具有高抗表面疲勞損傷性和高耐磨性的貝氏體鋼鋼軌的制作方法

專利名稱：具有高抗表面疲勞損傷性和高耐磨性的貝氏體鋼鋼軌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度貝氏體鋼鋼軌，這種鋼軌具有良好的抗表面疲勞損傷性、耐磨性和金屬塑變性，用于繁重運(yùn)行系統(tǒng)中的鐵路導(dǎo)軌的鋼軌頭就需要具有這些性能。
背景技術(shù)：
國(guó)外繁重運(yùn)行鐵路系統(tǒng)一直在增加火車速度和貨車載重能力，以作為改善貨物運(yùn)輸系統(tǒng)效能的一種措施。這種在效能上的改善通過(guò)更嚴(yán)格的運(yùn)行環(huán)境而達(dá)到，而這又需要進(jìn)一步改善鋼軌的質(zhì)量。在這種環(huán)境中，具體說(shuō)，用在鐵路彎曲部分的鋼軌，其軌距彎曲部和其頭部側(cè)很快就會(huì)磨損掉，而這種磨損會(huì)嚴(yán)重影響到鋼軌的運(yùn)行壽命。然而，下面將要敘述的、近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)化熱處理技術(shù)可以用來(lái)制備高強(qiáng)度(或高硬度)的、含有微細(xì)珠光體的共析碳鋼鋼軌。這種鋼軌極大地加長(zhǎng)了應(yīng)用于繁重運(yùn)行系統(tǒng)鐵路路軌彎曲部分鋼軌的壽命。
(1)一種制造最少具有130公斤力/平方毫米的高強(qiáng)度鋼軌的方法，該方法是對(duì)軋制狀態(tài)的或重新加熱的鋼軌頭部進(jìn)行快速冷卻，以每秒1℃～4℃的冷卻速率使其從奧氏體區(qū)域冷卻至850℃～500℃之間(日本專利公開(kāi)No.23244/1988)。
(2)一種制造熱處理低合金鋼鋼軌的方法，這種鋼具有增強(qiáng)的耐磨性和良好的焊接性(可以容易地進(jìn)行焊接，并形成具有優(yōu)良性能的焊縫)，在這種鋼中加有鉻，鈮和其它合金元素(日本專利公開(kāi)No.19173/1984)。
這些鋼軌都是高強(qiáng)度鋼軌，其特征是在共析碳鋼(碳含量為0.7％～0.8％)中有微細(xì)的珠光體組織存在。這種鋼軌的目的是通過(guò)在珠光體中產(chǎn)生很細(xì)微的層狀間隙來(lái)增加其耐磨性，并通過(guò)合金添加劑來(lái)改善其焊縫的性能。
在鐵路直軌部分和輕度彎曲部分，磨損并不構(gòu)成嚴(yán)重問(wèn)題，可以采用具有珠光體組織鋼和某些高強(qiáng)度熱處理鋼的常規(guī)軋制狀態(tài)鋼軌。可是，隨著近來(lái)運(yùn)行環(huán)境逐漸變得嚴(yán)酷，路軌重復(fù)不斷地與車輪接觸導(dǎo)致在其運(yùn)行表面上出現(xiàn)表面疲勞裂紋。鋼軌頭部表面的裂紋稱之為“頭部表面疤皮(head surface shelling)”或“黑點(diǎn)(dark spot)”，一般認(rèn)為這種裂紋特別重要。這種形式的裂紋出現(xiàn)在鋼軌頭部表面，能向其頭部的內(nèi)部擴(kuò)展，并且分岔延伸到其底部，有時(shí)能在繁重運(yùn)行系統(tǒng)的路軌中引起橫斷裂縫。
眾所周知，這種黑點(diǎn)裂紋不僅出現(xiàn)在繁重運(yùn)行系統(tǒng)的鐵軌上，而且也出現(xiàn)在高速客運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)的鐵軌上。一般認(rèn)為，黑點(diǎn)裂紋是由于鋼軌和車輪重復(fù)接觸在鋼軌頭部表面上積聚了疲勞損傷層(此處層狀珠光體斷裂)所致，以及由于晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)展(此時(shí)晶粒的晶面沿相同的方向取向)在珠光體組織的鐵素體相中出現(xiàn)滑移所致。
這個(gè)問(wèn)題可以采用磨削掉鋼軌頭部表面的方法從而去除疲勞層(疲勞損傷層和晶體結(jié)構(gòu))來(lái)解決。然而，這種必須有規(guī)則地間斷性地進(jìn)行的磨削既費(fèi)錢又需強(qiáng)體力勞動(dòng)。
