专利名称：具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢的制作方法
具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢本发明涉及具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合的钢轨钢，这对于常 规和重运载量的轨道是需要的。火车速度和运载的提高使轨道的运输更高效。然而，该提高也意味着钢轨的更艰 巨的运行条件，且需要改善钢轨材料的性能以使其对于所施加的提高的应力和应力循环具 有更高的耐受性和抵抗性。在具有高交通密度和较高比例的货物运输中，在张紧的弯曲件 (curves)中磨损的提高是特别严重的，且轨道的使用寿命的降低可能成为重要且不期望 的。然而，近年来由于用于进一步强化轨道的热处理技术的改进和使用共析碳钢且具有良 好珠光体组织的高强度钢轨的开发，因此钢轨的使用寿命已得到显著改善。在有轨车道的直的和轻度弯曲的部件(其中需要较低的磨损抵抗性)中，轮子与 钢轨之间的重复接触可能导致在轨头表面上的滚动接触疲劳(RCF)失效。这些失效是由始 于轨头表面的顶部平面的疲劳裂纹扩展到其内部引起的。称作“粗短(squat)”或“暗点” 的失效主要(但非排它地)出现在高速有轨车道的切线轨迹中，且归因于轨头表面中心上 的损伤累积，所述损伤是由轮子与钢轨之间重复的接触造成的。这些失效可以通过以给定的间隔研磨轨头表面来消除。然而，研磨车和操作的成 本是高的，且研磨时间受到火车运行时间表的限制。另一解决方案是增加轨头表面的磨损速率以便在缺陷出现前使累积的损伤耗尽。 钢轨的磨损速率可通过降低其硬度来增加，因为其磨损抵抗性取决于钢的硬度。然而，钢硬 度的简单降低在轨头表面上引起塑性变形，进而引起优化外形的损失以及滚动接触疲劳裂 纹的出现。具有贝氏体组织的钢轨比具有珠光体组织的钢轨磨损掉得更多，因为它们由软铁 素体基体中的细分散碳化物颗粒构成。轮子在贝氏体组织的钢轨上方运行，因此导致碳化 物易于和铁素体基体磨损掉。如此加速的磨损从轨头的轨头表面移除了疲劳损伤层。铁素 体基体的低强度可通过添加较高百分比的铬或其它合金化元素来抵消以提供滚动状态所 需要的高强度。然而，增加的合金添加物不仅是昂贵的，还可在钢轨之间的焊接接头中形成 坚硬而脆性的组织。这些贝氏体钢似乎更易于应力腐蚀开裂且需要对残余应力的更严格控 制。另外，贝氏体钢的铝热和闪光对焊的性能应当得到改进。具有珠光体组织的钢轨包含软铁素体和硬渗碳体层的结合。在与轮子接触的轨头 表面上，软铁素体被挤出从而只留下硬渗碳层。该渗碳体和加工硬化效应提供了钢轨所需 的磨损抵抗性。这些珠光体钢的强度是通过合金化添加剂、加速冷却或其组合获得的。利 用这些方法，减少了珠光体的层内间距。钢的硬度增加导致了磨损抵抗性的增加。然而，在 约360HB或更高的硬度值下，磨损速率如此之小使得硬度的进一步增加不产生显著不同的 磨损速率。然而，随着将硬度增加到 400HB (通常将其视为具有完全珠光体显微组织的共 析和亚共析钢的硬度上限)，观察到了在滚动接触疲劳抵抗性方面的改善。然而，在实际条件下，这些高强度珠光体钢的RCF抵抗性还需要进一步改善以便 延迟滚动接触疲劳裂纹的产生，从而延长钢轨研磨作业之间的间隔。因此，本发明的目的是提供一种高强度钢轨，其抵抗滚动接触，同时保持现有的热处理钢轨的优异磨损抵抗性。 使用高强度珠光体钢轨钢实现了本发明的目的，所述钢具有疲劳性能和滚动接触 疲劳抵抗性的优异结合，其含有(以重量％计)0. 88-0. 95%碳，
0. 75% -0. 95%硅，
0. 80% -0. 95%猛，
0. 05% -0. 14%钒，
至多0. 008%氮，
至多0. 030%磷，
0. 008% -0. 030%硫，
至多2. 5ppm氢，
至多0. 10%铬，
至多0.010%铝，
至多20ppm氧，
余量由铁和不可避免的杂质构成。
根据本发明的钢的化学组成相对于常规亚共析和过共析珠光体钢展示了很好的耐磨性能。本发明人已发现，平衡的化学组成产生了很耐磨损的珠光体，该珠光体包含很细
分散的钒的碳氮化物。而且，RCF抵抗性显著高于相当的常规钢的RCF抵抗性。很多因素 一起导致了该改善。首先，移动到铁碳相图的过共析区域增加了显微组织中硬渗碳体的体 积分数。然而，在钢轨所经历的相对缓慢的冷却下，这样高浓度的碳可导致在晶界处的脆化 渗碳体的有害网络。已设计了向组合物中有意添加较大量的硅和钒来抑制晶界渗碳体。这 些添加物还具有第二(且同样重要的)功能。硅是固溶增强体，且其增加了珠光体型铁素 体的强度，该珠光体型铁素体提高了珠光体对RCF产生的抵抗性。类似地，珠光体型铁素体 中细的钒的碳氮化物的析出增加了其强度，从而增加了该组合的珠光体显微组织的RCF抵 抗性。该组成设计的另一特点是限制氮含量从而防止氮化钒的过早且粗的析出物，因为它 们对于提高珠光体型铁素体的强度并不是有效的。