CN1378896A - 铁轨接合方法及接合铁轨 - Google Patents
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Abstract
铁轨接合方法和接合铁轨。在锰合金钢铁轨10和碳素钢铁轨12之间的接合端面之间,插入中间材料14和一对夹住中间材料14的嵌件16、18。在相互对接在锰合金钢铁轨10、第一嵌件16、中间材料14、第二嵌件18及碳素钢12的状态下,在对各接合面施加所需压力P的同时,把接合部附近加热到两个嵌件16、18的熔点以上且比这两段铁轨10、12和中间材料14的熔点低的加热温度T并将加热温度T保持预定时间S。由此一来,获得了通过中间材料14接合锰合金钢铁轨10和碳素钢铁轨12而成的接合铁轨22。
Description
技术领域
本发明涉及接合由不同类型的金属材料制成的锰合金钢铁轨和碳素钢铁轨的方法以及通过该方法获得的接合铁轨。
背景技术
作为接合铺设在铁轨道岔上的锰合金钢铁轨辙叉和构成铁道直线部的碳素钢铁轨的方式，提出了如专利申请公开号平8-206853所述的“辙叉的接合方法及装置”的发明。
上述接合方法是这样的方法，即在高锰合金钢整铸辙叉和碳素钢制普通铁轨的接合面之间插入其熔点比辙叉熔点低的嵌件的状态下，在该接合面之间施加压力并把接合部加热到比嵌件熔点高但比辙叉熔点低的温度，由此使嵌件向两段铁轨接合部扩散地将这两段铁轨接合在一起。根据这种接合方法，没有引起锰合金钢辙叉热脆化的问题并且能够在短时间内接合两段铁轨。但根据该方法，接合部的抗弯强度在每个产品中产生了很大的差异，所以存在着产品质量不稳定的困难。
因而，本申请人作为“异种金属的接合方法”发明地提出了针对上述问题的发明申请。折中接合方法是这样的，即在通过嵌件接合碳素钢铁轨和具有所需厚度的中间材料后，通过嵌件来接合该中间材料和锰合金钢辙叉，根据该接合方法，没有引起每个产品的抗弯强度差异并且能够稳定地接合两段铁轨。
在通过嵌件接合上述碳素钢铁轨和中间材料的场合下，为了不进行嵌件的扩散并获得足够高的抗弯强度，人们认为必须加热到比锰合金钢辙叉的固相线温度1280℃高的1300℃以上的温度。因此，根据上述接合方法，在碳素钢铁轨与中间材料接合后，该中间材料和锰合金钢辙叉接合，两段铁轨的接合过程分两步进行。因此，指出了难以稳定获得足够高的所需抗弯强度以及因工序多而成本高昂的缺点。
发明内容
与在上述碳素钢铁轨与中间材料接合时所施加的温度有关地，发明人重新进行了验证，结果发现，如果该加热温度高，则抗弯强度提高，但在比锰合金钢辙叉的固相线温度1280℃低的1250℃以上时，抗弯强度不会再超过一定值。因此，发明人也认识到，在取加热温度为1250℃左右的场合下，在确保铁轨所需的抗弯强度的同时，获得了也与疲劳强度相关地足以让人满意的值。
即，鉴于上述现有技术所包含的上述课题，本发明提出了应适当解决这个课题的技术方案。本发明的目的是提供一种可以进行锰合金钢铁轨和碳素钢铁轨的稳定接合的并且能够减少工序而降低成本的铁轨接合方法机接合铁轨。
解决上述课题并合理实现预期目的的本发明的铁轨接合方法是接合锰合金钢铁轨和碳素钢的方法，其特点是，在锰合金钢铁轨接合端面和由奥氏体系金属材料制成的且具有理想厚度的中间材料之间插入其熔点比锰合金钢铁轨和中间材料的熔点低的第一嵌件地对接的同时，在所述碳素钢铁轨接合端面和所述中间材料之间插入其熔点比碳素钢铁轨和中间材料的熔点低的第二嵌件地对接的状态下，在这两个接合面上施加所需压力并把接合部附近加热到这两个嵌件的熔点以上且比这两段铁轨和中间材料的熔点低的预定温度并保持在该温度上，由此通过该中间材料接合锰合金钢铁轨和碳素钢铁轨。
