專利名稱:能夠防止失穩(wěn)斷裂擴展的耐磨鋼軌的制作方法
本發(fā)明涉及一種在鐵路轉彎部分使用的高強度耐磨鋼軌，特別是一種能夠防止失穩(wěn)斷裂擴展的高質量耐磨鋼軌。
鋼軌斷裂常常引起嚴重的交遍事故。引起斷裂的原因其中有由于鋼軌與車輪接觸造成的剪切損傷、鋼軌接頭裂紋，剎車在鋼軌上引起的裂紋、大的氧化物和深度表面缺陷。當鋼軌使用時間過長時，由于疲勞，在鋼軌各個部分存在的各種裂紋導致了橫向或縱向缺陷。這種缺陷隨著時間的延長而擴展。最終，達到特定的斷裂韌性值(例如由ASTM(即美國標準實驗方法)E399所規(guī)定的KIC值)。結果，產生迅速的失穩(wěn)斷裂，從而鋼軌裂斷。在造成大量傷亡的脫軌事故中，當檢查含有在氣體切割時產生裂紋的耐磨合金鋼鋼軌的端部時，發(fā)現由于車輪引起的沖擊負荷所導致的失穩(wěn)斷裂擴展，如圖5所示，在鋼軌10的軌腰11上沿縱向超過10米。這樣的裂紋向軌頭12或軌底13擴展，從而導致了意外的斷裂。
用于防止這些缺陷的現有技術耐磨鋼軌中，與車輪接觸的軌頭12的耐磨性是由具有比普通鋼軌有更高強度的細珠光體組織來實現的。
雖然這種細珠光體組織具有極好的耐磨性，但是它很脆，所以它阻止產生失穩(wěn)斷裂的可能性小。為此，當使用這種鋼軌時，必需時時防止表面缺陷和內部缺陷在這種缺陷有可能產生的部分形成，在失穩(wěn)斷裂發(fā)生前，必需用超聲波探傷器定期地檢查這種缺陷，以發(fā)現并除掉缺陷部分。
雖然采取了各種措施，例如增加對由疲勞引起的失穩(wěn)斷裂的抗力，對特殊部位產生的缺陷(如軌腰和軌底)的抗力、以及增加探測缺陷的成功率，但這些措施不總是有效的。在任何情況下，都必需時時注意缺陷的形成和失穩(wěn)破壞性裂紋的擴展。否則這種缺陷的產生及其擴展是不可避免的。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠防止失穩(wěn)裂紋擴展的耐磨鋼軌。
本發(fā)明的更為具體的目的是提供一種具有高耐磨性和高強度的細珠光體組織的，并能用于鐵路轉彎處的鋼軌。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠防止疲勞裂紋向軌頭和軌腰擴展的鋼軌，從而防止重大事故發(fā)生。
按照本發(fā)明，提供的耐磨鋼軌含碳0.50～0.85%(重量百分比)，含硅0.10～1.0%(重量百分比)，含錳0.50～1.50%(重量百分比)，含磷少于0.035%(重量百分比)，含硫少于0.035%(重量百分比)，含鋁0.050%(重量百分比)，其余為鐵和雜質，鋼軌的軌腰為回火貝式體組織并具有高韌性，鋼軌的軌頭為高強度的細珠光體組織。
由于含碳量高于0.5%(重量百分比)，所以具有耐磨性。當硅含量增加到0.10%(重量百分比)以上時和錳含量增加到0.50%(重量百分比)以上時，能夠改善強度。當選用的含碳量低于0.85%(重量百分比)和選用的含硅量低于1.00%(重量百分比)時，能夠防止降低塑性。當選用的磷和硫含量分別為0.03%(重量百分比)時，能夠防止塑性和韌性變差。當選用的錳含量低于1.50%(重量百分比)時，能避免可焊性變差。此外，當選用的鋁低于0.050%(重量百分比)時，能防止耐疲勞性變差。
軌腰為高韌性的回火貝氏體組織或回火馬氏體組織或回火貝氏體-馬氏體混合組織的地方，能夠有效地防止失穩(wěn)斷裂的擴展。另外，由于軌頭有高強度的細珠光體組織，能夠增加鋼軌的耐磨性。
在附圖中圖1為鋼軌的橫斷面視圖;
圖2是帶有切口的鋼軌彎曲試驗試樣的透視圖;
圖3為沿著切口所取鋼軌的局部斷面視圖;
圖4為示出水平斷裂試驗試樣的軌腰側視圖;
圖5是鋼軌的透視圖，顯示了試驗試樣從中取出的部分;
圖6為示出軌腰水平斷裂試驗方法的透視圖。
