CN1012906B - 能够防止失稳断裂扩展的耐磨钢轨 - Google Patents

Abstract

钢轨成份为含碳0.50～0.85%(重量百分比)，(以下仅用%表示)，含硅0.10～1.0%，含锰0.50～1.50%，含磷小于0.035%，含硫小于00.35%，含铝0.050%，余量为铁和不可避免的杂质。轨腰组织为高韧性回火贝氏体组织或贝氏体和马氏体的混合组织。钢轨还可以含有如下一种或几种元素：含铬0.05～1.50%，含钼0.05～0.20%，含钒0.03～0.10%，含镍0.10～1.00%和含铌0.005～0.050%。

Description

本发明涉及一种在铁路转弯部分使用的高强度耐磨钢轨，特别是一种能够防止失稳断裂扩展的高质量耐磨钢轨。

钢轨断裂常常引起严重的交通事故。引起断裂的原因其中有：由于钢轨与车轮接触造成的剪切损伤、钢轨接头裂纹，刹车在钢轨上引起的裂纹、大的氧化物和深度表面缺陷。当钢轨使用时间过长时，由于疲劳，在钢轨各个部分存在的各种裂纹导致了横向或纵向缺陷。这种缺陷随着时间的延长而扩展。最终，达到特定的断裂韧性值（例如：由ASTM（即美国标准实验方法）E399所规定的K_IC值）。结果，产生迅速的失稳断裂，从而钢轨裂断。在造成大量伤亡的脱轨事故中，当检查含有在气体切割时产生裂纹的耐磨合金钢钢轨的端部时，发现由于车轮引起的冲击负荷所导致的失稳断裂扩展，如图5所示，在钢轨10的轨腰11上沿纵向超过10米。这样的裂纹向轨头12或轨底13扩展，从而导致了意外的断裂。

用于防止这些缺陷的现有技术耐磨钢轨中，与车轮接触的轨头12的耐磨性是由具有比普通钢轨有更高强度的细珠光体组织来实现的。

虽然这种细珠光体组织具有极好的耐磨性，但是它很脆，所以它阻止产生失稳断裂的可能性小。为此，当使用这种钢轨时，必需时时防止表面缺陷和内部缺陷在这种缺陷有可能产生的部分形成，在失稳断裂发生前，必需用超声波探伤器定期地检查这种缺陷，以发现并除掉缺陷部分。

虽然采取了各种措施，例如：增加对由疲劳引起的失稳断裂的抗力，对特殊部位产生的缺陷（如：轨腰和轨底）的抗力、以及增加探测缺陷的成功率，但这些措施不总是有效的。在任何情况下，都必需时时注意缺陷的形成和失稳破坏性裂纹的扩展。否则这种缺陷的产生及其扩展是不可避免的。

因此，本发明的目的之一是提供一种能够防止失稳裂纹扩展的耐磨钢轨。

本发明的更为具体的目的是提供一种具有高耐磨性和高强度的细珠光体组织的，并能用于铁路转弯处的钢轨。

本发明的另一目的是提供一种能够防止疲劳裂 纹向轨头和轨腰扩展的钢轨，从而防止重大事故发生。

按照本发明，提供的耐磨钢轨含碳0.50～0.85%（重量百分比），含硅0.10～1.0%（重量百分比），含锰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），含铝0.050%（重量百分比），其余为铁和杂质，钢轨的轨腰为回火贝式体组织并具有高韧性，钢轨的轨头为高强度的细珠光体组织。

由于含碳量高于0.50%（重量百分比），所以具有耐磨性。当硅含量增加到0.10%（重量百分比）以上时和锰含量增加到0.50%（重量百分比）以上时，能够改善强度。当选用的含碳量低于0.85%（重量百分比）和选用的含硅量低于1.00%（重量百分比）时，能够防止降低塑性。当选用的磷和硫含量分别为0.03%（重量百分比）时，能够防止塑性和韧性变差。当选用的锰含量低于1.50%（重量百分比）时，能避免可焊性变差。此外，当选用的铝低于0.050%（重量百分比）时，能防止耐疲劳性变差。

轨腰为高韧性的回火贝氏体组织或回火马氏体组织或回火贝氏体-马氏体混合组织的地方，能够有效地防止失稳断裂的扩展。另外，由于轨头有高强度的细珠光体组织，能够增加钢轨的耐磨性。

在附图中：

图1为钢轨的横断面视图;

图2是带有切口的钢轨弯曲试验试样的透视图;

图3为沿着切口所取钢轨的局部断面视图;

图4为示出水平断裂试验试样的轨腰侧视图;

图5是钢轨的透视图，显示了试验试样从中取出的部分;

图6为示出轨腰水平断裂试验方法的透视图。

现已发现，由于疲劳引起的轨头或轨腰上的水平裂纹扩展能造成重大事故。特别是轨腰产生的裂纹向轨头和轨底扩展并造成重大事故，例如：轨头折断。所以，给予轨腰一种能够阻止失稳破坏性裂纹高速扩展的能力是很重要的。为了给予轨腰一种能够阻止失稳破坏性裂纹高速扩展的能力，我们已通过各种改变钢轨的成份和组织的办法进行了很多研究并发现金属组织，特别是由回火贝氏体组织，回火马氏体组织以及它们的混合组织构成的金属组织表现出极好的这种能力，还发现耐磨钢轨的轨腰采用这些组织比珠光体组织或回火珠光体组织要好的多。我们准备的试验钢轨，其轨头由具有高强度的细珠光体组织组成，其轨腰由回火贝氏体组织或回火马氏体组织或混合的回火贝氏体和回火马氏体组织组成，旨在进行钢轨断裂试验。试验的结果表明，这些试验钢轨阻止失稳破坏性裂纹扩展的能力得到显著改善，从而防止了钢轨破裂或断裂。

限制钢轨化学成份的理由如下：

为了获得耐磨性，碳是必不可少的元素。因为含碳量低于0.50%（重量百分比）（以下仅用%表示），磨损是很严重的，所以不可能获得实用的耐磨钢。另一方面，因为碳高于0.85%，在金属组织中最初就形成沉淀渗碳体，于是塑性变差。由于这个原因，所以碳的范围限制在0.50%～0.85%之间。

使用硅的目的是为了脱氧和改善强度。因此，对于镇静钢，作为脱氧元素的硅，其含量必须至少是0.10%。虽然大量的硅能改善强度，但是硅含量高于1.00%将降低塑性。因此1.00%是上限。

锰是改善强度必不可少的。锰含量低于0.50%，改善强度的效果小，而锰含量高于1.50%可使可焊性显著变差。因此，锰的范围应限制在0.50%～1.50%之间。

磷和硫是杂质元素。当它们的含量超过0.035%，塑性和韧性都是变差。因此，磷和硫的上限均是0.035%。铝用于与硅结合作为脱氧元素。因为铝高于0.050%，不仅生成大量的Al₂O₃而且疲劳性能变差，所以铝的上限是0.050%。对于本发明的钢轨，必需把上面所描述的结合起来考虑，以上描述的元素对于在钢轨的轨头形成高强度细珠光体组织是重要的，此外，这些元素对保证轨腰的最低的淬火性是必不可少的。

为了更有效地制造本发明的钢轨，将下列一种或多种元素加入钢中是必不可少的。

铬：0.05～1.50%    钼：0.05～0.20%

钒：0.03～0.10%    镍：0.10～1.00%

铌：0.005～0.050%

选用这些百分比的理由如下：

具体来说，铬改善淬火性能，因而为形成具有细珠光体组织的轨头做好了准备。此外，铬提高了珠光体组织在回火期间抗软化的能力。因而更易于获得高强度的细珠光体组织。在轨腰由贝氏体或马氏体组织组成的地方，改进淬火性能可有效地抑制在珠光体鼻端向长时侧移动时所必需的混合珠光体组织。因此，对改善钢轨的淬火性能必不可少的0.05%的铬 定为下限。由于铬高于1.50%时会降低钢轨的焊接性能，所以1.50%定为上限。因而，铬的加入量被限制在0.05%到1.50%之间。

与铬一样，钼改善钢的淬火性能和强度，原因是钼提高珠光体组织高温回火时的抗软化性。因此，由于与铬同样的原因，钼的含量受到限制。换句话说，对改善材料的淬火性能是必不可少的0.05%的钼定为下限，而受材料焊接性能的限制，0.20%的钼作为上限。

钒和铌不仅能改善淬火性能，而且还能产生沉淀硬化，从而提高材料的强度。产生沉淀硬化的最小量是含钒0.03%和含铌0.005%。钒和铌达到饱和作用的含量是上限，即钒：0.10%和铌：0.05%。

镍对改善淬火性能、增加材料的硬度和韧性很有效。镍少于0.10%时，淬火性能不好，而镍多于1.00%时，镍的作用便达到顶点。因此，镍的含量确定为0.10%到1.00%之间。

