用于生產軌道、軌道交叉口和轉轍器的零件的鋼以及生產所述零件的方法
【專利摘要】本發明涉及用于生產軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的零件的鍛鋼，其包含(以重量百分比計)：0.01-0.15％的碳；至多0.5％的硅；10-15％的錳；至少0.6-3.95％的鉬；任選一種或多種下列元素：i.0.05-0.2％的鎳和/或ii.0.05-0.2％的鈷和/或iii.0.02-0.30％的Cr和/或iv.0.05-0.2％的銅；v.至多5ppm的H；vi.至多0.20％的V；vii.至多0.10％的Nb；viii.至多0.20％的Ti和/或Zr；ix.至多50ppm的B；x.至多250ppm的N；xi.至多0.2％的Al；xii.至多0.08％的S；xiii.至多0.08％的P；xiv.至多1.5％的W；和余量為鐵及不可避免的雜質，并且涉及生產所述鍛鋼的方法及其用途。
【專利說明】用于生產軌道、軌道交叉口和轉轍器的零件的鋼以及生產 所述零件的方法
[0001] 本發明涉及用于生產軌道交叉口和轉轍器的零件的鍛鋼并涉及用于生產所述零 件的方法。
[0002] 轉轍器和交叉口（S&C)是軌系統的部件，在軌道線路中在使用中它們經受相當大 的負荷。
[0003] 幾種技術正被用于生產這些S&C。目前，顯著比例的S&C零件用鑄造奧氏體錳鋼 (AMS)制造。由于其在沖擊上的高加工硬化能力、在固溶處理和水淬火之后的優良韌性、和 在加工硬化條件下非常好的耐磨性，因而通常使用AMS。AMS的名義化學組成分析為1. 2% 的C、13 %的Μη和0. 5 %的Si，其產生范圍為200-250HB的體硬度。在經過一定量的運輸以 后，所述S&C的硬度可以達到500-550HB的水平。
[0004] AMS也有許多缺點，例如低的0. 2%屈服應力。軌道道岔（point)和交叉口在服務 期間通常經歷嚴重的沖擊負載條件，導致塑性變形和加工硬化，這將材料強度提升到對進 一步的塑性流動更有抵抗性的水平。然而，在原始未硬化的條件下不可避免的相關尺寸變 化是不需要的。在軌路中，差別的負載導致不均勻的硬化和局部的塑性變形，并且所得差的 運行品質最終需要用焊接沉積物重建變形的輪廓。結果，重的軸向載荷應用中的AMS需要 頻繁的磨削以去除形變（lipping)且需要焊接修補以修復變形高度損失。
[0005] AMS是難以鑄造或機加工成S&C所需要的復雜形狀的材料。而且，對軌道交叉口的 軌跡的任何改變需要新的鑄造模具，使得不尋常的交叉口輪廓的生產非常昂貴。AMS窄的凝 固范圍導致許多洞型缺陷，其可以是在使用中見到的開裂起始點。通常，AMS交叉口中的孔 隙發生在離新表面約10至15mm的深度，并且一旦達到該深度，由于由任何殘余的孔隙引發 裂紋的風險，焊接修復以重建所述交叉口就變得不切實際。對于AMS部件，10年通常被視為 正常壽命，因為超過該期限缺陷的程度已經變得如此嚴重以至于繼續補救的焊接修補是不 經濟的，且必須替換所述部件。關于AMS的進一步的問題是奧氏體顯微組織的熱不穩定性， 這導致材料難以焊接。這種焊接中的困難不僅在原位焊接修補所述部件時是問題，而且在 部件制造的過程中也是問題，因為在將其安裝在軌道線路中之前必須將軌焊接到所述組件 上。
[0006] 作為這些問題的結果，已經開發了對于常規AMS交叉口型的幾種替代物。一些S&C 由復合金屬夾層形式的材料構成，其中接觸通過的火車的輪子的零件由具有不同組成、顯 微組織和性質的硬質的、耐磨的中厚鋼板制成。該物品的下部由基礎鋼組合物制造。這些解 決方案通常提供具有較好的焊接可修補性的較便宜的替代物，但是交叉口突出部分（nose) 的性質則取決于構成所述交叉口突出部分的鋼組合物的精密水平。在許多情況下，這樣的 組合物與磨損和特別是由AMS交叉口提供的滾動接觸疲勞抵抗性不匹配。而且，這些解決 方案由于不同鋼的復合夾層而較難以生產。
