專(zhuān)利名稱(chēng)：具有耐磨性能和滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合的鋼軌鋼的制作方法
具有耐磨性能和滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合的鋼軌鋼本發(fā)明涉及具有耐磨性能和滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合的鋼軌鋼，這對(duì)于常 規(guī)和重運(yùn)載量的軌道是需要的。火車(chē)速度和運(yùn)載的提高使軌道的運(yùn)輸更高效。然而，該提高也意味著鋼軌的更艱 巨的運(yùn)行條件，且需要改善鋼軌材料的性能以使其對(duì)于所施加的提高的應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)具 有更高的耐受性和抵抗性。在具有高交通密度和較高比例的貨物運(yùn)輸中，在張緊的彎曲件 (curves)中磨損的提高是特別嚴(yán)重的，且軌道的使用壽命的降低可能成為重要且不期望 的。然而，近年來(lái)由于用于進(jìn)一步強(qiáng)化軌道的熱處理技術(shù)的改進(jìn)和使用共析碳鋼且具有良 好珠光體組織的高強(qiáng)度鋼軌的開(kāi)發(fā)，因此鋼軌的使用壽命已得到顯著改善。在有軌車(chē)道的直的和輕度彎曲的部件(其中需要較低的磨損抵抗性)中，輪子與 鋼軌之間的重復(fù)接觸可能導(dǎo)致在軌頭表面上的滾動(dòng)接觸疲勞(RCF)失效。這些失效是由始 于軌頭表面的頂部平面的疲勞裂紋擴(kuò)展到其內(nèi)部引起的。稱(chēng)作“粗短(squat)”或“暗點(diǎn)” 的失效主要(但非排它地)出現(xiàn)在高速有軌車(chē)道的切線(xiàn)軌跡中，且歸因于軌頭表面中心上 的損傷累積，所述損傷是由輪子與鋼軌之間重復(fù)的接觸造成的。這些失效可以通過(guò)以給定的間隔研磨軌頭表面來(lái)消除。然而，研磨車(chē)和操作的成 本是高的，且研磨時(shí)間受到火車(chē)運(yùn)行時(shí)間表的限制。另一解決方案是增加軌頭表面的磨損速率以便在缺陷出現(xiàn)前使累積的損傷耗盡。 鋼軌的磨損速率可通過(guò)降低其硬度來(lái)增加，因?yàn)槠淠p抵抗性取決于鋼的硬度。然而，鋼硬 度的簡(jiǎn)單降低在軌頭表面上引起塑性變形，進(jìn)而引起優(yōu)化外形的損失以及滾動(dòng)接觸疲勞裂 紋的出現(xiàn)。具有貝氏體組織的鋼軌比具有珠光體組織的鋼軌磨損掉得更多，因?yàn)樗鼈冇绍涜F 素體基體中的細(xì)分散碳化物顆粒構(gòu)成。輪子在貝氏體組織的鋼軌上方運(yùn)行，因此導(dǎo)致碳化 物易于和鐵素體基體磨損掉。如此加速的磨損從軌頭的軌頭表面移除了疲勞損傷層。鐵素 體基體的低強(qiáng)度可通過(guò)添加較高百分比的鉻或其它合金化元素來(lái)抵消以提供滾動(dòng)狀態(tài)所 需要的高強(qiáng)度。然而，增加的合金添加物不僅是昂貴的，還可在鋼軌之間的焊接接頭中形成 堅(jiān)硬而脆性的組織。這些貝氏體鋼似乎更易于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂且需要對(duì)殘余應(yīng)力的更嚴(yán)格控 制。另外，貝氏體鋼的鋁熱和閃光對(duì)焊的性能應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁倪M(jìn)。具有珠光體組織的鋼軌包含軟鐵素體和硬滲碳體層的結(jié)合。在與輪子接觸的軌頭 表面上，軟鐵素體被擠出從而只留下硬滲碳層。該滲碳體和加工硬化效應(yīng)提供了鋼軌所需 的磨損抵抗性。這些珠光體鋼的強(qiáng)度是通過(guò)合金化添加劑、加速冷卻或其組合獲得的。利 用這些方法，減少了珠光體的層內(nèi)間距。鋼的硬度增加導(dǎo)致了磨損抵抗性的增加。然而，在 約360HB或更高的硬度值下，磨損速率如此之小使得硬度的進(jìn)一步增加不產(chǎn)生顯著不同的 磨損速率。然而，隨著將硬度增加到 400HB (通常將其視為具有完全珠光體顯微組織的共 析和亞共析鋼的硬度上限)，觀察到了在滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性方面的改善。然而，在實(shí)際條件下，這些高強(qiáng)度珠光體鋼的RCF抵抗性還需要進(jìn)一步改善以便 延遲滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的產(chǎn)生，從而延長(zhǎng)鋼軌研磨作業(yè)之間的間隔。因此，本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度鋼軌，其抵抗?jié)L動(dòng)接觸，同時(shí)保持現(xiàn)有的熱處理鋼軌的優(yōu)異磨損抵抗性。 使用高強(qiáng)度珠光體鋼軌鋼實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，所述鋼具有疲勞性能和滾動(dòng)接觸 疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合，其含有(以重量％計(jì))0. 88-0. 95%碳，