为获得本发明特有的金属组织，在下列条件下对含有上述化学成份的钢轨进行热处理。

具体来说，利用轧制温度，或如果需要建立一个保温炉，或钢轨轧制和冷却后，再把钢轨加热到高于AC₃点的温度。钢轨在高于AC₃点冷却。这样，铁轨的轨头经过缓慢淬火形成具有高强度的细珠光体组织。轨腰快速淬火冷却到比珠光体鼻端更短的时间侧，改变冷却条件以获得期望的金属组织。为得到贝氏体组织，钢轨的恒定温度要保持在高于Ms点和低于Bs点之间（对形成贝氏体组织必要的温度上限）以充分地进行改变。为了获得马氏体组织，将钢轨以任意速度冷却到接近于室温。如果需要，还可使用多级淬火工艺。为了获得贝氏体和马氏体的混合组织，将铁轨加热到低于Ms点温度，形成适量的马氏体，将铁轨加热到高于Ms点低于Bs点之间的温度，得到期望数量的贝氏体。由于形成的马氏体量取决于温度，在恒定温度下，得到大量贝氏体，或者在Ms点淬火。得到大量马氏体。

具有贝氏体组织和马氏体组织或按上述方法形成的贝氏体和马氏体的混合组织的轨腰经过转变处理后接着连续回火。或者，轨腰被冷却到室温，然后回火，以获得高韧性的金属组织。

当轨腰热处理时，轨腰和轨底的连结部分会有类似于轨腰的组织，且必然地含有少于30%的珠光体组织。即使将轨头和轨腰同时或单独热处理时，也可获得理想的金属组织。虽然对轨底的组织没有限制。但最好轨腰和轨底具有相同的组织，通常是珠光体组织。

本发明钢轨的制备方法可用于希望具有高韧性金属组织的普通轨腰。

表Ⅰ列出本发明所使用的钢的化学成份。

钢A按如下1-3种方法制造

1.本发明的钢轨轨头为具有高强度的细珠光体组织，轨腰为回火贝氏体组织，其制造方法如下：以2°～10℃/秒的速度将轨头以高于AC₃点的温度冷却到低于500℃。同时，轨腰以高于15℃/秒的速度急冷，当至少已有50%组织转变为贝氏体时，将温度保持在300-450℃之间，再将轨腰以高于1℃/秒的速度加热到600-700℃。退火的轨腰冷却后，轨底自然冷却。

2.用和方法1相同的处理可获得轨头为细珠光体组织和轨腰为回火马氏体组织的钢轨。将轨腰冷却到低于Ms点的温度（240℃），在这一温度（低于200℃），50%以上的组织转变为马氏体。如愿意，在刚好高于Ms点的温度，冷却就转为弱冷却以便有效地多级淬火。然后，再以1℃/秒的速度将轨腰连续地加热到600-700℃，进行退火和冷却。

轨底自然冷却。

3.本发明的钢轨其轨头由细珠光体组织组成，轨腰由回火贝氏体和回火马氏体的混合组织组成，制造方法如下：将轨头以2～10℃/秒的速度以高于AC₃点的温度冷却到500℃以下。同时，轨腰以高于15℃/秒的冷却速度淬火，然后在250-450℃保温。当有30%以上的组织转变为贝氏体组织后，将轨腰冷却到低于Ms点的温度，这样就实现了马氏体转变。另一方面，轨腰可急冷到某一温度（200-100℃），在这一点有多于30%的组织转变为马氏体组织。此后，将轨腰连续加热到300-450℃且在这一点保温以完成贝氏体转变。当形成贝氏体和马氏体的混合组织后，将轨腰连续加热到600-700℃，进行回火，然后冷却，轨底自然冷却。

在表Ⅰ表示的B-D钢种中加入了铬、钼、钒、镍和铌，由于改善了淬火性能，从而能够缓慢地使轨头淬火并且降低轨腰淬火时的冷却速度。此外，如上所述强度也可提高。

在对由方法1至3中任一个方法制造出的具有A钢种成份的横截面为136RE的钢轨进行热处理后， 钢轨阻止失稳破坏性裂纹扩展的能力由方法（Ⅰ）和（Ⅱ）来估价。

（Ⅰ）钢轨的弯曲试验是用切口做出的，如图2和3所示，在轨头12的横向锯出一个切口16，切口深为30mm，宽为3mm，试验用的钢轨长为1.5m。然后，将钢轨放到间隔为1000mm的支持座上，轨头12轨面朝下，切口位于两支持座的中间。然后将静弯曲力施加于钢轨上，以在切口16处产生和扩展失稳破坏性裂纹。阻止扩展性能由钢轨是否断裂而评价，没断裂的钢轨就判定为具有阻止扩展的性能。

（Ⅱ）轨腰水平断裂的处理方法。

为了评价轨腰阻止水平裂纹的性能，在图5所示的一段钢轨中切出如图4所示的试样7。为得到Ka值，这一试验是根据ASTM（美国标准实验方法）的阻止裂纹及韧性检验方法而进行的，这一试验应用的加载试验机示于图6。试样7被固定于底板6上，包含一个分开的插头9a的楔块9被插进试样7的开孔8。