[0007] AMS的另一個替代物是在將零件安裝在線路中之前提供具有加工硬化層的高錳零 件。表面預硬化技術可包括噴丸、輥壓或爆炸硬化。在這些技術中，爆炸硬化通常是優選的 選擇，因為它提供了足夠厚以滿足所述S&C的使用要求的硬化層。
[0008] 然而，用這些表面硬化技術難以控制硬化層的厚度。而且，表面硬化不解決焊接可 修補性問題和與鑄造高錳零件相關的鑄造缺陷。
[0009] 因此，本發明人著手設計針對這些問題的解決方案。
[0010] 本發明的目的是提供作為對AMS且特別是對鑄造 AMS的替代物用于S&C的新型鍛 鋼。
[0011] 另一個目的是提供作為對AMS的替代物用于S&C的新型鍛鋼，所述鍛鋼對于通過 頭頂（top-of-head)焊接修復步驟原位修補是可容易焊接的。
[0012] 又一個目的是提供對突出部分沖擊（batter)將更有抵抗性的新型鍛鋼。
[0013] 另一個目的是提供用于S&C的新型鍛鋼，所述鍛鋼對于常規的珠光體軌是可焊接 的。
[0014] 又一個目的是提供用于S&C的新型鍛鋼，所述鍛鋼對于常規的珠光體軌是可閃光 對接焊的。
[0015] 通過提供用于生產軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的零件的鍛鋼達到本發明的一 個或多個目的，所述鍛鋼包含（以重量百分比計）：
[0016] ·0· 01-0. 15% 的碳；
[0017] ?至多0.5 %的硅；
[0018] · 10-15 % 的錳；
[0019] ?至少 0· 6-3. 95 % 的鑰；
[0020] ?任選一種或多種下列元素：
[0021] 1.0.05_0.2%的鎳和/或
[0022] ii. 0· 05-0. 2%的鈷和 / 或
[0023] iii. 0· 02-0. 30%的 Cr 和 / 或
[0024] ^.0.05-0.2%的銅；
[0025] V.至多 5ppm 的 Η ;
[0026] vi.至多 0· 20%的 V ;
[0027] vii.至多 0· 10%的 Nb ;
[0028] viii.至多 0· 20%的 Ti 和 / 或 Zr ;
[0029] ix.至多 50ppm 的 B ;
[0030] X.至多 250ppm 的 N ;
[0031] xi.至多 0· 2%的 A1 ;
[0032] xii.至多 0· 08%的 S ;
[0033] xiii.至多 0· 08%的 P ;
[0034] xiv.至多 1. 5% 的 W ;
[0035] ?和余量為鐵及不可避免的雜質。
[0036] 本發明允許生產單一類型的原料坯，隨后可將所述原料坯機加工成需要滿足當地 條件的任何交叉口設計。計算機控制的機加工導致在降低成本下較精密的公差。由于軌道 具有許多不同角度的交叉口以滿足當地的需求，因此將需要各種鑄造模具來由AMS鑄件生 產這些且這也反映在它們相對高的成本中。因此，本發明提供了顯著的成本降低。
[0037] 碳在該鋼中的作用是為了主要通過固溶強化而獲得鋼的足夠硬度。另一方面，高 碳含量導致殘余奧氏體的量的增加，導致硬度的降低。由于在制造狀態條件中以及在焊接 之后均形成碳網絡，碳含量的增加將顯著增大在這些鋼中晶界脆化的風險。因此，為了保持 硬度與脆化風險之間的微妙平衡，對于這些鋼碳含量需要為0. 01% -〇. 15% (所有組成以 重量百分比給出，除非另有說明）。更優選地碳含量為0.01-0. 12%。作為它們較低的碳含 量的結果，大多數的這些合金是可容易焊接的。為了進一步改進可焊接性，碳含量優選為至 多〇. 10,更優選至多〇. 08。
[0038] 為了實現所需的顯微組織，碳含量為至少0. 01%且優選至少0. 02%。從煉鋼的角 度來看合適的最低碳含量為0. 04%。
[0039] 錳是奧氏體促進元素。它穩定奧氏體，即增加奧氏體存在的溫度范圍。
