具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨制造技术

一种用于繁重运行铁路系统的，改善了抗表面疲劳损伤性和耐磨性的高强度贝氏体钢钢轨。该高强度贝氏体钢钢轨具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性，含有处于特定范围内的组份，并至少部分含有贝氏体组织，其特征在于其长轴处于１００ｎｍ～１０００ｎｍ之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的１０％～５０％之间。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高强度贝氏体钢钢轨，这种钢轨具有良好的抗表面疲劳损伤性、耐磨性和金属塑变性，用于繁重运行系统中的铁路导轨的钢轨头就需要具有这些性能。
技术介绍
国外繁重运行铁路系统一直在增加火车速度和货车载重能力，以作为改善货物运输系统效能的一种措施。这种在效能上的改善通过更严格的运行环境而达到，而这又需要进一步改善钢轨的质量。在这种环境中，具体说，用在铁路弯曲部分的钢轨，其轨距弯曲部和其头部侧很快就会磨损掉，而这种磨损会严重影响到钢轨的运行寿命。然而，下面将要叙述的、近年来发展起来的强化热处理技术可以用来制备高强度(或高硬度)的、含有微细珠光体的共析碳钢钢轨。这种钢轨极大地加长了应用于繁重运行系统铁路路轨弯曲部分钢轨的寿命。(1)一种制造最少具有130公斤力/平方毫米的高强度钢轨的方法，该方法是对轧制状态的或重新加热的钢轨头部进行快速冷却，以每秒1℃～4℃的冷却速率使其从奥氏体区域冷却至850℃～500℃之间(日本专利公开No.23244/1988)。(2)一种制造热处理低合金钢钢轨的方法，这种钢具有增强的耐磨性和良好的焊接性(可以容易地进行焊接，并形成具有优良性能的焊缝)，在这种钢中加有铬，铌和其它合金元素(日本专利公开No.19173/1984)。这些钢轨都是高强度钢轨，其特征是在共析碳钢(碳含量为0.7％～0.8％)中有微细的珠光体组织存在。这种钢轨的目的是通过在珠光体中产生很细微的层状间隙来增加其耐磨性，并通过合金添加剂来改善其焊缝的性能。在铁路直轨部分和轻度弯曲部分，磨损并不构成严重问题，可以采用具有珠光体组织钢和某些高强度热处理钢的常规轧制状态钢轨。可是，随着近来运行环境逐渐变得严酷，路轨重复不断地与车轮接触导致在其运行表面上出现表面疲劳裂纹。钢轨头部表面的裂纹称之为“头部表面疤皮(head surface shelling)”或“黑点(dark spot)”，一般认为这种裂纹特别重要。这种形式的裂纹出现在钢轨头部表面，能向其头部的内部扩展，并且分岔延伸到其底部，有时能在繁重运行系统的路轨中引起横断裂缝。众所周知，这种黑点裂纹不仅出现在繁重运行系统的铁轨上，而且也出现在高速客运运输系统的铁轨上。一般认为，黑点裂纹是由于钢轨和车轮重复接触在钢轨头部表面上积聚了疲劳损伤层(此处层状珠光体断裂)所致，以及由于晶体结构的发展(此时晶粒的晶面沿相同的方向取向)在珠光体组织的铁素体相中出现滑移所致。这个问题可以采用磨削掉钢轨头部表面的方法从而去除疲劳层(疲劳损伤层和晶体结构)来解决。然而，这种必须有规则地间断性地进行的磨削既费钱又需强体力劳动。另一个解决方案是降低钢轨头部表面的硬度，这样，在疲劳层形成之前所述表面就已被磨损掉。然而，只是简单地降低钢轨头部表面的硬度时，在火车运行车轮直接下方处的钢轨头部表面中就会出现某种塑性变形。于是裂纹就会沿金属塑变处产生。专利技术人通过实验检验了由于钢轨与车轮重复接触所形成的疲劳层(疲劳损伤层和晶体结构)和金属组织之间的关系。对该检验进行的研究揭示了，在铁素体相和渗碳体相呈层状的珠光体组织中疲劳层倾向于积聚，而晶体结构倾向于发展。在以硬的粒状碳化物弥散在软的铁素体组织基体上的贝氏体组织中情况则相反，能在金属表面触发表面疲劳破坏的疲劳损伤层积聚和晶体结构发展，其发生率是低的，从而黑点的发生率较低。就国外繁重运行系统的铁路说，作用在钢轨和车轮之间的接触表面上的压力和附着摩擦力是很大的。用具有贝氏体组织的钢制备的钢轨能够防止在钢轨表面上生成黑点和其它疲劳损伤。然而，不断增加的磨损缩短了钢轨的运行寿命，并且增加了在车轮直接底下的钢轨表面上出现金属塑变的可能性。