CN1255949A - 具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨 - Google Patents

具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨 Download PDF

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Abstract

一种用于繁重运行铁路系统的,改善了抗表面疲劳损伤性和耐磨性的高强度贝氏体钢钢轨。该高强度贝氏体钢钢轨具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性,含有处于特定范围内的组份,并至少部分含有贝氏体组织,其特征在于其长轴处于100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的10%～50%之间。

Description

具有高抗表面疲劳损伤性和高耐磨性的贝氏体钢钢轨
发明领域
本发明涉及高强度贝氏体钢钢轨，这种钢轨具有良好的抗表面疲劳损伤性、耐磨性和金属塑变性，用于繁重运行系统中的铁路导轨的钢轨头就需要具有这些性能。
发明背景
国外繁重运行铁路系统一直在增加火车速度和货车载重能力，以作为改善货物运输系统效能的一种措施。这种在效能上的改善通过更严格的运行环境而达到，而这又需要进一步改善钢轨的质量。在这种环境中，具体说，用在铁路弯曲部分的钢轨，其轨距弯曲部和其头部侧很快就会磨损掉，而这种磨损会严重影响到钢轨的运行寿命。然而，下面将要叙述的、近年来发展起来的强化热处理技术可以用来制备高强度(或高硬度)的、含有微细珠光体的共析碳钢钢轨。这种钢轨极大地加长了应用于繁重运行系统铁路路轨弯曲部分钢轨的寿命。
(1)一种制造最少具有130公斤力/平方毫米的高强度钢轨的方法，该方法是对轧制状态的或重新加热的钢轨头部进行快速冷却，以每秒1℃～4℃的冷却速率使其从奥氏体区域冷却至850℃～500℃之间(日本专利公开No.23244/1988)。
(2)一种制造热处理低合金钢钢轨的方法，这种钢具有增强的耐磨性和良好的焊接性(可以容易地进行焊接，并形成具有优良性能的焊缝)，在这种钢中加有铬，铌和其它合金元素(日本专利公开No.19173/1984)。
这些钢轨都是高强度钢轨，其特征是在共析碳钢(碳含量为0.7％～0.8％)中有微细的珠光体组织存在。这种钢轨的目的是通过在珠光体中产生很细微的层状间隙来增加其耐磨性，并通过合金添加剂来改善其焊缝的性能。
在铁路直轨部分和轻度弯曲部分，磨损并不构成严重问题，可以采用具有珠光体组织钢和某些高强度热处理钢的常规轧制状态钢轨。可是，随着近来运行环境逐渐变得严酷，路轨重复不断地与车轮接触导致在其运行表面上出现表面疲劳裂纹。钢轨头部表面的裂纹称之为“头部表面疤皮(head surface shelling)”或“黑点(dark spot)”，一般认为这种裂纹特别重要。这种形式的裂纹出现在钢轨头部表面，能向其头部的内部扩展，并且分岔延伸到其底部，有时能在繁重运行系统的路轨中引起横断裂缝。
众所周知，这种黑点裂纹不仅出现在繁重运行系统的铁轨上，而且也出现在高速客运运输系统的铁轨上。一般认为，黑点裂纹是由于钢轨和车轮重复接触在钢轨头部表面上积聚了疲劳损伤层(此处层状珠光体断裂)所致，以及由于晶体结构的发展(此时晶粒的晶面沿相同的方向取向)在珠光体组织的铁素体相中出现滑移所致。
这个问题可以采用磨削掉钢轨头部表面的方法从而去除疲劳层(疲劳损伤层和晶体结构)来解决。然而，这种必须有规则地间断性地进行的磨削既费钱又需强体力劳动。
另一个解决方案是降低钢轨头部表面的硬度，这样，在疲劳层形成之前所述表面就已被磨损掉。然而，只是简单地降低钢轨头部表面的硬度时，在火车运行车轮直接下方处的钢轨头部表面中就会出现某种塑性变形。于是裂纹就会沿金属塑变处产生。
发明人通过实验检验了由于钢轨与车轮重复接触所形成的疲劳层(疲劳损伤层和晶体结构)和金属组织之间的关系。对该检验进行的研究揭示了，在铁素体相和渗碳体相呈层状的珠光体组织中疲劳层倾向于积聚，而晶体结构倾向于发展。在以硬的粒状碳化物弥散在软的铁素体组织基体上的贝氏体组织中情况则相反，能在金属表面触发表面疲劳破坏的疲劳损伤层积聚和晶体结构发展，其发生率是低的，从而黑点的发生率较低。
就国外繁重运行系统的铁路说，作用在钢轨和车轮之间的接触表面上的压力和附着摩擦力是很大的。用具有贝氏体组织的钢制备的钢轨能够防止在钢轨表面上生成黑点和其它疲劳损伤。然而，不断增加的磨损缩短了钢轨的运行寿命，并且增加了在车轮直接底下的钢轨表面上出现金属塑变的可能性。特别是在路轨轻度弯曲部分将产生很大的附着摩擦力，在表面上产生其它形式的疲劳损伤，例如在轨距弯角部处的头部网裂(head checks cracks)和片状剥落(flaking)的可能性大为增加。
为了解决这些问题，本发明人寻求创造出一种增加贝氏体组织强度的方法。贝氏体钢的强度是由贝氏体组织中铁素体基体和碳化物的硬度以及碳化物的尺寸来决定的。一般说，贝氏体钢的强度的增加是通过(1)添加大量合金添加剂从而提高铁素体基体和碳化物硬度来实现的，以及(2)控制贝氏体转变温度以减小碳化物的尺寸来实现的。
然而，为提高铁素体基体和碳化物的硬度而添加大量合金添加剂在经济上将是昂贵的。同时，增加硬度将形成有害于钢轨焊接时韧性的马氏体组织和其它组织。另一方面，尽管减小碳化物尺寸能增加强度，但是如果碳化物的尺寸和数量不合适的话，那么要确保所要求的耐磨性就很困难。
在集中注意力于贝氏体组织同时，因为在这种组织中很难形成疲劳层(表面疲劳损伤和晶粒结构)，本发明人寻求一种无须添加大量合金添加剂就能改善耐磨性和耐金属塑变性的方法。具体说就是，通过实验验证了如何控制尺寸来获得理想的碳化物尺寸。
业已清楚，当贝氏体组织中碳化物大于某一尺寸时，耐磨性降低，金属塑变引起裂纹和其它损伤。另一方面，当贝氏体组织中碳化物小于某一尺寸时，对贝氏体钢耐磨性有重要作用的硬碳化物就很难在滚压表面下面聚集。于是，耐磨性就很难有长足的改善。
除了这些检验研究外，本发明人还考证了具有改善耐磨性和耐金属塑变性所需理想尺寸的碳化物的量。该项研究揭示了，当具有理想尺寸的硬碳化物在一给定的断面上所占据的区域小于某一极限值时，对贝氏体钢耐磨性有重要作用的硬碳化物就很难在滚压表面下面聚集，于是降低了耐磨性。另一方面，当具有理想尺寸的硬碳化物的数量超过某一极限值时，贝氏体组织的韧性就会降低，产生剥落和其它分层脱落损伤的几率就可能增加。
基于这些实验性的研究，本发明人发现，可以通过控制贝氏体组织中碳化物的尺寸以及将这种碳化物在一给定断面上所占据的区域控制在一给定的范围内而获得具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体组织。
本发明的目的就是根据上述研究，以低的制作成本提供繁重运行铁路系统所需的，具有良好抗表面疲劳损伤性、耐磨性和抗金属塑变性的高强度钢轨。
发明概述
本发明根据下述的内容而达到上述的目的。
本发明钢轨由至少部分含有贝氏体组织的钢制成，具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性，其特征在于碳化物的长轴的长度处于100nm～1000nm之间，碳化物在贝氏体组织一给定断面上所占的总面积处于10％～50％之间。
用于本发明钢轨的贝氏体钢的组成为，按重量计，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，锰0.20％～3.00％，铬0.20％～3.00％，其余为铁和不可避免的杂质。
用于本发明钢轨的贝氏体钢还可以含有一种或多种下列元素，钼0.01％～1.00％，铜0.05％～0.50％，镍0.05％～4.00％，钛0.01％～0.05％，钒0.01％～0.30％，铌0.005％～0.05％，硼0.0001％～0.0050％，镁0.0010％～0.0100％，钙0.0010％～0.0150％。