[0040] 改變根據本發明的鋼中的錳含量顯示在至少10 %的錳含量下獲得最大硬度。在例 如15%的非常高的錳水平下硬度降低到不充足的水平。硬度與耐磨性具有強的相關性且耐 磨性對于大多數軌道零件（包括S&C)的壽命是決定性因素。低磨損率意味著不那么頻繁 地需要零件的修補。在具有低于10%的錳含量的鋼與高于10%的那些之間耐磨性的顯著 差異歸因于顯微組織的不同。低于10%的錳水平導致完全馬氏體顯微組織，然而高于10% 的水平顯示殘余奧氏體、ε -馬氏體（密排六方或hep馬氏體）和馬氏體的混合顯微組織。 優選地，錳水平為至少11%。已發現具有完全馬氏體顯微組織的鋼的耐磨性比含有馬氏體 和殘留奧氏體的混合顯微組織的那些差。然而，增加錳含量還導致殘余奧氏體的增加。在高 于15%的錳含量下，殘余奧氏體的水平變得足夠高以至于馬氏體相的增加硬度多于由較軟 奧氏體的增加比例抵消的硬度，結果所述鋼的總體硬度以及耐磨性下降。對裂紋擴展的抵 抗性高且與非常緩慢的逐步失效有關。由于這個原因，存在在完全失效發生之前對于發展 的任何疲勞裂紋將被發現且從使用中除去或修復受影響的一個或多個零件的增加機會?；?于上述論證，錳含量優選為至少11且至多15%。由于錳也是昂貴的合金化元素，發現合適 的最大錳含量是14%或者甚至13%。發現合適的最小錳含量是11. 5%。當所述錳含量為 12-13% Μη時獲得硬度和耐磨性的最大值。在這些水平下，一方面殘余奧氏體+ ε -馬氏體 和另一方面硬質馬氏體的量為約50 :50,由此提供了沖擊韌性和硬度的令人滿意的組合。
[0041] 鑰在增加沖擊韌性方面是有效的。此外，由于鑰對于磷的清除作用，防止了回火脆 化現象。在0. 6%的Mo的水平下，在沖擊韌性方面的增加已值得注意，但是在高于0. 6%的 值下獲得進一步的增加。在沖擊韌性方面的增加在1.5%的值下趨向穩定（off)。因此，在 該鋼中的鑰添加需要為〇. 6% -3. 95%，且優選鑰含量為至多2. 95%和/或至少1. 25%。發 現1. 5%的鑰含量是對于穩定的沖擊韌性值的合適最小值。從結合成本和技術的角度來看 發現1. 90 %的鑰含量是合適的最大值，因為高于1. 90%的值的添加導致僅適中的進一步 改進。
[0042] 發現硅對這些鋼的沖擊韌性和耐磨性具有極小的影響，盡管它確實經由固溶強化 提供在拉伸強度和硬度上的增加。在鋼鐵生產過程中，它還充當脫氧劑。在此基礎上，推薦 0.5%的Si的最大值。發現合適的最低含量為0. 10或者甚至0. 15%，和/或發現合適的最 大值為0.40或甚至0.35%。
[0043] 鎳（Ni)、鈷（Co)和銅（Cu)通過它們作為奧氏體促進元素的方式具有與錳類似的 效果。在一定程度上可以添加這些元素代替錳，或者除了錳之外還添加這些元素。可以以 每種元素1. 0%的最大值、合計至多3%添加 Ni、Co和Cu。優選Ni、Co和/或Cu的最大值 為 0· 5%。
[0044] 根據本發明的合金已經證明為可容易機加工的。如果有必要，可以進行硫、鈣、碲 或硒或任何其它已知的可機加工性增強元素的一種或多種添加以促進（further)這些合 金。
[0045] 磷含量通常保持在低于0. 08%，優選低于0. 05 %且優選低于0. 02%，以使熱裂 的趨勢最小化。磷是這些鋼中的殘余元素。如果沒有添加硫以增強可機加工性，那么硫含 量通常保持在低于0. 02%的雜質水平。如果添加硫，那么合適的最大量為0. 08%，優選 為0. 05%。如果添加下列元素作為合金化元素，那么優選的范圍如下：0. 02-0. 20%的V、 0· 02-0. 10%的 Nb、0. 02-0. 20%的 Ti、0. 02-0. 20%的 Zr、5-50ppm 的 B 和 10-250ppm 的 N。 合適的最大含量為0.10%的￥、0.075%的恥、0.10%的21"和/或0.10%的11。8、￥、恥、 Zr和Ti有助于鋼的晶粒細化。
[0046] 根據本發明的鋼優選為硅脫氧的。假設所述鋼的清潔度保持符合根據在鋁氧化 物夾雜的最大值方面的規范，所述鋼還可以是鋁脫氧的或鋁-硅脫氧的。當作為合金化 元素添加時，最大的總鋁含量為0.2%。優選總鋁含量（當作為合金化元素添加時）為 0.02-0. 15%。金屬性鋁含量（即不作為氧化物存在）將較低，這取決于當添加鋁時所述鋼 熔體的氧化物含量。