这保证了钒添加物保持在奥氏体的溶体 中从而降低温度，因此导致较细的析出物。溶体中的钒也可用作淬透性试剂来细化珠光体 间距。因而，在该实施方案所述的组成的具体设计利用了单个元素的不同属性来制备具有 磨损和RCF抵抗性的高度所需的结合的显微组织。因此，可以在较低的硬度值下实现提高 的RCF和磨损抵抗性。由于较高硬度通常与钢轨中的较高残余应力有关，因此较低硬度意 味着使在根据发明的钢轨中的这些残余应力降低，这对于降低疲劳裂纹的增长速度是特别 有利的。根据本发明的钢的机械性能与常规号350HT是相似的，该常规号350HT通常用于 张紧的弯曲件和高度扭曲的弯曲件的低钢轨上。可通过使钢轨在热轧或热处理后经受加速 冷却来获得进一步的改进。在本发明的一个实施方案中，氮的最低量为0.003%。发现合适的最大氮含量为 0. 007%。取决于钢中存在的氮和温度，钒形成钒的碳化物或钒的氮化物。理论上，析出物 的存在提高了钢的强度和硬度，但当析出物在高温下析出到粗颗粒时，析出物的作用降低。 如果氮含量过高，则在高温下更趋于形成钒的氮化物而非较低温度下细的钒的碳化物。发明人发现，当氮含量少于0. 007%时，不期望的钒氮化物的量少于期望的钒的碳化物的量， 换言之，不能观察到存在钒的氮化物的不利影响，同时存在细分散的钒的碳化物的有益效 应是强的。0. 003%的最少量氮是通过确保仅极少部分在较高温下束缚于相对粗的氮化钒 析出物来使昂贵的钒添加的作用最大化的实际下限。氮的合适最大值为0. 006%或甚至 0. 005%。在本发明的一个实施方案中，最小量的钒是0.08%。发现合适的最大含量为 0. 13%。优选地，钒为至少0. 08%和/或至多0. 12%。为了提供细分布的钒的碳氮化物， 发明人发现约0. 10%量的钒是优化且优选的。随着量的增加，有益效果降低，且变为在经济 上不受欢迎。碳是在钢轨钢中最成本有效的强化合金化元素。发现合适的最低碳含量为 0.90%。优选的碳范围是0.90%-0.95%。该范围提供了在硬渗碳体的体积分数和防止晶 界处脆化渗碳体的有害网络析出之间的优化平衡。碳还是有利于较低转变温度且因此有利 于较细的层内间距的有效淬硬性试剂。高体积分数的硬渗碳体和细的层内间距提供了磨损 抵抗性，且有利于在本发明的实施方案中所包含组合物的提高的RCF抵抗性。在0. 75-0. 95%范围内，硅通过在珠光体组织中固溶硬化铁素体改善了强度。发现 0. 75-0. 95%的硅含量在钢轨的延展性和韧性以及可焊性方面提供了良好的平衡。在较高 数值下，延展性和韧性快速下降，在较低数值下，钢的磨损尤其是RCF抵抗性迅速降低。硅 在推荐的水平下还提供了对于在晶界处的脆化渗碳体任何有害网络的有效防护。优选地， 最低硅含量是0. 82%。0. 82-0. 92的范围证明在钢轨的延展性和韧性以及可焊性方面提供 了良好的平衡。锰是对于通过改善珠光体的淬硬性提高强度的有效元素。其主要目的是降低珠光 体转变温度。如果其含量少于0. 80%，则发现在选择的碳含量下锰的作用不足以实现所需 的淬硬性，并且在高于0. 95%水平下，存在提高的马氏体形成的风险(这是因为锰偏析)。 高含量的锰使焊接操作更加困难。在优选实施方案中，锰含量为至多0. 90%。优选地，钢中 的磷含量为至多0. 015%。优选地，铝含量是至多0. 006%。硫数值必须在0. 008和0. 030%之间。最小硫含量的原因是，它形成MnS夹杂物， 该夹杂物充当用于可能存在于钢中的任何残余氢的吸收体(sink)。钢轨中的任何氢可导致 所谓的发裂(shatter crack)，这些发裂是具有尖锐面的小裂纹，在来自轮子的高应力下， 这些尖锐面可在轨头产生疲劳裂纹(称作椭圆瑕疵(tache oval))。添加至少0.008%的 硫抑制了氢的有害影响。选择0. 030%的最高数值以避免组织的脆化。优选地，最大值是至 多0. 020 %。在优选实施方案中，根据本发明的钢由以下组成0. 90%-0. 95%碳，0. 82%-0. 92%硅，0. 80% -0. 950. 08%-0. 12%钒，0. 003-0. 007%氮，至多0.015%磷，0. 008-0. 030%硫至多2ppm 氢
5
至多0.10%铬至多0.004% 铝至多20ppm 氧余量由铁和不可避免的杂质构成，且具有珠光体组织使用实验室双盘设备测量了 RCF和磨损抵抗性，该双盘设备与R. I. Carro 11， Rolling Contact Fatigue and surface metallurgy of rail, PhD Thesis, Department of Engineering Materials, University ofSheff ield，2005 所述的设备相似。当轮子在 钢轨上滚动和滑动时，该装置模拟了产生的力。用于这些试验中的轮子是R8T轮子，其是标 准的英式(British)轮子。