0. 75% -0. 95%硅，
0. 80% -0. 95%猛，
0. 05% -0. 14%釩，
至多0. 008%氮，
至多0. 030%磷，
0. 008% -0. 030%硫，
至多2. 5ppm氫，
至多0. 10%鉻，
至多0.010%鋁，
至多20ppm氧，
余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的化學(xué)組成相對(duì)于常規(guī)亞共析和過(guò)共析珠光體鋼展示了很好的耐磨性能。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，平衡的化學(xué)組成產(chǎn)生了很耐磨損的珠光體，該珠光體包含很細(xì)
分散的釩的碳氮化物。而且，RCF抵抗性顯著高于相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)鋼的RCF抵抗性。很多因素 一起導(dǎo)致了該改善。首先，移動(dòng)到鐵碳相圖的過(guò)共析區(qū)域增加了顯微組織中硬滲碳體的體 積分?jǐn)?shù)。然而，在鋼軌所經(jīng)歷的相對(duì)緩慢的冷卻下，這樣高濃度的碳可導(dǎo)致在晶界處的脆化 滲碳體的有害網(wǎng)絡(luò)。已設(shè)計(jì)了向組合物中有意添加較大量的硅和釩來(lái)抑制晶界滲碳體。這 些添加物還具有第二(且同樣重要的)功能。硅是固溶增強(qiáng)體，且其增加了珠光體型鐵素 體的強(qiáng)度，該珠光體型鐵素體提高了珠光體對(duì)RCF產(chǎn)生的抵抗性。類(lèi)似地，珠光體型鐵素體 中細(xì)的釩的碳氮化物的析出增加了其強(qiáng)度，從而增加了該組合的珠光體顯微組織的RCF抵 抗性。該組成設(shè)計(jì)的另一特點(diǎn)是限制氮含量從而防止氮化釩的過(guò)早且粗的析出物，因?yàn)樗?們對(duì)于提高珠光體型鐵素體的強(qiáng)度并不是有效的。這保證了釩添加物保持在奧氏體的溶體 中從而降低溫度，因此導(dǎo)致較細(xì)的析出物。溶體中的釩也可用作淬透性試劑來(lái)細(xì)化珠光體 間距。因而，在該實(shí)施方案所述的組成的具體設(shè)計(jì)利用了單個(gè)元素的不同屬性來(lái)制備具有 磨損和RCF抵抗性的高度所需的結(jié)合的顯微組織。因此，可以在較低的硬度值下實(shí)現(xiàn)提高 的RCF和磨損抵抗性。由于較高硬度通常與鋼軌中的較高殘余應(yīng)力有關(guān)，因此較低硬度意 味著使在根據(jù)發(fā)明的鋼軌中的這些殘余應(yīng)力降低，這對(duì)于降低疲勞裂紋的增長(zhǎng)速度是特別 有利的。根據(jù)本發(fā)明的鋼的機(jī)械性能與常規(guī)號(hào)350HT是相似的，該常規(guī)號(hào)350HT通常用于 張緊的彎曲件和高度扭曲的彎曲件的低鋼軌上?？赏ㄟ^(guò)使鋼軌在熱軋或熱處理后經(jīng)受加速 冷卻來(lái)獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，氮的最低量為0.003%。發(fā)現(xiàn)合適的最大氮含量為 0. 007%。取決于鋼中存在的氮和溫度，釩形成釩的碳化物或釩的氮化物。理論上，析出物 的存在提高了鋼的強(qiáng)度和硬度，但當(dāng)析出物在高溫下析出到粗顆粒時(shí)，析出物的作用降低。 如果氮含量過(guò)高，則在高溫下更趨于形成釩的氮化物而非較低溫度下細(xì)的釩的碳化物。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)可儆?. 007%時(shí)，不期望的釩氮化物的量少于期望的釩的碳化物的量， 換言之，不能觀察到存在釩的氮化物的不利影響，同時(shí)存在細(xì)分散的釩的碳化物的有益效 應(yīng)是強(qiáng)的。0. 003%的最少量氮是通過(guò)確保僅極少部分在較高溫下束縛于相對(duì)粗的氮化釩 析出物來(lái)使昂貴的釩添加的作用最大化的實(shí)際下限。氮的合適最大值為0. 006%或甚至 0. 005%。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，最小量的釩是0.08%。發(fā)現(xiàn)合適的最大含量為 0. 13%。優(yōu)選地，釩為至少0. 08%和/或至多0. 12%。為了提供細(xì)分布的釩的碳氮化物， 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)約0. 10%量的釩是優(yōu)化且優(yōu)選的。隨著量的增加，有益效果降低，且變?yōu)樵诮?jīng)濟(jì) 上不受歡迎。碳是在鋼軌鋼中最成本有效的強(qiáng)化合金化元素。發(fā)現(xiàn)合適的最低碳含量為 0.90%。優(yōu)選的碳范圍是0.90%-0.95%。該范圍提供了在硬滲碳體的體積分?jǐn)?shù)和防止晶 界處脆化滲碳體的有害網(wǎng)絡(luò)析出之間的優(yōu)化平衡。碳還是有利于較低轉(zhuǎn)變溫度且因此有利 于較細(xì)的層內(nèi)間距的有效淬硬性試劑。高體積分?jǐn)?shù)的硬滲碳體和細(xì)的層內(nèi)間距提供了磨損 抵抗性，且有利于在本發(fā)明的實(shí)施方案中所包含組合物的提高的RCF抵抗性。在0. 75-0. 95%范圍內(nèi)，硅通過(guò)在珠光體組織中固溶硬化鐵素體改善了強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn) 0. 75-0. 95%的硅含量在鋼軌的延展性和韌性以及可焊性方面提供了良好的平衡。在較高 數(shù)值下，延展性和韌性快速下降，在較低數(shù)值下，鋼的磨損尤其是RCF抵抗性迅速降低。硅 在推薦的水平下還提供了對(duì)于在晶界處的脆化滲碳體任何有害網(wǎng)絡(luò)的有效防護(hù)。優(yōu)選地， 最低硅含量是0. 82%。0. 82-0. 92的范圍證明在鋼軌的延展性和韌性以及可焊性方面提供 了良好的平衡。錳是對(duì)于通過(guò)改善珠光體的淬硬性提高強(qiáng)度的有效元素。其主要目的是降低珠光 體轉(zhuǎn)變溫度。如果其含量少于0. 80%，則發(fā)現(xiàn)在選擇的碳含量下錳的作用不足以實(shí)現(xiàn)所需 的淬硬性，并且在高于0. 95%水平下，存在提高的馬氏體形成的風(fēng)險(xiǎn)(這是因?yàn)殄i偏析)。 高含量的錳使焊接操作更加困難。在優(yōu)選實(shí)施方案中，錳含量為至多0. 90%。優(yōu)選地，鋼中 的磷含量為至多0. 015%。優(yōu)選地，鋁含量是至多0. 006%。硫數(shù)值必須在0. 008和0. 030%之間。最小硫含量的原因是，它形成MnS夾雜物， 該夾雜物充當(dāng)用于可能存在于鋼中的任何殘余氫的吸收體(sink)。鋼軌中的任何氫可導(dǎo)致 所謂的發(fā)裂(shatter crack)，這些發(fā)裂是具有尖銳面的小裂紋，在來(lái)自輪子的高應(yīng)力下， 這些尖銳面可在軌頭產(chǎn)生疲勞裂紋(稱(chēng)作橢圓瑕疵(tache oval))。添加至少0.008%的 硫抑制了氫的有害影響。選擇0. 030%的最高數(shù)值以避免組織的脆化。優(yōu)選地，最大值是至 多0. 020 %。在優(yōu)選實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的鋼由以下組成0. 90%-0. 95%碳，0. 82%-0. 92%硅，0. 80% -0. 950. 08%-0. 12%釩，0. 003-0. 007%氮，至多0.015%磷，0. 008-0. 030%硫至多2ppm 氫
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至多0.10%鉻至多0.004% 鋁至多20ppm 氧余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，且具有珠光體組織使用實(shí)驗(yàn)室雙盤(pán)設(shè)備測(cè)量了 RCF和磨損抵抗性，該雙盤(pán)設(shè)備與R. I. Carro 11， Rolling Contact Fatigue and surface metallurgy of rail, PhD Thesis, Department of Engineering Materials, University ofSheff ield，2005 所述的設(shè)備相似。當(dāng)輪子在 鋼軌上滾動(dòng)和滑動(dòng)時(shí)，該裝置模擬了產(chǎn)生的力。用于這些試驗(yàn)中的輪子是R8T輪子，其是標(biāo) 準(zhǔn)的英式(British)輪子。這些評(píng)價(jià)不是正式的鋼軌量化工序的一部分，但發(fā)現(xiàn)其提供了 作為不同鋼軌鋼組合物的相對(duì)使用性能的良好指示。用于耐磨試驗(yàn)的試驗(yàn)條件包括使用 750MPa的接觸應(yīng)力、25%滑行且無(wú)潤(rùn)滑劑，而用于RCF的試驗(yàn)條件利用了 900MPa的較高接 觸應(yīng)力、5 %滑行和水潤(rùn)滑劑。本發(fā)明已展現(xiàn)，其滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性顯著高于常規(guī)熱處理的鋼軌。在滾動(dòng)狀態(tài) 條件下，與具有370HB (80000循環(huán))硬度的珠光體鋼軌相比，其在到裂紋產(chǎn)生的循環(huán)數(shù)方面 展現(xiàn)出超過(guò)62%的提高(130000循環(huán))。本發(fā)明的熱處理將其RCF抵抗性進(jìn)一步提高到 160000 循環(huán)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，提供了一種珠光體鋼軌，其在水潤(rùn)滑的雙盤(pán)試驗(yàn)條件下 具有到產(chǎn)生至少為130000循環(huán)的RCF抵抗性。如上所述，這些數(shù)值是在滾動(dòng)和滑動(dòng)條件下 的。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，提供了一種珠光體鋼軌，當(dāng)如上所述進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其具有 與熱處理的現(xiàn)有鋼軌鋼相當(dāng)?shù)哪p抵抗性，優(yōu)選地，其中在320-350HB硬度下磨損為低于 40mg/m滑行，或在高于350HB的硬度下，為低于20mg/m，優(yōu)選低于10mg/m滑行。本發(fā)明展現(xiàn)出，在雙盤(pán)試驗(yàn)期間，其磨損抵抗性不如最硬的現(xiàn)有熱處理的鋼軌有 效。在滾動(dòng)狀態(tài)條件下，鋼軌的磨損抵抗性大于具有370HB的較高硬度的常規(guī)熱處理的鋼 軌。在熱處理的條件下，鋼軌具有很低的磨損速率，與具有400HB硬度的常規(guī)鋼軌類(lèi)似。不可避免的雜質(zhì)的最大推薦水平基于Ε^3674-1 :2003，根據(jù)它，最大極限為Mo 0. 02%,Ni 0. 10%, Sn-0. 03%, Sb-0. 020%、Ti_0. 025%、Nb_0. 01%。根據(jù)一些非限定性的實(shí)施例，制備了兩個(gè)鑄件A和B并澆鑄成鑄錠，所述鑄件在選 定的合金化元素方面具有設(shè)定的變化。在表1中給出了這些實(shí)施例的化學(xué)組成。表Ia 以Wt %計(jì)的化學(xué)組成，
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度珠光體鋼的鋼軌，其具有耐磨性能和滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合，其中所述鋼由以下組成0.88 0.95％碳、0.75％ 0.95％硅、0.80％ 0.95％錳、0.05％ 0.14％釩、至多0.008％氮、至多0.030％磷、0.008％ 0.030％硫、至多2.5ppm氫、至多0.10％鉻、至多0.010％鋁、至多20ppm氧、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的珠光體鋼軌，其中碳為至少0.90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的珠光體鋼軌，其中氮為至少0.003%，或其中氮為至多 0. 007%。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，其中氮為至多0.005%。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，其中釩為至少0.08%和/或至多 0. 12%。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，由以下組成0.90% -0.95%碳、 0. 82% -0. 92%硅、0. 80% -0. 95%猛、0. 08% -0. 12%釩、0. 003-0. 007%氮、至多 0. 015% 磷、0. 008-0. 030%硫、至多2ppm氫、至多0. 10%鉻、至多0. 004%鋁、至多20ppm氧、余量由 鐵和不可避免的雜質(zhì)組成。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，其中錳為至多0.90%。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，其在水潤(rùn)滑的雙盤(pán)試驗(yàn)條件下具有到產(chǎn) 生為至少130000循環(huán)的RCF抵抗性。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的珠光體鋼軌，其具有與經(jīng)熱處理的現(xiàn)有鋼軌鋼相當(dāng)?shù)?磨損抵抗性，優(yōu)選地，其中在320-350HB硬度下磨損為低于40mg/m滑行，或在高于350HB的 硬度下，低于20mg/m，優(yōu)選為低于10mg/m滑行。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度珠光體鋼的鋼軌，其具有耐磨性和滾動(dòng)接觸疲勞抵抗性的優(yōu)異結(jié)合，其中該鋼由以下組成0.88-0.95％碳，0.75％-0.92％硅，0.80％-0.95％錳，0.05％-0.14％釩，至多0.008％氮，至多0.030％磷，0.008％-0.030％硫，至多2.5ppm氫，至多0.10％鉻，至多0.010％鋁，至多20ppm氧，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C38/12GK101946019SQ200980105903
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日
發(fā)明者H·M·史密斯, R·卡洛爾, S·加斯沃爾 申請(qǐng)人:克里斯英國(guó)有限公司