特别是在路轨轻度弯曲部分将产生很大的附着摩擦力，在表面上产生其它形式的疲劳损伤，例如在轨距弯角部处的头部网裂(head checks cracks)和片状剥落(flaking)的可能性大为增加。为了解决这些问题，本专利技术人寻求创造出一种增加贝氏体组织强度的方法。贝氏体钢的强度是由贝氏体组织中铁素体基体和碳化物的硬度以及碳化物的尺寸来决定的。一般说，贝氏体钢的强度的增加是通过(1)添加大量合金添加剂从而提高铁素体基体和碳化物硬度来实现的，以及(2)控制贝氏体转变温度以减小碳化物的尺寸来实现的。然而，为提高铁素体基体和碳化物的硬度而添加大量合金添加剂在经济上将是昂贵的。同时，增加硬度将形成有害于钢轨焊接时韧性的马氏体组织和其它组织。另一方面，尽管减小碳化物尺寸能增加强度，但是如果碳化物的尺寸和数量不合适的话，那么要确保所要求的耐磨性就很困难。在集中注意力于贝氏体组织同时，因为在这种组织中很难形成疲劳层(表面疲劳损伤和晶粒结构)，本专利技术人寻求一种无须添加大量合金添加剂就能改善耐磨性和耐金属塑变性的方法。具体说就是，通过实验验证了如何控制尺寸来获得理想的碳化物尺寸。业已清楚，当贝氏体组织中碳化物大于某一尺寸时，耐磨性降低，金属塑变引起裂纹和其它损伤。另一方面，当贝氏体组织中碳化物小于某一尺寸时，对贝氏体钢耐磨性有重要作用的硬碳化物就很难在滚压表面下面聚集。于是，耐磨性就很难有长足的改善。除了这些检验研究外，本专利技术人还考证了具有改善耐磨性和耐金属塑变性所需理想尺寸的碳化物的量。该项研究揭示了，当具有理想尺寸的硬碳化物在一给定的断面上所占据的区域小于某一极限值时，对贝氏体钢耐磨性有重要作用的硬碳化物就很难在滚压表面下面聚集，于是降低了耐磨性。另一方面，当具有理想尺寸的硬碳化物的数量超过某一极限值时，贝氏体组织的韧性就会降低，产生剥落和其它分层脱落损伤的几率就可能增加。基于这些实验性的研究，本专利技术人发现，可以通过控制贝氏体组织中碳化物的尺寸以及将这种碳化物在一给定断面上所占据的区域控制在一给定的范围内而获得具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体组织。本专利技术的目的就是根据上述研究，以低的制作成本提供繁重运行铁路系统所需的，具有良好抗表面疲劳损伤性、耐磨性和抗金属塑变性的高强度钢轨。专利技术概述本专利技术根据下述的内容而达到上述的目的。本专利技术钢轨由至少部分含有贝氏体组织的钢制成，具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性，其特征在于碳化物的长轴的长度处于100nm～1000nm之间，碳化物在贝氏体组织一给定断面上所占的总面积处于10％～50％之间。用于本专利技术钢轨的贝氏体钢的组成为，按重量计，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，锰0.20％～3.00％，铬0.20％～3.00％，其余为铁和不可避免的杂质。用于本专利技术钢轨的贝氏体钢还可以含有一种或多种下列元素，钼0.01％～1.00％，铜0.05％～0.50％，镍0.05％～4.00％，钛0.01％～0.05％，钒0.01％～0.30％，铌0.005％～0.05％，硼0.0001％～0.0050％，镁0.0010％～0.0100％，钙0.0010％～0.0150％。另外，本专利技术钢轨最好在从钢轨头部的弯角部和上表面处深20毫米的区域内均具有贝氏体组织。附图简要说明附图说明图1是钢轨头部断面各部分术语示意图。图2是Nishihara磨损试验机的示意图。图3是滚动疲劳破坏试验机。图4展示出本专利技术钢轨钢中贝氏体组织的状态。图5展示出本专利技术另一种钢轨钢中贝氏体组织的状态。图6展示出贝氏体组织的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体钢轨钢，至少部分含有贝氏体组织，其特征在于其长轴处于１００ｎｍ～１０００ｎｍ之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的１０％～５０％之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：上田正治，内野耕一，岩野克也，小林玲，
申请(专利权)人：新日本制铁株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]