫水平，避免稀土加入后形成粗大聚集夹杂，保证稀土优先参与细小复合夹杂物改性；

11、（2）稀土加入制度控制

12、在lf精炼末期至连铸前稳态阶段加入稀土元素，具体控制为：

13、加入方式：包芯线、合金丝或中间合金；

14、喂入速度：0.8～2.5 m/min；

15、稀土收得率：20%～45%；

16、加入后软吹或弱搅拌时间：3～10 min；

17、（3）连铸偏析抑制控制

18、将钢液浇铸成连铸坯，控制：

19、浇注过热度：20～35℃；

20、拉速：0.55～0.90 m/min；

21、二冷比水量：0.70～1.20 l/kg；

22、（4）加热与轧制均匀化控制。

23、对连铸坯加热并轧制成钢轨，控制：

24、铸坯均热温度：1180～1250℃；

25、保温时间：2.0～4.5 h；

26、终轧温度：850～950℃；

27、（5）轨头组织均匀化控制

28、经轧制及后续热处理，所述热处理为：轨头进入加速冷却装置时踏面温度为780～850℃，以2.0～5.0℃/s的平均冷却速率冷却至450～550℃，随后停止强制冷却并空冷至室温；冷却过程中轨头两侧的温差不大于30℃，所得轨头组织为珠光体，且不含马氏体和贝氏体；轨头工作层满足以下组织参数：

29、珠光体片层间距：80～180 nm；

30、优选珠光体片层间距：90～150 nm；

31、同一轨头截面内片层间距极差：≤60 nm；

32、珠光体团尺寸：3～8 μm；

33、渗碳体片厚度：30～90 nm；

34、先共析铁素体面积分数：≤3.5%；

35、优选先共析铁素体面积分数：≤2.0%；

36、（6）轨头硬度离散性控制

37、在轨头工作层不同测试位置测定显微硬度：

38、轨头不同测点显微硬度极差：≤25 hv0.05；

39、（7）夹杂物控制指标。

40、经稀土改性后，轨头样品中的夹杂物满足：

41、单个夹杂物等效直径：≤8 μm；

42、长条状夹杂物比例：≤15%；

43、尖角状氧化物比例：≤10%；

44、球状或近球状复合夹杂物比例：≥60%；

45、所述钢轨按质量百分数控制钢轨钢成分为：c：0.71%～0.81%；si：0.50%～0.80%；mn：0.80%～1.10%；cr：0.25%～0.35%；v：0.04%～0.08%；p：≤0.025%；s：≤0.025%；稀土re：0.010%～0.030%；其余为fe及不可避免的杂质。

46、进一步的，所述稀土加入制度控制：喂入速度：1.0～2.0 m/min；软吹或弱搅拌时间：4～8 min。

47、进一步的，连铸坯中心偏析等级控制为不高于1.5级，中心疏松等级控制为不高于1.0级。

48、进一步的，经稀土改性后，轨头样品中的夹杂物满足：单个夹杂物等效直径：≤5 μm；长条状夹杂物比例：≤10%；球状或近球状复合夹杂物比例：≥75%；。

49、进一步的，适用工况：

50、环境温度：-40～20℃；

51、优选环境温度：-40～0℃；

52、曲线半径：300～600 m；

53、轴重：21～30 t；

54、蠕滑率：0.5%～5%；

55、轮轨接触应力：1295～1459 mpa；

56、循环次数评价基准：50000次。

57、进一步的，所述钢轨按质量百分数控制钢轨钢成分为：c：0.76%%；si：0.63%；mn：0.94%；cr：0.30%；v：0.06%；p：0.014%；s：0.008%；ce：0.020%；其余为fe及不可避免的杂质。

58、进一步的，所述钢轨按质量百分数控制钢轨钢成分为：c：0.76%%；si：0.63%；mn：0.94%；cr：0.30%；v：0.06%；p：0.014%；s：0.008%；ce：0.017%；其余为fe及不可避免的杂质。

59、与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

60、（1）从裂纹萌生源头改善低温服役稳定性

61、低温环境下u76crre系材料的磨损与疲劳行为与表层硬化能力、氧化物存在状态以及组织特征密切相关；本发明通过控制夹杂物和组织均匀性，可降低低温曲线重载条件下裂纹萌生敏感性。

62、（2）提高耐磨与抗疲劳综合平衡能力

63、轮轨损伤本质为磨损与滚动接触疲劳的耦合作用，说明材料最佳状态并非由单一硬度决定，而与材料组织和硬化行为协同相关。

64、（3）适合现有生产线实施

65、本发明所述参数可嵌入现有转炉—精炼—连铸—轧制—热处理流程中，具备工程可实施性。