此外，解决上述课题并合理实现预期目的的本发明另一个技术方案的接合铁轨是一种接合锰合金钢铁轨与碳素钢铁轨而成的接合铁轨，其特征是，在锰合金钢铁轨接合端面和由奥氏体系金属材料制成的且具有理想厚度的中间材料之间插入其熔点比锰合金钢铁轨和中间材料的熔点低的第一嵌件地对接的同时，在碳素钢铁轨接合端面和中间材料之间插入其熔点比碳素钢铁轨和中间材料的熔点低的第二嵌件地对接的状态下，在这两个接合面上施加所需压力并把接合部附近加热到这两个嵌件的熔点以上且比这两段铁轨和中间材料的熔点低的预定温度并保持在该温度上，由此通过该中间材料接合锰合金钢铁轨和碳素钢铁轨。
附图说明
图1是根据一个实施例的铁轨接合方法的工程图。
图2是在根据实施例的接合方法中通过液相扩散接合法接合两段铁轨的说明图。
具体实施方式的说明
以下，例举适当实施例地说明本发明的铁轨接合方法及接合铁轨。
图1表示根据一个实施例的接合方法过程，在接合作为锰合金钢铁轨的锰合金钢辙叉10和碳素钢12时，在这两段铁轨10、12的接合端面之间插入中间材料14和一对夹住中间材料14的嵌件16、18。就是说，在锰合金钢辙叉10和中间材料14相对的端面之间插入其熔点比锰合金钢辙叉10和中间材料的熔点14低的第一嵌件16并使它们对接。而在碳素钢铁轨12和中间材料14的相对端面之间插入其熔点比碳素钢铁轨12和中间材料14的熔点低的第二嵌件18并使它们对接。
中间材料14是这样的具有所需厚度的板材，即它由在锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12上通过设置各嵌件16、18而获得良好接合的奥氏体金系金属材料构成并且被制成与这两段铁轨10、12的接合端面一样的形状，其厚度最好为2毫米以上并优选为6毫米以上。此外，在接合奥氏体系锰合金钢辙叉10和铁素体系碳素钢铁轨12的实施例中，虽然最好把如奥氏体系不锈钢、双相不锈钢、奥氏体系镍基超合金和锰钢用作中间材料14的材料，但如果是奥氏体系金属材料，则其它材料也可行。此外，响应于碳化物稳定化、晶界稳定化、强度提高、奥氏体稳定化等目的地在上述各材料中添力Ti、Nb、B、V、W、Co等添加物，也可以按所需比例添加一种或两种以上元素。其中，Ti、Nb有利于碳化物的稳定化，B有利于晶界稳定化，V有利于强度提高和碳化物的稳定化，W有利于强度提高，Co有利于奥氏体的稳定化。
此外，作为第一嵌件和第二嵌件16、18，优选具有40微米厚度的这样的板材(非晶态合金箔)，即它由其熔点比是锰合金钢辙叉10的母材的高锰铸钢的熔点(1375℃)和是碳素钢铁轨12的母材的碳素钢的熔点(1470℃)低的镍硅硼合金(熔点1040℃)和镍铬硅硼合金(熔点1135℃)等镍硅硼系合金制成并且同中间材料16一样地被制成与两段铁轨10、12的接合端面一样的形状，但不局限于此，如果其它材料具有比两段铁轨10、12和中间材料14的熔点低的熔点，则也能使用它。与在接合碳素钢铁轨12和中间材料时使用的第二嵌件18有关地，不局限于镍合金地可以使用铁合金。此外，两段铁轨10、12的接合表面的粗糙度最好为Rmax≤100微米。
如上所述，在相互对接锰合金钢辙叉10、第一嵌件16、中间材料14、第二嵌件18及碳素钢铁轨12的状态下，如图2所示，在各接合面上施加理想压力P的同时，如通过高频感应线圈20把其接合部附近加热到在两个嵌件16、18的熔点以上且比锰合金钢辙叉10、碳素钢铁轨12和中间材料14的熔点低即具体地说是锰合金钢辙叉10的固相线温度的1280℃低的预定加热温度T，并将该加热温度T保持预定时间S，由此一来，获得了锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12通过中间材料14接合而成的接合铁轨22。为了获得碳素钢12和中间材料14的接合部的高抗弯强度，作为上述加热温度T地最好是约1250℃，但由于由铁轨形状等引起的温度分布差有30℃，优选加热温度为1220℃。