現已發(fā)現，由于疲勞引起的軌頭或軌腰上的水平裂紋擴展能造成重大事故。特別是軌腰產生的裂紋向軌頭和軌底擴展并造成重大事故，例如軌頭折斷。所以，給予軌腰一種能夠阻止失穩(wěn)破壞性裂紋高速擴展的能力是很重要的。為了給予軌腰一種能夠阻止失穩(wěn)破壞性裂紋高速擴展的能力，我們已通過各種改變鋼軌的成份和組織的辦法進行了很多研究并發(fā)現金屬組織，特別是由回火貝氏體組織，回火馬氏體組織以及它們的混合組織構成的金屬組織表現出極好的這種能力，還發(fā)現耐磨鋼軌的軌腰采用這些組織比珠光體組織或回火珠光體組織要好的多。我們準備的試驗鋼軌，其軌頭由具有高強度的細珠光體組織組成，其軌腰由回火貝氏體組織或回火馬氏體組織或混合的回火貝氏體和回火馬氏體組織組成，旨在進行鋼軌斷裂試驗。試驗的結果表明，這些試驗鋼軌阻止失穩(wěn)破壞性裂紋擴展的能力得到顯著改善，從而防止了鋼軌破裂或斷裂。
限制鋼軌化學成份的理由如下
為了獲得耐磨性，碳是必不可少的元素。因為含碳量低于0.50%(重量百分比)(以下僅用%表示)，磨損是很嚴重的，所以不可能獲得實用的耐磨鋼。另一方面，因為碳高于0.85%，在金屬組織中最初就形成沉淀滲碳體，于是塑性變差。由于這個原因，所以碳的范圍限制在0.50%～0.85%之間。
使用硅的目的是為了脫氧和改善強度。因此，對于鎮(zhèn)靜鋼，作為脫氧元素的硅，其含量必須至少是0.10%。雖然大量的硅能改善強度，但是硅含量高于1.00%將降低塑性。因此1.00%是上限。
錳是改善強度必不可少的。錳含量低于0.50%，改善強度的效果小，而錳含量高于1.50%可使可焊性顯著變差。因此，錳的范圍應限制在0.50%～1.50%之間。
磷和硫是雜質元素。當它們的含量超過0.035%，塑性和韌性都變差。因此，磷和硫的上限均是0.035%。鋁用于與硅結合作為脫氧元素。因為鋁高于0.050%，不僅生成大量的Al2O3而且疲勞性能變差，所以鋁的上限是0.050%。對于本發(fā)明的鋼軌，必需把上面所描述的結合起來考慮，以上描述的元素對于在鋼軌的軌頭形成高強度細珠光體組織是重要的。此外，這些元素對保證軌腰的最低的淬火性是必不可少的。
為了更有效地制造本發(fā)明的鋼軌，將下列一種或多種元素加入鋼中是必不可少的。
鉻0.05～1.50% 鉬0.05～0.20%釩0.03～0.10% 鎳0.10～1.00%鈮0.005～0.050%選用這些百分比的理由如下
具體來說，鉻改善淬火性能，因而為形成具有細珠光體組織的軌頭做好了準備。此外，鉻提高了珠光體組織在回火期間抗軟化的能力。因而更易于獲得高強度的細珠光體組織。在軌腰由貝氏體或馬氏體組織組成的地方，改進淬火性能可有效地抑制在珠光體鼻端向長時側移動時所必需的混合珠光體組織。因此，對改善鋼軌的淬火性能必不可少的0.05%的鉻定為下限。由于鉻高于1.50%時會降低鋼軌的焊接性能，所以1.50%定為上限。因而，鉻的加入量被限制在0.05%到1.50%之間。
與鉻一樣，鉬改善鋼的淬火性能和強度，原因是鉬提高珠光體組織高溫回火時的抗軟化性。因此，由于與鉻同樣的原因，鉬的含量受到限制。換句話說，對改善材料的淬火性能是必不可少的0.05%的鉬定為下限，而受材料焊接性能的限制，0.20%的鉬作為上限。
釩和鈮不僅能改善淬火性能，而且還能產生沉淀硬化，從而提高材料的強度。產生沉淀硬化的最小量是含釩0.03%和含鈮0.005%。釩和鈮達到飽和作用的含量是上限，即釩0.10%和鈮0.05%。
鎳對改善淬火性能、增加材料的硬度和韌性很有效。鎳少于0.10%時，淬火性能不好，而鎳多于1.00%時，鎳的作用便達到頂點。因此，鎳的含量確定為0.10%到1.00%之間。
為獲得本發(fā)明特有的金屬組織，在下列條件下對含有上述化學成份的鋼軌進行熱處理。