[0047] 根據本發明的鋼具有低于5ppm，優選低于3. 5ppm且更優選低于2. 5ppm的氫含量。
[0048] 雖然鉻優選地保持在低于0. 15%的雜質水平，即鉻不是有意添加的，但是對于一 些應用，可添加最高至0. 3%的水平的鉻。合適的最高鉻含量為0. 2%。
[0049] 應當注意，根據本發明的鋼組合物還可以用于生產鑄件，但由于低碳組合物比具 有高碳含量的正常的AMS哈德菲爾德（Hadfiled)類型鋼更昂貴，而在它的鑄造條件下不產 生比AMS更好的性能，因而使用根據本發明的組合物來生產鑄造材料在經濟上是沒有吸引 力的。
[0050] 根據第二方面，本發明還體現在用于生產軌道軌路、例如用于軌道交叉口或軌道 轉轍器的鍛鋼零件的方法，所述方法包括以下步驟：
[0051] ?提供具有根據權利要求1至10中任一項的組成的起始材料，例如塊或錠；
[0052] ?在適當的溫度下提供起始材料，用于將其熱軋成板或軌，其中
[0053] i.該熱軋板具有足以由熱軋板機加工出零件的厚度，或
[0054] ii.其中該軌具有所需的軌輪廓，用于
[0055] a.機加工成用于軌道交叉口和轉轍器的零件，例如開關閘刀（switchblade)或
[0056] b.用作軌；
[0057] ?使該板或軌在最后的熱變形后冷卻以實現所需的機械性質；
[0058] ?由熱軋并冷卻的板或軌機加工用于軌道交叉口和軌道轉轍器的零件；
[0059] 可通過由熱軋并冷卻的板機加工鍛鋼來使用鍛鋼生產像交叉口或用于交叉口的 零件。還可以以具有所需的幾何輪廓的軌形式提供鍛鋼，且可以將這些熱軋并冷卻的軌焊 接到零件上或用于機加工成開關閘刀。該軌還可原樣使用。
[0060] 根據本發明的方法允許生產具有不同長度的坯，隨后可以將該坯機加工成具有寬 的角度范圍的交叉口。還可以將熱軋板切成較薄長度，隨后將其機加工成開關閘刀。然而， 為了形成開關閘刀，可優選將鑄塊（cast bloom)熱軋成具有所需的幾何輪廓的軌且此后機 加工該軌以制造開關閘刀。
[0061] 根據第三方面，本發明還體現在根據本發明生產的和/或具有根據本發明的組成 的鍛鋼零件在軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器中的用途，優選其中已經通過原位焊接修補 步驟至少部分地焊接修復鋼零件。
[0062] 根據本發明的鋼的閃光對接焊優選地通過在將它焊接到珠光體軌之前首先使用 將被焊接到交叉口的不銹鋼插入物來進行，不銹鋼插入物作為夾層填充物以改進對于高完 整焊縫的相容性。
[0063] 根據本發明的鋼可用于生產用于軌道交叉口和轉轍器的零件，例如如圖1所示的 通用交叉口中的轍叉。這示出了通用交叉口中的整塊鑄造轍叉。這種沒有保護軌道的自保 護轍叉具有在轍叉上提高的凸緣，在車輪通過轍叉時負載在車輪的面上。盡管主要旨在將 根據本發明的所述鍛鋼應用在用于軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的零件（例如轍叉和開 關閘刀）中，但是發現該鋼還適合于其它軌部件，例如膨脹接頭、絕緣軌接頭或軌。
[0064] 轍叉還形成軌道轉轍器的一部分，且還用于水平連接點（扁平交叉口）。設計該轍 叉以確保車輪穿過軌中的缺口而不"掉入"所述缺口中；車輪和軌輪廓確保車輪總是由至少 一條軌支撐。為了確保車輪沿著合適的輪緣槽，將護軌或保護軌道安裝在與轍叉相對的軌 里。圖2示出了在右手邊的轍叉和在左手邊的護軌。通常，轍叉或雙轍叉將由根據本發明 的鋼制備。
[0065] 現在通過下面的非限制性實施例更加詳細地描述本發明。
[0066] 生產了 一系列的鑄件且在表1中給出化學組成。
[0067] 表1-根據本發明的鋼的化學組成。
[0068]
【權利要求】