试样7的厚度为16mm，宽为128mm，与开孔8连通的切口4宽度为10mm，切口4的长度包括开孔8为45mm，开孔8的直径为25.5mm。

当从轨腰水平断裂试验得到的Ka值（裂纹阻止韧性值）大于200kg/mm^3/2时，可断定试样具有阻止失稳破坏性裂纹扩展特性。

本发明钢轨和现有技术的钢轨的试验结果列于表2。此表表明本发明的铁轨比现有技术的耐磨钢轨具有更好的阻止失稳裂纹扩展特性。

附注

1.P：珠光体组织

f.P：细珠光体组织

T·B：回火贝氏体组织

T·M：回火马氏体组织

T·BM：回火贝氏体-马氏体组织

某些轨腰金属组织含珠光体组织少于30%。

2.轨腰的回火温度是650℃

如上所述，根据本发明，在具有高强度和耐磨性的细珠光体组织的钢轨中，轨腰具有防止失稳破坏性裂纹从轨头到轨腰的扩展和通过轨腰沿水平方向的失稳断裂扩展的能力，从而防止了这种钢轨的破裂或重大损伤。

表Ⅰ

钢种代号    钢种类型    C    Si    Mn    P    S    Al    其它

A    Si-Mn    0.75    0.27    0.89    0.017    0.010    0.007    -    -

B    Si-Cr-V    0.78    0.51    0.83    0.020    0.008    0.003    0.43    0.05

（Cr）    （V）

C    Cr-Mo    0.70    0.25    1.01    0.013    0.005    0.020    0.60    0.10

（Cr）    （Mo）

D    Ni-Nb    0.65    0.24    1.10    0.010    0.011    0.010    0.52    0.019

（Ni）    （Nb）

表2

Claims (6)

1、一种耐磨钢轨，包括轨头，轨底以及将它们连接在一起的轨腰，按重量百分比计算，所述钢轨含碳0.50～0.85%，含硅0.10～1.0%，含锰0.50～1.50%，含磷少于0.035%，含硫少于0.035%，含铝少于0.050%。其余为铁和不可避免的杂质，所述钢轨的轨腰为高韧性的回火贝氏体组织，所述钢轨的轨头为高强度的细珠光体组织，所述钢轨的轨底的组织可从下述组织中选择：(1)回火贝氏体组织，(2)回火贝氏体和马氏体混合组织和(3)珠光体组织，所述钢轨具有防止失稳破坏性裂纹扩展的特点。

2、根据权利要求1所述的这种钢轨，其中按重量百分比计算含有如下一种或几种元素：含铬0.05～1.50%，含钼0.05～0.20%，含钒0.03～0.10%，含镍0.10～1.00%和含铌0.005～0.050%。

3、一种耐磨钢轨，包括轨头，轨底以及将它们连接在一起的轨腰，按重量百分比计算，所述钢轨含碳0.50～0.85%，含硅0.10～1.0%，含锰0.50～1.50%，含磷少于0.035%，含硫少于0.035%，含铝少于0.050%，其余为铁和不可避免的杂质，所述钢轨的轨腰为高韧性的回火马氏体组织，所述钢轨的轨头为高强度的细珠光体组织，所述钢轨的轨底的组织可从下述组织中选择：（1）回火贝氏体组织，（2）回火贝氏体和马氏体混合组织（3）珠光体组织，所述钢轨具有防止失稳破坏性裂纹扩展的特点。

4、根据权利要求3所述的这种钢轨，其中按重量百分比计算含有如下一种或几种元素：含铬0.05～1.50%，含钼0.05～0.20%，含钒0.03～0.10%，含镍0.10～1.00%，含铌0.005～0.050%。

5、一种耐磨钢轨，包括轨头、轨底以及将它们连接在一起的轨腰，按重量百分比计算，所述钢轨含碳0.50～0.85%，含硅0.10～1.0%，含锰0.50～1.50%，含磷少于0.035%，含硫少于0.035%，含铝少于0.050%，其余为铁和不可避免的杂质，所述钢轨的轨腰为高韧性的回火贝氏体和马氏体混合组织，所述钢轨的轨头为高强度的细珠光体组织，所述钢轨的轨底的组织可从下述组织中选择：（1）回火贝氏体组织，（2）回火贝氏体和马氏体混合组织和（3）珠光体组织，所述钢轨具有防止失稳破坏性裂纹扩展的特点。

6、根据权利要求5所述的这种钢轨，其中按重量百分比计算含有如下一种或几种元素：含铬0.05～1.50%，含钼0.05～0.20%，含钒0.03～0.10%，含镍0.10～1.00%和含铌0.005～0.050%。

Images