具體來說，利用軋制溫度，或如果需要建立一個保溫爐，或鋼軌軋制和冷卻后，再把鋼軌加熱到高于AC3點的溫度。鋼軌在高于AC3點冷卻。這樣，鐵軌的軌頭經過緩慢淬火形成具有高強度的細珠光體組織。軌腰快速淬火冷卻到比珠光體鼻端更短的時間側，改變冷卻條件以獲得期望的金屬組織。為得到貝氏體組織，鋼軌的恒定溫度要保持在高于Ms點和低于Bs點之間(對形成貝氏體組織必要的溫度上限)以充分地進行轉變。為了獲得馬氏體組織，將鋼軌以任意速度冷卻到接近于室溫。如果需要，還可使用多級淬火工藝。為了獲得貝氏體和馬氏體的混合組織，將鐵軌加熱到低于Ms點溫度，形成適量的馬氏體，將鐵軌加熱到高于Ms點低于Bs點之間的溫度，得到期望數量的貝氏體。由于形成的馬氏體量取決于溫度，在恒定溫度下，得到大量貝氏體，或者在Ms點淬火。得到大量馬氏體。
具有貝氏體組織和馬氏體組織或按上述方法形成的貝氏體和馬氏體的混合組織的軌腰經過轉變處理后接著連續(xù)回火?；蛘?，軌腰被冷卻到室溫，然后回火，以獲得高韌性的金屬組織。
當軌腰熱處理時，軌腰和軌底的連結部分會有類似于軌腰的組織，且必然地含有少于30%的珠光體組織。即使將軌頭和軌腰同時或單獨熱處理時，也可獲得理想的金屬組織。雖然對軌底的組織沒有限制，但最好軌腰和軌底具有相同的組織，通常是珠光體組織。
本發(fā)明鋼軌的制備方法可用于希望具有高韌性金屬組織的普通軌腰。
表Ⅰ列出本發(fā)明所使用的鋼的化學成份。

鋼A按如下1-3種方法制造1.本發(fā)明的鋼軌軌頭為具有高強度的細珠光體組織，軌腰為回火貝氏體組織，其制造方法如下以40℃/秒的速度將軌頭以高于AC3點的溫度冷卻到低于500℃。同時，軌腰以高于15℃/秒的速度急冷，當至少已有50%組織轉變?yōu)樨愂象w時，將溫度保持在300-450℃之間，再將軌腰以高于1℃/秒的速度加熱到600-700℃。退火的軌腰冷卻后，軌底自然冷卻。
2.用和方法1相同的處理可獲得軌頭為細珠光體組織和軌腰為回火馬氏體組織的鋼軌。將軌腰冷卻到低于Ms點的溫度(240℃)，在這一溫度(低于200℃)，50%以上的組織轉變?yōu)轳R氏體。如愿意，在剛好高于Ms點的溫度，冷卻就轉為弱冷卻以便有效地多級淬火。然后，再以1℃/秒的速度將軌腰連續(xù)地加熱到600-700℃，進行退火和冷卻。
軌底自然冷卻。
3.本發(fā)明的鋼軌其軌頭由細珠光體組織組成，軌腰由回火貝氏體和回火馬氏體的混合組織組成，制造方法如下將軌頭以2～10℃/秒的速度以高于AC3點的溫度冷卻到500℃以下。同時，軌腰以高于15℃/秒的冷卻速度淬火，然后在250-450℃保溫。當有30%以上的組織轉變?yōu)樨愂象w組織后，將軌腰冷卻到低于Ms點的溫度，這樣就實現了馬氏體轉變。另一方面，軌腰可急冷到某一溫度(200-100℃)，在這一點有多于30%的組織轉變?yōu)轳R氏體組織。此后，將軌腰連續(xù)加熱到300-450℃且在這一點保溫以完成貝氏體轉變。當形成貝氏體和馬氏體的混合組織后，將軌腰連續(xù)加熱到600-700℃，進行回火，然后冷卻，軌底自然冷卻。
在表Ⅰ表示的B-D鋼種中加入了鉻、鉬、釩、鎳和鈮，由于改善了淬火性能，從而能夠緩慢地使軌頭淬火并且降低軌腰淬火時的冷卻速度。此外，如上所述強度也可提高。
在對由方法1至3中任一個方法制造出的具有A鋼種成份的橫截面為136RE的鋼軌進行熱處理后，鋼軌阻止失穩(wěn)破壞性裂紋擴展的能力由方法(Ⅰ)和(Ⅱ)來估價。
(Ⅰ)鋼軌的彎曲試驗是用切口做出的，如圖2和3所示，在軌頭12的橫向鋸出一個切口16，切口深為30mm，寬為3mm，試驗用的鋼軌長為1.5m。然后，將鋼軌放到間隔為1000mm的支持座上，軌頭12軌面朝下，切口位于兩支持座的中間。然后將靜彎曲力施加于鋼軌上，以在切口16處產生和擴展失穩(wěn)破壞性裂紋。阻止擴展性能由鋼軌是否斷裂而評價，沒斷裂的鋼軌就判定為具有阻止擴展的性能。
(Ⅱ)軌腰水平斷裂的處理方法。