另外，本发明钢轨最好在从钢轨头部的弯角部和上表面处深20毫米的区域内均具有贝氏体组织。
附图简要说明
图1是钢轨头部断面各部分术语示意图。
图2是Nishihara磨损试验机的示意图。
图3是滚动疲劳破坏试验机。
图4展示出本发明钢轨钢中贝氏体组织的状态。
图5展示出本发明另一种钢轨钢中贝氏体组织的状态。
图6展示出贝氏体组织的一个实例。
本发明最佳实施例
下面将对本发明作详细的说明。
首先讨论为什么要对贝氏体组织中碳化物尺寸以及该碳化物在一给定断面上所占面积进行限定。
图6示意地展示出一贝氏体组织的断面。在图6中，中空状岛状物(其长轴处于100nm～1000nm之间的较短碳化物)以及阴影表示岛状物(其长轴大于1000nm的较长碳化物)为碳化物。其长轴短于100nm的岛状物没有展示出。在这里应用的碳化物长轴一词是指碳化物长轴两端之间的距离。
贝氏体组织中的碳化物尺寸是决定碳化物耐磨性和强度的一个重要因素。碳化物长轴最大距离限制在1000nm，因为贝氏体组织要经受强烈磨损，从而极大地缩短钢轨使用寿命。在滚动车轮直接下方的钢轨头部表面上出现金属塑变的可能性大为增加。此外，在路轨轻度弯曲部，在轨距弯角部将出现头部网裂，剥落和其它分层脱落损伤，因为这部分有大附着摩擦力作用。当贝氏体组织中碳化物长轴短于100nm时，对耐磨性起重要作用的硬碳化物要直接在滚动表面下积聚就很难。于是，碳化物将随着铁素体基体一块磨损掉，其结果是，所要求的耐磨性无法获得。这就是为什么碳化物的长轴最小长度限制在100nm。
贝氏体组织中的微细碳化物(其长轴为100nm～1000nm)所占面积是决定碳化物韧性和耐磨性的一个重要因素。当微细碳化物所占面积超过50％时，贝氏体组织的韧性下降，从而增加产生剥落和其它分层脱落损伤的可能性。所以，微细碳化物所占最大面积限制在50％。当贝氏体组织中微细碳化物所占面积小于10％时，对贝氏体组织耐磨性起重要作用的硬碳化物不会在直接滚动表面下有足够的积聚。这就是为什么碳化物所占最小面积限制在10％。为了获得足够的耐磨性和增长的钢轨使用寿命，微细碳化物所占面积最好在20％～40％之间。
贝氏体组织中碳化物的尺寸及其所占面积可以通过扫描电子显微镜观察用硝酸乙醇腐蚀液(Nital)，苦味醇液(Picral)或其它腐蚀剂腐蚀过的钢表面来确定。或采用另外一种方法，在钢上制备一薄膜，通过透视电子显微镜观察视场中各碳化物的长轴。然后，选择那些长轴为100nm～1000nm的碳化物，其所占面积通过近似概算来确定。
由于碳化物的形式和密度随视场不同有极大的变化，所以最好至少观察10个视场，然后根据由这种多视场观察所获得的数据的平均值来确定碳化物的长轴及其所占面积。
下面将要说明将钢轨的化学成份限制在所希望范围内的原因。
碳是为获得具有合宜强度和耐磨性贝氏体组织的一种最重要的元素。当碳含量小于0.15％时，就很难获得贝氏体组织所需的强度。由于贝氏体组织中含碳量的减少，对耐磨性起重要作用的硬碳化物就很难在滚动表面下面积聚。另一方面，当碳含量超过0.45％时，珠光体组织引起贝氏体组织表面损伤的可能性增加，并且增加的碳含量降低了贝氏体组织的韧性。所有这些都增加了在滚动表面上产生剥落和其它分层脱落损伤的可能性。因此，碳含量要限制在0.15％～0.45％之间。
由于固溶体硬化铁素体基体，硅增加贝氏体组织的强度。然而，当硅含量小于0.10％时，上述增强的效果是无法达到的。当硅含量超过2.0％时，钢轨热轧时出现表面缺陷的可能性增加。另外，贝氏体组织中形成的马氏体组织对钢轨的刚度，耐磨性及抗金属塑变是有害的。因而，硅含量要限制在0.10％～2.00％之间。
锰降低贝氏体转变温度，增加碳化物硬度，有助于增加钢强度。但锰含量低于0.20％时，上述效果无法达到。当锰含量低于0.20％时，很难获得贝氏体钢钢轨所要求的强度。另一方面，当锰含量超过3.00％时，贝氏体组织中的碳化物变得太硬了，贝氏体组织的韧性和转变率降低，产生对钢轨的耐磨性、刚度及抗金属塑变性有害的马氏体组织的可能性增加了。由此，锰含量要限制在0.20％～3.00％之间。