即，通过用线圈20加热而熔融的第一嵌件16扩散到锰合金钢辙叉10和中间材料14的端部，由此在金属复合两者10、14的同时，同样通过用线圈20加热而熔融的第二嵌件18向碳素钢铁轨12和中间材料14的端部扩散，由此将两者12、14金属复合在一起。在这种场合下，如上所述地，取加热温度T为比锰合金钢辙叉10的固相线温度1280℃低的温度，这也能确保碳素钢铁轨12和中间材料14之间获得所必需的充分的接合强度(抗弯强度、疲劳强度)。因此，实现了锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12的牢固接合。此外，根据这样的液相扩散接合方法，缩短了加热时间，由于在短时间内降低温度，所以，没有产生锰合金钢辙叉10的热脆化。
因此，所述液相扩散接合方法是在这样的状态下进行的，即给两段铁轨10、12的接合部位提供氩气等惰性气体，使接合部位附近处于非氧化性气氛下。此外，优选以下接合条件，即加热温度T为(熔点1050℃≤T≤1250℃，施加在接合面上的压力P为1MPa≤P≤20Mpa，加热温度T的保持时间S为1分钟≤S≤10分钟。
就是说，由于在一个工序中接合锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12，所以能够缩短接合所需的时间，从而存在经济性高的优点。此外，中间材料14以通过各嵌件16、18良好接合锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12的金属为材料，从而稳定了由此获得的接合铁轨22的接合部的抗弯强度。
此外，根据分两步进行锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12的接合的现有技术，由于总是对碳素钢铁轨12和中间材料14进行两次加热，恐怕会因两次加热产生热脆化。因此，根据本实施例的接合方法，由于只对两段铁轨10、12和中间材料14进行一次加热，所以进一步抑制了热脆化的发生。
在上述接合铁轨22中，是奥氏体系金属材料的锰合金钢辙叉10容易挠曲，是铁素体系金属材料的碳素钢铁轨12难于挠曲，在车辆通过等时施加给其接合部的弯曲负荷恐怕会集中在碳素钢铁轨12侧的接合部上。因此，根据该实施例的接合铁轨22，由于在锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12之间插入具有所需厚度的中间材料14，所以接合部的厚度增大，能够使集中在该接合部上的弯曲负荷分散。
接着，如上所述地获得的接合铁轨22的锰合金钢辙叉10和碳素钢铁轨12之间的接合部被加热到相变温度以下的温度并在该温度下保持一定时间，随后进行缓冷的消除应力退火处理(后热处理)。由此一来，除去了在该接合部上的应力。作为该消除应力退火处理地，例如最好采用以下条件，即350℃-900℃的再加热→在相同温度下保持0.1小时-5小时→缓冷。此外，对经过消除应力退火处理的锰合金纲辙叉10和碳素钢12之间的接合部进行喷丸处理，由此提高接合部的疲劳强度。此外，即便不进行消除应力退火处理地对接合部进行喷丸处理，也提高了接合部的疲劳强度。
实例
利用由下述材料构成的中间材料和嵌件，在以下所示的条件下并在一个工序中接合具有与锰合金钢辙叉相同材料的第一试样片、具有与碳素钢铁轨一样的材料的第二试样片，在表1中列出了如此获得的试样(发明例)的抗弯强度和疲劳强度的试验结果。在表1中也列出了分两步进行第一试样片和第二试样片的接合的试样(对比例)的抗弯强度和疲劳强度的试验结果。
1、第一试样片，60K(生)的锰合金铸钢(ScMnH3：JIS G 5131)
2、第二试样片，60K(生)的碳素钢(S55C：JISG4051)，(生)意味着未经过热处理的铁轨。
3、中间材料
材料组成：SUS347：C 0.08，Si 1.00，Mn 2.00，P 0.045，S 0.030，Ni＝9.00-13.00，Cr＝17.00-19.00，Nb 10×C％，厚度＝6毫米。
4、试样片表面的粗糙度(Rmax)：6微米。
5、第一嵌件(非晶态合金箔：镍系MBF-20)