这些评价不是正式的钢轨量化工序的一部分，但发现其提供了 作为不同钢轨钢组合物的相对使用性能的良好指示。用于耐磨试验的试验条件包括使用 750MPa的接触应力、25%滑行且无润滑剂，而用于RCF的试验条件利用了 900MPa的较高接 触应力、5 %滑行和水润滑剂。本发明已展现，其滚动接触疲劳抵抗性显著高于常规热处理的钢轨。在滚动状态 条件下，与具有370HB (80000循环)硬度的珠光体钢轨相比，其在到裂纹产生的循环数方面 展现出超过62%的提高(130000循环)。本发明的热处理将其RCF抵抗性进一步提高到 160000 循环。在本发明的实施方案中，提供了一种珠光体钢轨，其在水润滑的双盘试验条件下 具有到产生至少为130000循环的RCF抵抗性。如上所述，这些数值是在滚动和滑动条件下 的。在本发明的实施方案中，提供了一种珠光体钢轨，当如上所述进行试验时，其具有 与热处理的现有钢轨钢相当的磨损抵抗性，优选地，其中在320-350HB硬度下磨损为低于 40mg/m滑行，或在高于350HB的硬度下，为低于20mg/m，优选低于10mg/m滑行。本发明展现出，在双盘试验期间，其磨损抵抗性不如最硬的现有热处理的钢轨有 效。在滚动状态条件下，钢轨的磨损抵抗性大于具有370HB的较高硬度的常规热处理的钢 轨。在热处理的条件下，钢轨具有很低的磨损速率，与具有400HB硬度的常规钢轨类似。不可避免的杂质的最大推荐水平基于Ε^3674-1 :2003，根据它，最大极限为Mo 0. 02%,Ni 0. 10%, Sn-0. 03%, Sb-0. 020%、Ti_0. 025%、Nb_0. 01%。根据一些非限定性的实施例，制备了两个铸件A和B并浇铸成铸锭，所述铸件在选 定的合金化元素方面具有设定的变化。在表1中给出了这些实施例的化学组成。表Ia 以Wt %计的化学组成，
权利要求
一种高强度珠光体钢的钢轨，其具有耐磨性能和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合，其中所述钢由以下组成0.88 0.95％碳、0.75％ 0.95％硅、0.80％ 0.95％锰、0.05％ 0.14％钒、至多0.008％氮、至多0.030％磷、0.008％ 0.030％硫、至多2.5ppm氢、至多0.10％铬、至多0.010％铝、至多20ppm氧、余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的珠光体钢轨，其中碳为至少0.90%。
3.根据权利要求1或2所述的珠光体钢轨，其中氮为至少0.003%，或其中氮为至多 0. 007%。
4.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，其中氮为至多0.005%。
5.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，其中钒为至少0.08%和/或至多 0. 12%。
6.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，由以下组成0.90% -0.95%碳、 0. 82% -0. 92%硅、0. 80% -0. 95%猛、0. 08% -0. 12%钒、0. 003-0. 007%氮、至多 0. 015% 磷、0. 008-0. 030%硫、至多2ppm氢、至多0. 10%铬、至多0. 004%铝、至多20ppm氧、余量由 铁和不可避免的杂质组成。
7.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，其中锰为至多0.90%。
8.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，其在水润滑的双盘试验条件下具有到产 生为至少130000循环的RCF抵抗性。
9.根据任一前述权利要求所述的珠光体钢轨，其具有与经热处理的现有钢轨钢相当的 磨损抵抗性，优选地，其中在320-350HB硬度下磨损为低于40mg/m滑行，或在高于350HB的 硬度下，低于20mg/m，优选为低于10mg/m滑行。
全文摘要
本发明涉及高强度珠光体钢的钢轨，其具有耐磨性和滚动接触疲劳抵抗性的优异结合，其中该钢由以下组成0.88-0.95％碳，0.75％-0.92％硅，0.80％-0.95％锰，0.05％-0.14％钒，至多0.008％氮，至多0.030％磷，0.008％-0.030％硫，至多2.5ppm氢，至多0.10％铬，至多0.010％铝，至多20ppm氧，余量为铁和不可避免的杂质。
文档编号C22C38/12GK101946019SQ200980105903
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月23日 优先权日2008年2月22日
发明者H·M·史密斯, R·卡洛尔, S·加斯沃尔 申请人:克里斯英国有限公司