铬微细地分散碳化物，增加贝氏体组织中铁素体基体和碳化物的硬度，对于获取所希望的强度说是一个重要的元素。然而，当铬含量小于0.20％时，上述效果是无法达到的。当铬含量小于0.20％时，很难获得贝氏体钢钢轨所要求的强度。另一方面，当铬含量超过3.00％时，贝氏体组织中的碳化物变得太硬了，贝氏体组织的韧性和转变率降低，产生对钢轨耐磨性、刚度及抗金属塑变性有害的马氏体组织的可能性增加了，这和锰元素情况相同。因此，铬含量要限制在0.20％～3.00％之间。
为了改善强度，韧性和刚度，并且防止由于焊接而使这些性能变坏，可以添加一种或多种下述的元素。钼，铜和硼增加强度；钒和铌增加强度和刚度；镍，钛，镁和钙增加韧性和刚度；钼能防止由于焊接引起的性能下降。元素的选择取决于所要求达到的目标。各个元素的百分率范围在下面给出。
钼：    0.01％～1.00％
铜：    0.05％～0.50％
镍：    0.05％～4.00％
钛：    0.01％～0.05％
钒：    0.01％～0.30％
铌：    0.005％～0.05％
硼：    0.0001％～0.0050％
镁：    0.0010％～0.010％
钙：    0.0010％～0.0150％
下面将给出将所列元素百分率限制在上述范围内的理由。
象锰和铬一样，钼降低贝氏体转变温度，有助于稳定贝氏体转变和强化贝氏体组织，并且增强贝氏体组织中的碳化物。然而，当钼含量小于0.01％时，就达不到这种效果。另一方面，当钼含量超过1.00％时，贝氏体组织的转变率将明显地下降，并且产生对刚度、耐磨性及抗金属塑变性有害的马氏体组织的可能性增加了，这和锰和铬情况一样。因此，钼含量要限制在0.01％～1.00％之间。
铜增加钢的强度，而又不损害其刚度。铜含量在0.05％～0.50％之间时上述效果达到最大程度，而当铜含量超过0.50％时就会出现红热脆性。所以，铜含量要限制在0.05％～0.50％之间。
镍稳定奥氏体，降低贝氏体转变温度，细化贝氏体组织，并且改善韧性和刚度。当镍含量小于0.05％时，这种效果就很小，而当镍添加量超过4.00％时也不会增加上述效果。所以，镍含量要限制在0.05％～4.00％之间。
钛可以细化轧制和加热时奥氏体晶粒，并增加贝氏体组织的韧性和刚度，因为在钢熔化和凝固时析出的碳氮化钛在钢轨从新加热进行轧制时保持在未熔融状态。然而，当钛含量小于0.01％时，这种效果就很小。另一方面，当钛添加量超过0.05％时就形成粗状碳氮化钛，后者就成为运行中疲劳损伤的起始点，从而导致产生裂纹。所以钛含量要限制在0.01％～0.05％之间。
钒通过析出硬化热轧后冷却过程中形成的碳氮化钒而增加强度，通过在钢加热到高温时阻止晶粒的生长来细化奥氏体晶粒，并改善贝氏体组织的强度和刚度。但是，当钒含量小于0.01％时，这种效果就不足。另一方面，当钒添加量超过0.30％时也不会增加上述效果。因此，钒含量要限制在0.01％～0.30％之间。
铌象钒一样，通过形成碳氮化铌细化奥氏体晶粒。铌比钒能在更高温区域中阻止奥氏体晶粒生长(接近1200℃)。铌还改善贝氏体组织的刚度。但是，当铌含量小于0.005％时无法达到这些效果，而当铌添加量超过0.05％时由于形成金属互化物和粗状铌析出物而使刚度降低。所以，铌含量要限制在0.005％～0.05％之间。铌含量的低限最好是0.01％。
硼通过阻止由先前奥氏体晶界生成先共析铁素体来确保稳定形成贝氏体组织。然而，当硼含量小于0.0001％时这种作用是很小的，而当硼添加量超过0.0050％时就会由于形成粗状硼化合物，使钢轨性能变坏。所以，硼含量要限制在0.0001％～0.0050％之间。硼含量的低限最好是0.0005％。
硫和/或铝，镁在钢再加热进行钢轨轧制时通过与氧形成微细氧化物能阻止晶粒的生长，细化奥氏体晶粒，并改善珠光体组织的韧性。氧化镁和硫化镁能微细地分散硫化锰，在硫化锰周围形成低浓度锰层，并加速构成贝氏体组织基体的铁素体的转变，从而通过细化贝氏体组织而改善其韧性和刚度。但是，当镁含量小于0.0010％时这种作用是很小的，而当镁添加量超过0.0100％时就会形成粗状镁氧化物，这就使钢轨的韧性和刚度变坏。由此，镁含量要限制在0.0010％～0.0100％之间。