另一個(gè)解決方案是降低鋼軌頭部表面的硬度，這樣，在疲勞層形成之前所述表面就已被磨損掉。然而，只是簡(jiǎn)單地降低鋼軌頭部表面的硬度時(shí)，在火車運(yùn)行車輪直接下方處的鋼軌頭部表面中就會(huì)出現(xiàn)某種塑性變形。于是裂紋就會(huì)沿金屬塑變處產(chǎn)生。
發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了由于鋼軌與車輪重復(fù)接觸所形成的疲勞層(疲勞損傷層和晶體結(jié)構(gòu))和金屬組織之間的關(guān)系。對(duì)該檢驗(yàn)進(jìn)行的研究揭示了，在鐵素體相和滲碳體相呈層狀的珠光體組織中疲勞層傾向于積聚，而晶體結(jié)構(gòu)傾向于發(fā)展。在以硬的粒狀碳化物彌散在軟的鐵素體組織基體上的貝氏體組織中情況則相反，能在金屬表面觸發(fā)表面疲勞破壞的疲勞損傷層積聚和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)展，其發(fā)生率是低的，從而黑點(diǎn)的發(fā)生率較低。
就國(guó)外繁重運(yùn)行系統(tǒng)的鐵路說(shuō)，作用在鋼軌和車輪之間的接觸表面上的壓力和附著摩擦力是很大的。用具有貝氏體組織的鋼制備的鋼軌能夠防止在鋼軌表面上生成黑點(diǎn)和其它疲勞損傷。然而，不斷增加的磨損縮短了鋼軌的運(yùn)行壽命，并且增加了在車輪直接底下的鋼軌表面上出現(xiàn)金屬塑變的可能性。特別是在路軌輕度彎曲部分將產(chǎn)生很大的附著摩擦力，在表面上產(chǎn)生其它形式的疲勞損傷，例如在軌距彎角部處的頭部網(wǎng)裂(head checks cracks)和片狀剝落(flaking)的可能性大為增加。
為了解決這些問(wèn)題，本發(fā)明人尋求創(chuàng)造出一種增加貝氏體組織強(qiáng)度的方法。貝氏體鋼的強(qiáng)度是由貝氏體組織中鐵素體基體和碳化物的硬度以及碳化物的尺寸來(lái)決定的。一般說(shuō)，貝氏體鋼的強(qiáng)度的增加是通過(guò)(1)添加大量合金添加劑從而提高鐵素體基體和碳化物硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以及(2)控制貝氏體轉(zhuǎn)變溫度以減小碳化物的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
然而，為提高鐵素體基體和碳化物的硬度而添加大量合金添加劑在經(jīng)濟(jì)上將是昂貴的。同時(shí)，增加硬度將形成有害于鋼軌焊接時(shí)韌性的馬氏體組織和其它組織。另一方面，盡管減小碳化物尺寸能增加強(qiáng)度，但是如果碳化物的尺寸和數(shù)量不合適的話，那么要確保所要求的耐磨性就很困難。
在集中注意力于貝氏體組織同時(shí)，因?yàn)樵谶@種組織中很難形成疲勞層(表面疲勞損傷和晶粒結(jié)構(gòu))，本發(fā)明人尋求一種無(wú)須添加大量合金添加劑就能改善耐磨性和耐金屬塑變性的方法。具體說(shuō)就是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了如何控制尺寸來(lái)獲得理想的碳化物尺寸。
業(yè)已清楚，當(dāng)貝氏體組織中碳化物大于某一尺寸時(shí)，耐磨性降低，金屬塑變引起裂紋和其它損傷。另一方面，當(dāng)貝氏體組織中碳化物小于某一尺寸時(shí)，對(duì)貝氏體鋼耐磨性有重要作用的硬碳化物就很難在滾壓表面下面聚集。于是，耐磨性就很難有長(zhǎng)足的改善。
除了這些檢驗(yàn)研究外，本發(fā)明人還考證了具有改善耐磨性和耐金屬塑變性所需理想尺寸的碳化物的量。該項(xiàng)研究揭示了，當(dāng)具有理想尺寸的硬碳化物在一給定的斷面上所占據(jù)的區(qū)域小于某一極限值時(shí)，對(duì)貝氏體鋼耐磨性有重要作用的硬碳化物就很難在滾壓表面下面聚集，于是降低了耐磨性。另一方面，當(dāng)具有理想尺寸的硬碳化物的數(shù)量超過(guò)某一極限值時(shí)，貝氏體組織的韌性就會(huì)降低，產(chǎn)生剝落和其它分層脫落損傷的幾率就可能增加。
基于這些實(shí)驗(yàn)性的研究，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)控制貝氏體組織中碳化物的尺寸以及將這種碳化物在一給定斷面上所占據(jù)的區(qū)域控制在一給定的范圍內(nèi)而獲得具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性的貝氏體組織。
本發(fā)明的目的就是根據(jù)上述研究，以低的制作成本提供繁重運(yùn)行鐵路系統(tǒng)所需的，具有良好抗表面疲勞損傷性、耐磨性和抗金屬塑變性的高強(qiáng)度鋼軌。
發(fā)明概述本發(fā)明根據(jù)下述的內(nèi)容而達(dá)到上述的目的。
本發(fā)明鋼軌由至少部分含有貝氏體組織的鋼制成，具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性，其特征在于碳化物的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度處于100nm～1000nm之間，碳化物在貝氏體組織一給定斷面上所占的總面積處于10％～50％之間。
用于本發(fā)明鋼軌的貝氏體鋼的組成為，按重量計(jì)，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，錳0.20％～3.00％，鉻0.20％～3.00％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
用于本發(fā)明鋼軌的貝氏體鋼還可以含有一種或多種下列元素，鉬0.01％～1.00％，銅0.05％～0.50％，鎳0.05％～4.00％，鈦0.01％～0.05％，釩0.01％～0.30％，鈮0.005％～0.05％，硼0.0001％～0.0050％，鎂0.0010％～0.0100％，鈣0.0010％～0.0150％。
另外，本發(fā)明鋼軌最好在從鋼軌頭部的彎角部和上表面處深20毫米的區(qū)域內(nèi)均具有貝氏體組織。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是鋼軌頭部斷面各部分術(shù)語(yǔ)示意圖。
圖2是Nishihara磨損試驗(yàn)機(jī)的示意圖。
圖3是滾動(dòng)疲勞破壞試驗(yàn)機(jī)。
圖4展示出本發(fā)明鋼軌鋼中貝氏體組織的狀態(tài)。
圖5展示出本發(fā)明另一種鋼軌鋼中貝氏體組織的狀態(tài)。
圖6展示出貝氏體組織的一個(gè)實(shí)例。
本發(fā)明最佳實(shí)施例下面將對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。
首先討論為什么要對(duì)貝氏體組織中碳化物尺寸以及該碳化物在一給定斷面上所占面積進(jìn)行限定。
圖6示意地展示出一貝氏體組織的斷面。在圖6中，中空狀島狀物(其長(zhǎng)軸處于100nm～1000nm之間的較短碳化物)以及陰影表示島狀物(其長(zhǎng)軸大于1000nm的較長(zhǎng)碳化物)為碳化物。其長(zhǎng)軸短于100nm的島狀物沒(méi)有展示出。在這里應(yīng)用的碳化物長(zhǎng)軸一詞是指碳化物長(zhǎng)軸兩端之間的距離。
貝氏體組織中的碳化物尺寸是決定碳化物耐磨性和強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。碳化物長(zhǎng)軸最大距離限制在1000nm，因?yàn)樨愂象w組織要經(jīng)受強(qiáng)烈磨損，從而極大地縮短鋼軌使用壽命。在滾動(dòng)車輪直接下方的鋼軌頭部表面上出現(xiàn)金屬塑變的可能性大為增加。此外，在路軌輕度彎曲部，在軌距彎角部將出現(xiàn)頭部網(wǎng)裂，剝落和其它分層脫落損傷，因?yàn)檫@部分有大附著摩擦力作用。當(dāng)貝氏體組織中碳化物長(zhǎng)軸短于100nm時(shí)，對(duì)耐磨性起重要作用的硬碳化物要直接在滾動(dòng)表面下積聚就很難。于是，碳化物將隨著鐵素體基體一塊磨損掉，其結(jié)果是，所要求的耐磨性無(wú)法獲得。這就是為什么碳化物的長(zhǎng)軸最小長(zhǎng)度限制在100nm。
貝氏體組織中的微細(xì)碳化物(其長(zhǎng)軸為100nm～1000nm)所占面積是決定碳化物韌性和耐磨性的一個(gè)重要因素。當(dāng)微細(xì)碳化物所占面積超過(guò)50％時(shí)，貝氏體組織的韌性下降，從而增加產(chǎn)生剝落和其它分層脫落損傷的可能性。所以，微細(xì)碳化物所占最大面積限制在50％。當(dāng)貝氏體組織中微細(xì)碳化物所占面積小于10％時(shí)，對(duì)貝氏體組織耐磨性起重要作用的硬碳化物不會(huì)在直接滾動(dòng)表面下有足夠的積聚。這就是為什么碳化物所占最小面積限制在10％。為了獲得足夠的耐磨性和增長(zhǎng)的鋼軌使用壽命，微細(xì)碳化物所占面積最好在20％～40％之間。
貝氏體組織中碳化物的尺寸及其所占面積可以通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察用硝酸乙醇腐蝕液(Nital)，苦味醇液(Picral)或其它腐蝕劑腐蝕過(guò)的鋼表面來(lái)確定。或采用另外一種方法，在鋼上制備一薄膜，通過(guò)透視電子顯微鏡觀察視場(chǎng)中各碳化物的長(zhǎng)軸。然后，選擇那些長(zhǎng)軸為100nm～1000nm的碳化物，其所占面積通過(guò)近似概算來(lái)確定。
由于碳化物的形式和密度隨視場(chǎng)不同有極大的變化，所以最好至少觀察10個(gè)視場(chǎng)，然后根據(jù)由這種多視場(chǎng)觀察所獲得的數(shù)據(jù)的平均值來(lái)確定碳化物的長(zhǎng)軸及其所占面積。
下面將要說(shuō)明將鋼軌的化學(xué)成份限制在所希望范圍內(nèi)的原因。
碳是為獲得具有合宜強(qiáng)度和耐磨性貝氏體組織的一種最重要的元素。當(dāng)碳含量小于0.15％時(shí)，就很難獲得貝氏體組織所需的強(qiáng)度。由于貝氏體組織中含碳量的減少，對(duì)耐磨性起重要作用的硬碳化物就很難在滾動(dòng)表面下面積聚。另一方面，當(dāng)碳含量超過(guò)0.45％時(shí)，珠光體組織引起貝氏體組織表面損傷的可能性增加，并且增加的碳含量降低了貝氏體組織的韌性。所有這些都增加了在滾動(dòng)表面上產(chǎn)生剝落和其它分層脫落損傷的可能性。因此，碳含量要限制在0.15％～0.45％之間。
由于固溶體硬化鐵素體基體，硅增加貝氏體組織的強(qiáng)度。然而，當(dāng)硅含量小于0.10％時(shí)，上述增強(qiáng)的效果是無(wú)法達(dá)到的。當(dāng)硅含量超過(guò)2.0％時(shí)，鋼軌熱軋時(shí)出現(xiàn)表面缺陷的可能性增加。另外，貝氏體組織中形成的馬氏體組織對(duì)鋼軌的剛度，耐磨性及抗金屬塑變是有害的。因而，硅含量要限制在0.10％～2.00％之間。
錳降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，增加碳化物硬度，有助于增加鋼強(qiáng)度。但錳含量低于0.20％時(shí)，上述效果無(wú)法達(dá)到。當(dāng)錳含量低于0.20％時(shí)，很難獲得貝氏體鋼鋼軌所要求的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)錳含量超過(guò)3.00％時(shí)，貝氏體組織中的碳化物變得太硬了，貝氏體組織的韌性和轉(zhuǎn)變率降低，產(chǎn)生對(duì)鋼軌的耐磨性、剛度及抗金屬塑變性有害的馬氏體組織的可能性增加了。由此，錳含量要限制在0.20％～3.00％之間。
鉻微細(xì)地分散碳化物，增加貝氏體組織中鐵素體基體和碳化物的硬度，對(duì)于獲取所希望的強(qiáng)度說(shuō)是一個(gè)重要的元素。然而，當(dāng)鉻含量小于0.20％時(shí)，上述效果是無(wú)法達(dá)到的。當(dāng)鉻含量小于0.20％時(shí)，很難獲得貝氏體鋼鋼軌所要求的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)鉻含量超過(guò)3.00％時(shí)，貝氏體組織中的碳化物變得太硬了，貝氏體組織的韌性和轉(zhuǎn)變率降低，產(chǎn)生對(duì)鋼軌耐磨性、剛度及抗金屬塑變性有害的馬氏體組織的可能性增加了，這和錳元素情況相同。因此，鉻含量要限制在0.20％～3.00％之間。
為了改善強(qiáng)度，韌性和剛度，并且防止由于焊接而使這些性能變壞，可以添加一種或多種下述的元素。鉬，銅和硼增加強(qiáng)度；釩和鈮增加強(qiáng)度和剛度；鎳，鈦，鎂和鈣增加韌性和剛度；鉬能防止由于焊接引起的性能下降。元素的選擇取決于所要求達(dá)到的目標(biāo)。各個(gè)元素的百分率范圍在下面給出。
鉬0.01％～1.00％銅0.05％～0.50％鎳0.05％～4.00％鈦0.01％～0.05％釩0.01％～0.30％鈮0.005％～0.05％硼0.0001％～0.0050％鎂0.0010％～0.010％鈣0.0010％～0.0150％下面將給出將所列元素百分率限制在上述范圍內(nèi)的理由。
象錳和鉻一樣，鉬降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，有助于穩(wěn)定貝氏體轉(zhuǎn)變和強(qiáng)化貝氏體組織，并且增強(qiáng)貝氏體組織中的碳化物。然而，當(dāng)鉬含量小于0.01％時(shí)，就達(dá)不到這種效果。另一方面，當(dāng)鉬含量超過(guò)1.00％時(shí)，貝氏體組織的轉(zhuǎn)變率將明顯地下降，并且產(chǎn)生對(duì)剛度、耐磨性及抗金屬塑變性有害的馬氏體組織的可能性增加了，這和錳和鉻情況一樣。因此，鉬含量要限制在0.01％～1.00％之間。
銅增加鋼的強(qiáng)度，而又不損害其剛度。銅含量在0.05％～0.50％之間時(shí)上述效果達(dá)到最大程度，而當(dāng)銅含量超過(guò)0.50％時(shí)就會(huì)出現(xiàn)紅熱脆性。所以，銅含量要限制在0.05％～0.50％之間。
鎳穩(wěn)定奧氏體，降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化貝氏體組織，并且改善韌性和剛度。當(dāng)鎳含量小于0.05％時(shí)，這種效果就很小，而當(dāng)鎳添加量超過(guò)4.00％時(shí)也不會(huì)增加上述效果。所以，鎳含量要限制在0.05％～4.00％之間。
鈦可以細(xì)化軋制和加熱時(shí)奧氏體晶粒，并增加貝氏體組織的韌性和剛度，因?yàn)樵阡撊刍湍虝r(shí)析出的碳氮化鈦在鋼軌從新加熱進(jìn)行軋制時(shí)保持在未熔融狀態(tài)。然而，當(dāng)鈦含量小于0.01％時(shí)，這種效果就很小。另一方面，當(dāng)鈦添加量超過(guò)0.05％時(shí)就形成粗狀碳氮化鈦，后者就成為運(yùn)行中疲勞損傷的起始點(diǎn)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。所以鈦含量要限制在0.01％～0.05％之間。
釩通過(guò)析出硬化熱軋后冷卻過(guò)程中形成的碳氮化釩而增加強(qiáng)度，通過(guò)在鋼加熱到高溫時(shí)阻止晶粒的生長(zhǎng)來(lái)細(xì)化奧氏體晶粒，并改善貝氏體組織的強(qiáng)度和剛度。但是，當(dāng)釩含量小于0.01％時(shí)，這種效果就不足。另一方面，當(dāng)釩添加量超過(guò)0.30％時(shí)也不會(huì)增加上述效果。因此，釩含量要限制在0.01％～0.30％之間。
鈮象釩一樣，通過(guò)形成碳氮化鈮細(xì)化奧氏體晶粒。鈮比釩能在更高溫區(qū)域中阻止奧氏體晶粒生長(zhǎng)(接近1200℃)。鈮還改善貝氏體組織的剛度。但是，當(dāng)鈮含量小于0.005％時(shí)無(wú)法達(dá)到這些效果，而當(dāng)鈮添加量超過(guò)0.05％時(shí)由于形成金屬互化物和粗狀鈮析出物而使剛度降低。所以，鈮含量要限制在0.005％～0.05％之間。鈮含量的低限最好是0.01％。
硼通過(guò)阻止由先前奧氏體晶界生成先共析鐵素體來(lái)確保穩(wěn)定形成貝氏體組織。然而，當(dāng)硼含量小于0.0001％時(shí)這種作用是很小的，而當(dāng)硼添加量超過(guò)0.0050％時(shí)就會(huì)由于形成粗狀硼化合物，使鋼軌性能變壞。所以，硼含量要限制在0.0001％～0.0050％之間。硼含量的低限最好是0.0005％。
硫和/或鋁，鎂在鋼再加熱進(jìn)行鋼軌軋制時(shí)通過(guò)與氧形成微細(xì)氧化物能阻止晶粒的生長(zhǎng)，細(xì)化奧氏體晶粒，并改善珠光體組織的韌性。氧化鎂和硫化鎂能微細(xì)地分散硫化錳，在硫化錳周圍形成低濃度錳層，并加速構(gòu)成貝氏體組織基體的鐵素體的轉(zhuǎn)變，從而通過(guò)細(xì)化貝氏體組織而改善其韌性和剛度。但是，當(dāng)鎂含量小于0.0010％時(shí)這種作用是很小的，而當(dāng)鎂添加量超過(guò)0.0100％時(shí)就會(huì)形成粗狀鎂氧化物，這就使鋼軌的韌性和剛度變壞。由此，鎂含量要限制在0.0010％～0.0100％之間。
鈣能與硫穩(wěn)固地結(jié)合，形成硫化鈣。硫化鈣微細(xì)地分散硫化錳，在硫化錳周圍形成低濃度錳區(qū)域，并有助于形成構(gòu)成貝氏體組織基體的鐵素體，從而通過(guò)細(xì)化貝氏體組織而改善其韌性和剛度?？墒牵?dāng)鈣含量小于0.0010％時(shí)這種作用是很小的，而當(dāng)鈣添加量超過(guò)0.0150％時(shí)就會(huì)形成粗狀鈣氧化物，這就使鋼軌的韌性和剛度變壞。由此，鈣含量要限制在0.0010％～0.0150％之間。
具有上述成份的鋼軌鋼是在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，電爐或其它一般煉鋼爐中熔煉來(lái)制備的。通過(guò)聯(lián)合鑄錠和初軋程序，或通過(guò)連續(xù)鑄造將所獲得的熔融鋼制備成半成品鋼，而后將半成品鋼熱軋成鋼軌。通過(guò)對(duì)熱軋狀態(tài)或再加熱的熱鋼軌頭部進(jìn)行熱處理而在鋼軌頭部穩(wěn)定地形成硬的貝氏體組織。
下面將給出理由解釋為什么將具有所要求貝氏體組織的區(qū)域設(shè)定在至少?gòu)匿撥夘^部的彎角部和頂部表面深20毫米的區(qū)域中。當(dāng)深度小于20毫米時(shí)，這個(gè)深度就太小了，不足以提供鋼軌頭部所要求的耐磨性和抗表面疲勞損傷性。如果具有貝氏體組織的區(qū)域從鋼軌頭部的彎角部和頂部表面的深度大于30毫米，那么，鋼軌的使用壽命將會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。
圖1展示出具有良好耐磨性和抗表面疲勞損傷性的貝氏體鋼鋼軌頭部的各術(shù)語(yǔ)部分，并展示出要求良好耐磨性和抗表面疲勞損傷性的區(qū)域。在圖1所示的鋼軌頭部，參考數(shù)碼1代表鋼軌頭部的頂部，2代表鋼軌頭部的彎角部。彎角部2之一為與車輪接觸的軌距彎角部。如果所述貝氏體組織至少存在于圖示中的陰影區(qū)(從表面起20毫米深)，那么鋼軌運(yùn)行壽命就會(huì)得到改善。
本發(fā)明鋼軌最好由具有貝氏體組織的鋼制備。然而，由于制造過(guò)程關(guān)系，在貝氏體組織中混有少量馬氏體組織。但是，在貝氏體組織中混有少量的馬氏體組織不會(huì)對(duì)鋼軌的剛度，耐磨性和抗表面疲勞損傷性有什么大影響。所以，本發(fā)明貝氏體鋼軌鋼可以含有一些馬氏體組織。
實(shí)施例下面將說(shuō)明本發(fā)明的某些實(shí)施例。
表1和表2列示了本發(fā)明鋼軌鋼以及作為比較的常用鋼軌鋼的化學(xué)成份，顯微組織，在一給定貝氏體組織斷面上碳化物長(zhǎng)軸的范圍，以及其長(zhǎng)軸在100nm～1000nm之間的碳化物所占的面積。除了表中所給出的組份外，所有的鋼軌鋼均含有鐵和不可避免的雜質(zhì)。表1和表2還展示出用Nishihara磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼軌頭部進(jìn)行耐磨試驗(yàn)的結(jié)果，以及在水潤(rùn)滑滾動(dòng)疲勞破壞試驗(yàn)中疲勞損傷的發(fā)生率，該試驗(yàn)是在將鋼軌和車輪的尺寸減小到圖3所示的1/4大小所制備的圓盤狀試樣上進(jìn)行的。表1
表2
圖4和圖5展示出本發(fā)明鋼軌鋼G和H的貝氏體組織斷面的顯微組織，該顯微組織圖放大5000倍。圖4和圖5所示的斷面是通過(guò)用5％硝酸乙醇腐蝕液腐蝕鋼軌鋼，然后用掃描電子顯微鏡觀察而得到的。白粒狀物(其長(zhǎng)軸在100nm～1000nm之間)和畫有陰影的較大塊狀物(其長(zhǎng)軸大于1000nm)均是貝氏體組織中的碳化物。其長(zhǎng)軸小于100nm的碳化物沒(méi)有展示出。
表1和表2所列的鋼軌鋼具有下列成份。
○本發(fā)明鋼軌鋼(11種，用字母A～K表示)鋼軌鋼具有本發(fā)明的范圍內(nèi)的成份和貝氏體組織。長(zhǎng)軸在100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織的一給定斷面上所占總面積為所述給定斷面的10％～50％。
○與本發(fā)明鋼軌鋼進(jìn)行比較的常用鋼軌鋼(11種，用字母L～V表示)含有共析碳的珠光體組織的常用鋼軌鋼(用字母L～N表示)，以及其成份處于本發(fā)明范圍之外的鋼軌鋼(用字母O～R表示)。具有本發(fā)明范圍內(nèi)成份和貝氏體組織的鋼軌鋼。長(zhǎng)軸在100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織的一給定斷面上所占總面積多于50％或小于10％(用字母S～V表示)。
磨損試驗(yàn)和滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)是在下列條件下進(jìn)行的[磨損試驗(yàn)]試驗(yàn)機(jī)器Nishihara磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)試樣圓盤狀試樣(外徑30毫米，厚8毫米)試驗(yàn)負(fù)載490N滑差系數(shù)9％磨損材料回火馬氏體鋼(HV 350)氣氛大氣冷卻無(wú)重復(fù)次數(shù)500,000次試驗(yàn)機(jī)器滾動(dòng)疲勞損傷試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)試樣圓盤狀試樣(外徑200毫米，鋼軌斷面1/4 60K鋼軌式樣)試驗(yàn)負(fù)載2.0噸(徑向負(fù)載)氣氛干+水潤(rùn)滑(60cc/分鐘)旋轉(zhuǎn)次數(shù)干(0～5000次)100轉(zhuǎn)/分干+水潤(rùn)滑(5000次及以上)300轉(zhuǎn)/分重復(fù)次數(shù)干態(tài)從0～5000次，然后水潤(rùn)滑狀態(tài)提高到200萬(wàn)次或直到破壞出現(xiàn)本發(fā)明鋼軌鋼(用字母A～K表示)，其貝氏體組織中碳化物尺寸及碳化物所占面積達(dá)到控制，是不會(huì)形成黑點(diǎn)的，而后者則會(huì)出現(xiàn)在具有珠光體組織的常用鋼中(用字母L～N表示)，其所呈現(xiàn)出的耐磨性基本與常用鋼相同。