1. 用于生產軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的零件的鍛鋼，其包含（以重量百分比 計）： ? 0· 01-0. 15% 的碳； ?至多0. 5%的硅； ? 10-15 % 的錳； ?至少0. 6-3. 95 %的鑰； ?任選一種或多種下列元素： 1.0.05-0.2%的鎳和/或 ii. 0· 05-0. 2% 的鈷和 / 或 iii. 0· 02-0. 30%的 Cr 和 / 或 "·0.05-0.2%的銅； v. 至多5ppm的Η ; vi. 至多(λ 20%的 V ; vii. 至多 0.10%的 Nb; viii. 至多 0. 20%的 Ti 和 / 或 Zr; ix. 至多 50ppm 的 B ; X.至多 250ppm 的 N ; xi. 至多 0. 2%的 A1 ; xii. 至多 0. 08%的 S ; xiii. 至多 0. 08%的 P ; xiv. 至多 1. 5%的 W ; ?和余量為鐵及不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1的鋼，其包含至多0. 12%的C和/或至少11%的Mn，和/或至多 2. 95%的 Mo。
3. 根據權利要求1的鋼，其包含至多0.02%的S和至多0.02%的P。
4. 根據權利要求1至3中任一項的鋼，其包含至多0. 10%的C。
5. 根據權利要求1至4中任一項的鋼，其包含至多14%的Μη。
6. 根據權利要求1至5中任一項的鋼，其包含至少0. 10%的Si。
7. 根據權利要求1至6中任一項的鋼，在其熱軋狀態包含至少15體積％的殘留奧氏體 和/或在其用作軌道、軌道交叉點或軌道轉轍器的零件的過程中包含至少15體積％的殘留 奧氏體。
8. 根據權利要求1至7中任一項的鋼，其包含： ?至少1%的Mo,優選至少1. 25%和/或 ?至多2. 45 %的Mo,優選至多1.90%。
9. 根據權利要求1至8中任一項的鋼，其包含至少0. 02%的C。
10. 根據權利要求1至9中任一項的鋼，其中所述鋼包含0. 05至0. 1 %的釩和/或 0. 025 至 0. 075 % 的 Nb。
11. 用于生產軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的鍛鋼零件的方法，其包括以下步驟： ?提供具有根據權利要求1至10中任一項的組成的起始材料，例如塊或錠； ?在適當的溫度下提供起始材料，用于將其熱軋成板或軌，其中 i. 該熱軋板具有足以由熱軋板機加工出零件的厚度，或 ii. 其中該軌具有需要的軌輪廓，用于 a. 機加工成用于軌道交叉點和轉轍器的零件，例如開關閘刀或 b. 用作軌； iii. 使所述板或軌在最后的熱變形后冷卻以實現所需的機械性質； ?由熱軋并冷卻的板或軌機加工用于軌道交叉口或軌道轉轍器的零件；
12. 根據權利要求11的用于生產軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的鍛鋼零件的鋼的生 產方法，其包括將一個或多個軌焊接到該零件上的額外步驟。
13. 根據權利要求11或12的方法，其中用于軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器的鍛鋼零 件是轍叉或雙轍叉或開關閘刀。
14. 根據權利要求11至13中的任一項生產的和/或具有根據權利要求1至10中任一 項的組成的鍛鋼零件在軌道、軌道交叉口或軌道轉轍器中的用途。
15. 根據權利要求15的鍛鋼零件的用途，其中已通過原位焊接修補步驟至少部分地焊 接修復所述鍛鋼零件。
【文檔編號】C21D9/04GK104160058SQ201380012280
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年1月25日 優先權日:2012年1月25日
【發明者】鄧麗芬, V·耶拉特, S·雅斯沃爾 申請人:塔塔鋼鐵英國有限公司