CN1127537A - 钢轨 - Google Patents

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Abstract

一种用于铁路的钢轨(1)，从其截面上看具有一交通工具支承表面(4)的头部(3)和一底部(2)，其中所述头部的交通工具支承表面由低碳马氏体钢构成。

Description

钢轨
本发明涉及钢轨，特别是具有提高的强度，硬度和韧性的钢轨。
众所周知的制造用于铁路的钢轨存在的问题是难以既提供一硬的行驶表面又使钢轨具有韧性(在本技术领域意味着抗断裂性)。对钢轨头部进行处理使其增硬是众所周知的，但已发现这种处理会相应地损害韧性。钢轨必须具有抗疲劳裂纹扩展性。
现代的高性能钢轨是通过轧制由适当成分构成的钢轨，然后使其冷却制成的。钢轨可在离开轧机后(或许已重新加热)直接进行冷却，或者在进行热处理后进行冷却。控制冷却过程是产生珠光体成为钢轨头部的主要部分。该珠光体具有特别的硬度，控制冷却速度使其低于用于上述钢成分的特定的速度，从而使其进入到对于钢的连续冷却转变(CCT)图上的珠光体区。在某些情况下，当须产生具有小的内层间距因而具有较高强度和硬度的珠光体时，可特别控制冷却而使CCT图上的冷却路线通过“珠光体鼻部区”。然而，由于增加硬度必然会降低韧性，因而现代钢轨技术正在达到由珠光体头部所获得的硬度的极限。
因此，本发明的一个目的是提供一种对于一定的硬度具有提高的抗冲击断裂韧性的钢轨。
根据本发明提供了一种用于铁路的钢轨，具有一头部和一底部，所述头部为一由低碳马氏体构成的交通工具支承表面。钢轨可由低碳钢轧制而成，而所述头部，以及有时底部可由水或水/空气喷射进行快速冷却。钢轨的碳含量可为0.1％—0.4％，并且钢轨可具有提高淬硬性的合金元素并可包含钛和铌。钢轨的淬硬性可落在表3所给出的范围内，并且钢轨可通过中止喷射冷却，并允许钢轨头部中剩余的热量在自然冷却中均衡而进行自回火。
下面参照附图以举例的方式对本发明进行描述。附图中：
图1为一种带马氏体头部的钢轨的示意图；
图2为这种钢轨的布氏硬度结果图；
图3为珠光体和马氏体钢轨的磨损率和硬度之间关系的示意图；
图4为低碳合金钢轨的顶端淬火的淬硬性数据的示意图；
图5为在不同温度下对于马氏体和珠光体钢轨的摆锤式冲击试验的V形缺口冲击能量的变化的示意图；
图6为用于制造钢轨的一种冷却装置的示意图；
图7为用于制造马氏体钢轨的淬硬性带的示意图；和
图8为0.8％碳钢的连续冷却变化示意图。
图1示出一种通常形状的平底铁路钢轨1。它具有一底部2和一头部3。头部的阴影区域4的显微结构为马氏体，而在区域5，显然由于其外喷射冷却率较低而为马氏体和贝氏体的混合物。当底部被冷却时，它亦主要为马氏体，而连接底部和头部的腹部6的构成成分不是很重要，因为实际上大多数的钢轨钢材和热处理都超过了对腹部性能的要求。钢轨由如表1所示的组份的低碳钢制成。对这种钢轨的一个截面进行布氏硬度测试，其结果如图2所示。图3的沿横坐标绘制的曲线图示出了不同的钢轨的布氏硬度的比较。纵坐标为用滑行每米的毫克表示的磨损率。钢轨分成四组：(a)在轧制后状态和(b)在轧制后状态的1％铬钢。结果(c)为通常制造的各种头部硬化和热处理珠光体钢轨，而(d)为本发明的低碳马氏体钢轨。从图2和3可看出，马氏体钢轨的硬度较高，而磨损率与现代的珠光体钢轨相当。
图5示出用于测量韧性的V形缺口摆锤式冲击阻力试验的结果。这里，温度为横坐标，而纵坐标为用焦耳表示的冲击能量。结果(a)为针对用每平方码113磅轧制的本发明的低碳马氏体钢，而(b)示出同样也是用每平方码113磅轧制的包含0.01％钛的典型的热处理珠光体钢。马氏体钢轨的拉伸强度为1,550N/mm2，而其断裂时的延伸率为10％；布氏硬度为445。珠光体钢相应的数据为拉伸强度1,210N/mm2，断裂时的延伸率为10％，而布氏硬度为360。这清楚地显示出即使在低温时马氏体钢轨的断裂初始抗力也比珠光体的高。
已发现马氏体钢轨的断裂韧性为100—110MpA/m1/2，而珠光体钢轨的典型值为35—40MpA/m1/2。
已发现疲劳裂纹抗力(da/dN)的范围与现在的热处理钢轨的相似，尽管试验发现马氏体钢轨疲劳裂纹远在快速或突然失效出现之前就已传播。制造这种低碳马氏体钢轨相对较简单，基本的要求是快速冷却钢轨以避免穿过在钢铁冶金中周知的连续冷却转变图中的“珠光体鼻部区”。
图8示出对于0.8％碳钢的这种转变图。区域54为奥氏体区(高温时的钢的形式)，纵坐标示出温度，而横坐标示出时间的对数。标号50处仍在奥氏体区，而在标号51处为马氏体区，珠光体区用标号52表示，而贝氏体区用53表示。在这些区域之间产生钢显微结构的混合物。点线X代表正常空气冷却路线，该路线导致珠光体状态。点Z为珠光体鼻部区，控制沿路线Y冷却是为了使钢轨通过珠光体鼻部区以产生前述的细的珠光体。
路线M为用于制造马氏体钢轨的典型路线，从图中可见它直接穿过奥氏体区而进入马氏体区。显然，这要求高的冷却速度，这可以通过使用水(只用水喷射或用空气水混合物喷射)而获得。
制造钢轨的一个重要质量是淬硬性。这是钢在远离冷却，特别是强制冷却点的位置获得一定硬度的能力。由表1给出的组份构成的钢的淬硬性数据示于图4中。在该图中纵坐标表示布氏硬度，而横坐标从上至下依次表示在700℃时每秒钟以摄氏度表示的冷却速度，以mm表示的相当的板厚，以及以mm表示的从淬冷面的距离。数据(a)表示厚度为40mm，而数据(b)为65mm。该图表示出从钢轨的淬冷外侧表面的布氏硬度的变化。由于在这些深度处产生了马氏体，因此这种钢的淬硬性是可以接受的。已知影响淬硬性的主要成分是锰，其次是钼，钒，铬，镍和铜。从合金成分计算淬硬性是很困难的，尽管可预计其合理的范围，但最终总是必须进行测量。在图4中，点(c)的数据是从试验室基础的炼钢得到的。由于通常的原因加入钛和铌，钛用于提高可焊接性，而铌作为通常的沉淀硬化元素。因此，该方法制造的钢轨具有高碳钢的淬硬性特性，同时也允许形成具有相应的高的固有硬度的低碳马氏体。
图7示出可接受的淬硬性带，淬硬性带也在表3中给出。图中示出J位置(从直径为1.0英寸的棒的淬冷端起1/16英寸)为1，5，12和20的最佳淬硬性带。尽管区域71对于这种钢轨也是可以接受的，区域70为最佳淬硬性带。
图6示出可用于产生这种马氏体钢轨所需的冷却的典型的喷射布置。
表2给出落在最佳淬硬性带中的马氏体钢轨钢材等级的成分，各等级给出各成分的范围。
马氏体钢轨的另一个优点是马氏体的高的固有硬度，因此易于实现所需的硬度等级。因此，可改变制造过程使得可较少地注意使头部的硬度最佳，其结果可改变该过程的参数以提高其它性能。特别地，当钢轨头部内部的温度降至大约500℃的温度时停止喷射可使钢轨头部自回火可得到更高的冲击韧性和抗冲击性。然后使钢轨自然冷却，在整个钢轨最终冷却至常温之前，钢轨头部内部的热量将扩散到整个头部，慢慢提高温度。
总之，应理解本发明与现在本技术领域普遍认为的钢轨头部中应避免马氏体的观点相反，而发现钢轨头部可包括低碳马氏体。在使用低碳马氏体钢后，申请人发现钢轨的统称为“硬度”的相关参数，即滚动接触磨损和滚动接触疲劳令人惊异地得到了满足，并且钢轨头部具有完全可以接受的硬度。
因此，与其它现有的钢轨相比，申请人提供了一种具有良好耐磨性的钢轨，以及一种具有良好的防止脱轨损害的钢轨。
                            表1
元素 含量(重量百分比)
碳 0.23
硅 0.40
锰 1.31
硫 0.016
磷 0.004
铬 0.31
钼 0.30
铌 0.032
钒 0.038
铝 0.039
钛 0.022
硼 0.002
其余 铁及附带杂质
                           表2马氏体钢轨钢材的商业产品的典型成分
等级     成分(重量％)
 C  Si  Mn  Cr  Mo  Nb  Al  V  Ti  B
 400  0.130.18  0.300.40  1.151.35  0.200.30  0.450.55  0.020.04  0.020.04  0.020.06  0.020.04  0.00150.0025
 450  0.200.25  0.300.40  1.301.40  0.250.35  0.250.04  0.020.04  0.020.06  0.020.04  0.020.06  0.00150.0025
 500  0.300.35  0.300.40  1.301.40  0.450.55  0.450.55  -0.04  -0.04  -0.06  -0.04   -0.0025
                     表3马氏体钢轨产品淬硬性带
    J-位置(1/16英寸)
 J1  J5  J12  J20
最大(HRC)  50  50  47  42 最佳淬硬性带
最小(HRC)  43  43  40  33
最大(HRC)  54  53  53  52 可接受的淬硬性带
最小(HRC)  40  39  36  30

Claims (9)

1.一种用于铁路的钢轨，从其截面上看具有一头部和一底部，其特征在于所述头部包括一由低碳马氏体构成的交通工具支承表面。
2.如权利要求1所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨由低碳钢形成，而所述头部由水进行快速冷却。
3.如权利要求1所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨由低碳钢形成，而所述头部和底部由水进行快速冷却。
4.如前述任一权利要求所述的钢轨，其特征在于，其中的碳含量为0.1—0.4％。
5.如前述任一权利要求所述的钢轨，其特征在于，还包括提高淬硬性的合金元素。
6.如前述任一权利要求所述的钢轨，其特征在于，所述的钢轨包括钛和铌。
7.如前述任一权利要求所述的钢轨，其特征在于，所述钢轨在形成过程中可通过中止喷射冷却而进行自回火，并允许钢轨头部中剩余的热量在自然冷却中均衡。
8.如前述任一权利要求所述的钢轨，其特征在于，其淬硬性在表3所给出的可接受的淬硬性范围内。
9.如权利要求8所述的钢轨，其特征在于，其淬硬性在表3所给出的最佳的韧度范围内。
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