將本發(fā)明的鋼軌鋼的成份保持在給定的范圍內(nèi)就能防止形成有害于抗表面疲勞損傷性和耐磨性的珠光體組織和馬氏體組織，而這些組織卻出現(xiàn)在與之比較的鋼軌鋼中(用字母O～R表示)。與相比較的鋼軌鋼(用字母S～V表示)進(jìn)行比較就可看出，控制貝氏體組織中碳化物尺寸及其所占面積能明顯地改善抗表面疲勞損傷性和耐磨性。
工業(yè)應(yīng)用如上所述，本發(fā)明為繁重運(yùn)行鐵路系統(tǒng)提供了一種改善了抗表面疲勞損傷性和耐磨性的高強(qiáng)度鋼軌。
權(quán)利要求
1.一種具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性的貝氏體鋼軌鋼，至少部分含有貝氏體組織，其特征在于其長(zhǎng)軸處于100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織一給定斷面上所占的總面積為該斷面的10％～50％之間。
2.一種具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性的貝氏體鋼軌鋼含有，按重量計(jì)，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，錳0.20％～3.00％，鉻0.20％～3.00％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，并且至少部分含有貝氏體組織，其特征在于其長(zhǎng)軸處于100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織一給定斷面上所占的總面積為該斷面的10％～50％之間。
3.一種具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性的貝氏體鋼軌鋼含有，按重量計(jì)，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，錳0.20％～3.00％，鉻0.20％～3.00％，再加上一種或多種從下列元素組中選擇的元素鉬0.01％～1.00％，銅0.05％～0.50％，鎳0.05％～4.00％，鈦0.01％～0.05％，釩0.01％～0.30％，鈮0.005％～0.05％，硼0.0001％～0.0050％，鎂0.0010％～0.0100％，鈣0.0010％～0.0150％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，并且至少部分含有貝氏體組織，其特征在于其長(zhǎng)軸處于100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織一給定斷面上所占的總面積為該斷面的10％～50％之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3所述的具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性的貝氏體鋼軌鋼，其特征在于從鋼軌頭部彎角部和頂面起至少20毫米深度區(qū)域內(nèi)為貝氏體組織。
全文摘要
一種用于繁重運(yùn)行鐵路系統(tǒng)的,改善了抗表面疲勞損傷性和耐磨性的高強(qiáng)度貝氏體鋼鋼軌。該高強(qiáng)度貝氏體鋼鋼軌具有良好抗表面疲勞損傷和耐磨性,含有處于特定范圍內(nèi)的組份,并至少部分含有貝氏體組織,其特征在于其長(zhǎng)軸處于100nm～1000nm之間的碳化物在所述貝氏體組織一給定斷面上所占的總面積為該斷面的10%～50%之間。
文檔編號(hào)C22C38/18GK1255949SQ99800029
公開(kāi)日2000年6月7日 申請(qǐng)日期1999年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月14日
發(fā)明者上田正治, 內(nèi)野耕一, 巖野克也, 小林玲 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社