為了評價軌腰阻止水平裂紋的性能，在圖5所示的一段鋼軌中切出如圖4所示的試樣7。為得到Ka值，這一試驗是根據ASTM(美國標準實驗方法)的阻止裂紋及韌性檢驗方法而進行的，這一試驗應用的加載試驗機示于圖6。試樣7被固定于底板6上，包含一個分開的插頭9a的楔塊9被插進試樣7的開孔8。
試樣7的厚度為16mm，寬為128mm，與開孔8連通的切口4寬度為10mm，切口4的長度包括開孔8為45mm，開孔8的直徑為25.5mm。
當從軌腰水平斷裂試驗得到的Ka值(裂紋阻止韌性值)大于200Kg/mm3/2時，可斷定試樣具有阻止失穩(wěn)破壞性裂紋擴展特性。
本發(fā)明鋼軌和現有技術的鋼軌的試驗結果列于表2。此表表明本發(fā)明的鐵軌比現有技術的耐磨鋼軌具有更好的阻止失穩(wěn)破壞性裂紋擴展特性。

附注1.P珠光體組織f·P細珠光體組織T·B回火貝氏體組織T·M回火馬氏體組織T·BM回火貝氏體-馬氏體組織某些軌腰金屬組織含珠光體組織少于30%。
2.軌腰的回火溫度是650℃如上所述，根據本發(fā)明，在具有高強度和耐磨性的細珠光體組織的鋼軌中，軌腰具有防止失穩(wěn)破壞性裂紋從軌頭到軌腰的擴展和通過軌腰沿水平方向的失穩(wěn)斷裂擴展的能力，從而防止了這種鋼軌的破裂或重大損傷。
文件名稱 頁 行 補正前 補正后說明書 7 4 Si-Mo Cr-Mo8 3 40℃/秒 2°-10℃/秒
權利要求
1.一種耐磨鋼軌，其特征為含碳0.50～0.85%(重量百分比)，含硅0.10～1.0%(重量百分比)，含錳0.50～1.50%(重量百分比)，含磷少于0.035%(重量百分比)，含硫少于0.035%(重量百分比)，含鋁少于0.050%(重量百分比)，其余為鐵和不可避免的雜質，所述鋼軌的軌腰為高韌性的回火貝氏體組織，所述鋼軌的軌頭是高強度的細珠光體組織。并且所述鋼軌具有防止失穩(wěn)破壞性裂紋擴展的能力。
2.根據權利要求
1所述的這種鋼軌，其特征為含有如下一種或幾種元素含鉻0.05～1.50%(重量百分比)，含鉬0.05～0.20%(重量百分比)，含釩0.03～0.10%(重量百分比)，含鎳0.10～1.00%(重量百分比)和含鈮0.005～0.050%(重量百分比)。
3.根據權利要求
1所述的這種鋼軌，其特征為所述軌腰是具有韌性的回火馬氏體組織。
4.根據權利要求
3所述的這種鋼軌，其特征為含有如下一種或幾種元素含鉻0.05～1.50%(重量百分比)，含鉬0.05～0.20%(重量百分比)含釩0.03～0.10%(重量百分比)，含鎳0.10～1.00%(重量百分比)，含鈮0.005～0.050%(重量百分比)。
5.根據權利要求
1所述的這種鋼軌，其特征為所述的軌腰是具有高韌性的回火貝氏體和馬氏體混合組織。
6.根據權利要求
5所述的這種鋼軌，其特征為含有如下一種或幾種元素含鉻0.05～1.50%(重量百分比)，含鉬0.05～0.20%(重量百分比)，含釩0.03～0.10%(重量百分比)，含鎳0.10～1.00%(重量百分比)和含鈮0.005～0.050%(重量百分比)。
專利摘要
鋼軌成分為含碳0.50～0.85％(重量百分比)，(以下僅用％表示)，含硅0.10～1.0％，含錳0.50～1.50％，含磷小于0.035％，含硫小于0.035％，含鋁0.050％，余量為鐵和不可避免的雜質。軌腰組織為高韌性回火貝氏體組織或貝氏體和馬氏體的混合組織。鋼軌還可以含有如下一種或幾種元素含鉻0.05～1.50％，含鉬0.05～0.20％，含釩0.03～0.10％，含鎳0.10～1.00％和含鈮0.005～0.050％。
文檔編號C22C38/04GK86106894SQ86106894
公開日1987年4月29日 申請日期1986年10月23日
發(fā)明者福田耕三, 和田典巳, 永橋新一, 齋藤義郎, 上田正博, 田中稔 申請人:日本鋼管株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan