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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(jìn)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(jìn)行金相組織、力學(xué)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(kāi)始向內觀(guān)察顯微組織,各試樣的顯微組織無(wú)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(guò)渡為網(wǎng)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(jiàn)下圖11。

              4.3.1.2力學(xué)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(jiàn)表12。   

              由上表可見(jiàn),鑄坯噴涂涂料對鋼軌踏面硬度無(wú)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(wú)影響,分析認為此次得出的實(shí)驗結果可能取鋼軌的取樣位置有關(guān),拉伸性能差異可能與100米鋼軌南北兩端生產(chǎn)條件不同有關(guān),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(jìn)行U71MnG鑄坯噴涂涂料試驗時(shí)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(wǎng)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(wú)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(wǎng)。鑄坯噴涂涂料軋制U71MnG鋼軌和正常生產(chǎn)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(jiàn)下圖12。

              4.3.2.2 力學(xué)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(kāi)始,向內依次檢測顯微硬度,每隔0.1mm檢測一點(diǎn),壓頭100g,檢測結果見(jiàn)圖13。鑄坯噴涂涂料生產(chǎn)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(jiàn)下表13. 可見(jiàn),鑄坯涂涂料對U71MnG鋼軌拉伸性能無(wú)明顯影響。

              4.4在線(xiàn)噴涂涂料工藝和設備布置形式
              經(jīng)多次鑄坯噴涂涂料試驗可知,對熱鑄坯表面不進(jìn)行氧化鐵皮清除處理,直接噴涂涂料后裝爐即可;對下線(xiàn)(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?lài)娡客苛?。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(xué)性能無(wú)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(xué)成分對鋼軌表面脫碳影響的研究
              2012年實(shí)施了新高速和新鐵標兩個(gè)行業(yè)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(mǎn)足新標準要求,在現有U71Mn成分基礎上,略降低Mn含量,同時(shí)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(jìn)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(jìn)脫碳而Mn、V阻礙脫碳。提C降Mn將促進(jìn)脫碳,增加脫碳深度。因此,在新鐵標實(shí)施前在試驗室研究了化學(xué)成分(特別是C、Mn)的微調對鋼軌脫碳的影響。
              5.1實(shí)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(shí)后空冷,檢測脫碳層深度,研究化學(xué)成分對鋼軌脫碳的影響,實(shí)際取樣鋼軌化學(xué)成分和脫碳層檢驗結果見(jiàn)下表14.典型脫碳層形貌見(jiàn)圖15。

              上述試驗表明,重軌鋼加熱溫度越高,脫碳越嚴重?;瘜W(xué)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(shí),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(yè)試驗研究
              統計鋼軌脫碳層檢驗數據發(fā)現,生產(chǎn)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(xué)成分
              試驗鋼軌取樣編號及化學(xué)成分見(jiàn)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(jiàn)下表16。每號軌頭最嚴重處脫碳圖片見(jiàn)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(shuō)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(guò)程中由于軋機故障影響,4D207933A在加熱爐內停留超過(guò)4小時(shí),其脫碳層較深可能與其受熱時(shí)間長(cháng)有關(guān)??梢?jiàn),重軌鋼的脫碳深度受多種因素影響,因此,要使其脫面層滿(mǎn)足要求,還要控制好在爐時(shí)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(wǎng)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(jiàn),加Cr鋼軌脫碳層內的鐵素體網(wǎng)小于未加Cr鋼軌脫碳層內鐵素體網(wǎng),說(shuō)明加Cr細化了鋼軌表面組織。兩者基體組織見(jiàn)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(wú)明顯影響,但需同時(shí)控制好加熱時(shí)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(chǎn)品規格、化學(xué)成分、鑄坯加熱時(shí)間、加熱爐氣氛等。鋼軌在爐時(shí)間越長(cháng),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(jìn)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(dòng)范圍很小,對鋼軌脫面深度影響也較??;目前加熱爐內氣氛受    煤氣熱值波動(dòng)且無(wú)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(shí)間和溫度不利于軋制工藝生產(chǎn),影響鋼軌表面質(zhì)量。因此,僅靠?jì)?yōu)化現有生產(chǎn)工藝降低鋼軌脫碳層難度很大。
              經(jīng)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(chǎn)途徑。經(jīng)過(guò)篩選和改進(jìn)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(wú)影響,不影響鋼軌表面質(zhì)量,對鋼軌內部組織和力學(xué)性能也無(wú)明顯影響。當然,鑄坯噴涂涂料的同時(shí),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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