钙能与硫稳固地结合，形成硫化钙。硫化钙微细地分散硫化锰，在硫化锰周围形成低浓度锰区域，并有助于形成构成贝氏体组织基体的铁素体，从而通过细化贝氏体组织而改善其韧性和刚度。可是，当钙含量小于0.0010％时这种作用是很小的，而当钙添加量超过0.0150％时就会形成粗状钙氧化物，这就使钢轨的韧性和刚度变坏。由此，钙含量要限制在0.0010％～0.0150％之间。
具有上述成份的钢轨钢是在氧气顶吹转炉，电炉或其它一般炼钢炉中熔炼来制备的。通过联合铸锭和初轧程序，或通过连续铸造将所获得的熔融钢制备成半成品钢，而后将半成品钢热轧成钢轨。通过对热轧状态或再加热的热钢轨头部进行热处理而在钢轨头部稳定地形成硬的贝氏体组织。
下面将给出理由解释为什么将具有所要求贝氏体组织的区域设定在至少从钢轨头部的弯角部和顶部表面深20毫米的区域中。当深度小于20毫米时，这个深度就太小了，不足以提供钢轨头部所要求的耐磨性和抗表面疲劳损伤性。如果具有贝氏体组织的区域从钢轨头部的弯角部和顶部表面的深度大于30毫米，那么，钢轨的使用寿命将会进一步增长。
图1展示出具有良好耐磨性和抗表面疲劳损伤性的贝氏体钢钢轨头部的各术语部分，并展示出要求良好耐磨性和抗表面疲劳损伤性的区域。在图1所示的钢轨头部，参考数码1代表钢轨头部的顶部，2代表钢轨头部的弯角部。弯角部2之一为与车轮接触的轨距弯角部。如果所述贝氏体组织至少存在于图示中的阴影区(从表面起20毫米深)，那么钢轨运行寿命就会得到改善。
本发明钢轨最好由具有贝氏体组织的钢制备。然而，由于制造过程关系，在贝氏体组织中混有少量马氏体组织。但是，在贝氏体组织中混有少量的马氏体组织不会对钢轨的刚度，耐磨性和抗表面疲劳损伤性有什么大影响。所以，本发明贝氏体钢轨钢可以含有一些马氏体组织。
实施例
下面将说明本发明的某些实施例。
表1和表2列示了本发明钢轨钢以及作为比较的常用钢轨钢的化学成份，显微组织，在一给定贝氏体组织断面上碳化物长轴的范围，以及其长轴在100nm～1000nm之间的碳化物所占的面积。除了表中所给出的组份外，所有的钢轨钢均含有铁和不可避免的杂质。表1和表2还展示出用Nishihara磨损试验机对钢轨头部进行耐磨试验的结果，以及在水润滑滚动疲劳破坏试验中疲劳损伤的发生率，该试验是在将钢轨和车轮的尺寸减小到图3所示的1/4大小所制备的圆盘状试样上进行的。表1
钢轨 参考字母     化学成份(重量百分数) 钢轨头部显微组织 在给定断面上碳化物长轴范围 长轴为10～100nm碳化物在给定断面上所占面积(％) 钢轨头部磨损(g/50×104次) 表面疲劳损伤发生率(×104次)
  C   Si   Mn   Cr 其它合金添加剂 *最大～最小(nm)
 本发明钢轨   A   0.17   1.82   1.45   1.21     B：0.017 贝氏体   200～2600     11     1.51  200，无损伤
  B   0.22   0.35   2.91   0.64     V：0.04 贝氏体   150～1600     18     0.81  200，无损伤
  C   0.22   0.81   0.84   2.84     Nb：0.04 贝氏体   300～1800     16     0.87  200，无损伤
  D   0.29   0.25   1.51   0.24     Mo：0.31Ca：0.0025 贝氏体   450～3900     19     0.96  200，无损伤
E 0.30 0.31 1.54 1.51 贝氏体 200～2100 25 0.77 200，无损伤
F 0.34 0.21 1.24 1.64     Ni：0.21Mg：0.0025 贝氏体 150～2400 27 0.46 200，无损伤
  G   0.35   0.31   1.62   0.80     Mo：0.21 贝氏体   100～2400     32     0.43  200，无损伤
  H   0.42   0.30   1.19   1.25     Mo：0.28 贝氏体   120～2200     37     0.24  200，无损伤
  I   0.41   0.17   1.66   1.35     Ti：0.04 贝氏体   30～1500     40     0.23  200，无损伤
  J   0.43   1.01   1.41   1.85     Cu：0.21 贝氏体   20～1200     48     0.18  200，无损伤
  K   0.45   0.35   0.22   2.10 贝氏体   500～3500     24     0.38  200，无损伤
表2
钢轨 参考字母     化学成份(重量百分数) 钢轨头部显微组织 在给定断面上碳化物长轴范围 长轴为10～100nm碳化物在给定断面上所占面积(％) 钢轨头部磨损(g/50×104次) 表面疲劳损伤发生率(×104次)
  C   Si   Mn   Cr 其它合金添加剂 *最大～最小(nm)
相比较的常用钢轨 L 0.71 0.25 0.75 - - 珠光体 1.25     125黑点
M 0.77 0.21 0.91 0.17 - 珠光体 0.84     102黑点
  N   0.77   0.52   1.07   0.21       -   珠光体     0.25     74黑点
O 0.54 0.35 1.13 1.44 -   珠光体+贝氏体 0.54     120黑点
  P   0.33   2.54   0.81   1.21     Mo：0.15   贝氏体+马氏体     1.54严重磨损     164剥落
Q 0.35 0.41 3.41 0.40 Mo：0.15   贝氏体+马氏体     1.4严重磨损     121剥落
R 0.35 0.25 0.81 3.21 -   贝氏体+马氏体     1.32严重磨损     87剥落
  S   0.31   0.31   1.24   1.23     Mo：0.21   贝氏体 800～5000碳化物尺寸：大 5     3.31严重磨损     54分层脱落
T 0.21 0.41 2.14 1.78 - 贝氏体  20～300碳化物尺寸：小 9     1.45严重磨损     200无损伤
U 0.44 0.31 1.45 1.22 - 贝氏体 120～1100     61碳化物尺寸：大 0.19     145剥落
V 0.16 0.51 1.24 1.81 Mo：0.45 贝氏体 160～950     8碳化物尺寸：小     1.61严重磨损     200无损伤
图4和图5展示出本发明钢轨钢G和H的贝氏体组织断面的显微组织，该显微组织图放大5000倍。图4和图5所示的断面是通过用5％硝酸乙醇腐蚀液腐蚀钢轨钢，然后用扫描电子显微镜观察而得到的。白粒状物(其长轴在100nm～1000nm之间)和画有阴影的较大块状物(其长轴大于1000nm)均是贝氏体组织中的碳化物。其长轴小于100nm的碳化物没有展示出。
表1和表2所列的钢轨钢具有下列成份。
○本发明钢轨钢(11种，用字母A～K表示)：钢轨钢具有本发明的范围内的成份和贝氏体组织。长轴在100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织的一给定断面上所占总面积为所述给定断面的10％～50％。
○与本发明钢轨钢进行比较的常用钢轨钢(11种，用字母L～V表示)：含有共析碳的珠光体组织的常用钢轨钢(用字母L～N表示)，以及其成份处于本发明范围之外的钢轨钢(用字母O～R表示)。具有本发明范围内成份和贝氏体组织的钢轨钢。长轴在100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织的一给定断面上所占总面积多于50％或小于10％(用字母S～V表示)。
磨损试验和滚动疲劳试验是在下列条件下进行的：
[磨损试验]
试验机器：        Nishihara磨损试验机
试验试样：        圆盘状试样(外径30毫米，厚8毫米)
试验负载：        490N
滑差系数：        9％
磨损材料：        回火马氏体钢(HV 350)
气氛：            大气
冷却：            无
重复次数：        500,000次
[滚动疲劳损伤试验]
试验机器：滚动疲劳损伤试验机
试验试样：圆盘状试样(外径200毫米，钢轨断面：
          1/4 60K钢轨式样)
试验负载：2.0吨(径向负载)
气氛：    干+水润滑(60cc/分钟)
旋转次数：干(0～5000次)：100转/分
          干+水润滑(5000次及以上)：300转/分
重复次数：干态从0～5000次，然后水润滑状态提高到200
          万次或直到破坏出现
本发明钢轨钢(用字母A～K表示)，其贝氏体组织中碳化物尺寸及碳化物所占面积达到控制，是不会形成黑点的，而后者则会出现在具有珠光体组织的常用钢中(用字母L～N表示)，其所呈现出的耐磨性基本与常用钢相同。
将本发明的钢轨钢的成份保持在给定的范围内就能防止形成有害于抗表面疲劳损伤性和耐磨性的珠光体组织和马氏体组织，而这些组织却出现在与之比较的钢轨钢中(用字母O～R表示)。与相比较的钢轨钢(用字母S～V表示)进行比较就可看出，控制贝氏体组织中碳化物尺寸及其所占面积能明显地改善抗表面疲劳损伤性和耐磨性。
工业应用
如上所述，本发明为繁重运行铁路系统提供了一种改善了抗表面疲劳损伤性和耐磨性的高强度钢轨。

Claims (4)

1.一种具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体钢轨钢，至少部分含有贝氏体组织，其特征在于其长轴处于100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的10％～50％之间。
2.一种具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体钢轨钢含有，按重量计，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，锰0.20％～3.00％，铬0.20％～3.00％，其余为铁和不可避免的杂质，并且至少部分含有贝氏体组织，其特征在于其长轴处于100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的10％～50％之间。
3.一种具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体钢轨钢含有，按重量计，碳0.15％～0.45％，硅0.10％～2.00％，锰0.20％～3.00％，铬0.20％～3.00％，再加上一种或多种从下列元素组中选择的元素：钼0.01％～1.00％，铜0.05％～0.50％，镍0.05％～4.00％，钛0.01％～0.05％，钒0.01％～0.30％，铌0.005％～0.05％，硼0.0001％～0.0050％，镁0.0010％～0.0100％，钙0.0010％～0.0150％，其余为铁和不可避免的杂质，并且至少部分含有贝氏体组织，其特征在于其长轴处于100nm～1000nm之间的碳化物在所述贝氏体组织一给定断面上所占的总面积为该断面的10％～50％之间。
4.根据权利要求1，2或3所述的具有良好抗表面疲劳损伤和耐磨性的贝氏体钢轨钢，其特征在于从钢轨头部弯角部和顶面起至少20毫米深度区域内为贝氏体组织。
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