组成：82.3wt％Ni-4.5wt％Si-3.2wt％B-3.0wt％Fe-7.0wt％Cr
(Bni-2：JIS Z 3265)
厚度40微米，熔点1040℃。
6、第二嵌件(非晶态合金箔：铁系2605S-C)
组成：81.0wt％Fe-13.5wt％B-3.5wt％Si-2.0wt％C
厚度为40微米，熔点1150℃。
7、发明例的接合条件
加热温度为1220℃，加热方法为高频感应加热(1.8/3.5KHz)，压力为1.5Pa，保持时间为4分钟。
8、对比例的结合条件
第一次(第二试样片和中间材料的接合)
加热温度为1250℃-1310℃，加热方法为高频感应加热(1.8/3.5KHz)，压力为1.5Pa，保持时间为4分钟。
第二次(第一试样片和中间材料的接合)
加热温度为1250℃-1310℃，加热方法为高频感应加热(1.8/3.5KHz)，压力为1.5Pa，保持时间为4分钟。表1
| 发明例 | 比较例 | |
| 弯曲强度 | HU：85-91吨 | HU：87-101吨 |
| 破裂位置 | 第2试样片热影响部 | 第2试样片热影响部 |
| 疲劳强度 | 200万次 | 200万次 |
| 应力振幅 | 21kgf/mm2 | 21kgf/mm2 |
| 破裂位置 | 未破裂 | 未破裂 |
根据上述结果，与分两步进行两个试样片的接合的方法相比，根据在一个工序中进行接合的发明例，获得了抗弯强度降低一些且与疲劳强度有关地获得了同样结果。即，即使在一个工序中进行两个试样片的接合，接合强度也没有明显降低，获得了所需的充分强度。因此，由于减少工序数，所以提高了效率。
在把与第一嵌件一样的铁系2605S-C用作第二嵌件的场合下，应力振幅根据疲劳强度而成为28kgf/mm2，而强度比镍系的MFB-20更高。
尽管在该实施例中作为锰合金钢铁轨地说明了用于道岔的辙叉，但也可以是其它部位的铁轨。
发明效果
如上所述，根据本发明的铁轨接合方法及接合铁轨，由于在一个工序中接合锰合金钢铁轨和碳素钢铁轨，所以减少了工序数并由此能降低成本。而且，由于通过中间材料接合这两段铁轨，所以缩小了每个产品的抗弯强度差异，稳定了产品质量。此外，由于通过中间材料明显增加了接合部的厚度，所以能够防止弯曲负荷集中在接合部上。
Claims (4)
1、一种接合锰合金钢铁轨(10)与碳素钢铁轨(12)的方法，其特征在于，在所述锰合金钢铁轨(10)的接合端面和由奥氏体系金属材料制成的且具有理想厚度的中间材料(14)之间插入其熔点比锰合金钢铁轨(10)和中间材料(14)的熔点低的第一嵌件(16)地对接的同时，在所述碳素钢铁轨(12)的接合端面和所述中间材料(14)之间插入其熔点比碳素钢铁轨(12)和中间材料(14)的熔点低的第二嵌件(18)地对接的状态下，在这两个接合面上施加所需压力并把接合部附近加热到这两个嵌件(16，18)的熔点以上且比这两段铁轨(10，12)和中间材料(14)的熔点低的预定温度并保持在该温度上，由此通过该中间材料(14)接合锰合金钢铁轨(10)和碳素钢铁轨(12)。
2、如权利要求1所述的铁轨接合方法，其特征在于，所述中间材料(14)是镍铬系不锈钢、双相不锈钢、镍基超合金钢和锰钢中的任何一种。
3、一种接合锰合金钢铁轨(10)与碳素钢铁轨(12)而成的接合铁轨，其特征在于，在所述锰合金钢铁轨(10)的接合端面和由奥氏体系金属材料制成的且具有理想厚度的中间材料(14)之间插入其熔点比锰合金钢铁轨(10)和中间材料(14)的熔点低的第一嵌件(16)地对接的同时，在所述碳素钢铁轨(12)的接合端面和所述中间材料(14)之间插入其熔点比碳素钢铁轨(12)和中间材料(14)的熔点低的第二嵌件(18)地对接的状态下，在这两个接合面上施加所需压力并把接合部附近加热到这两个嵌件(16，18)的熔点以上且比这两段铁轨(10，12)和中间材料(14)的熔点低的预定温度并保持在该温度上，由此通过该中间材料(14)接合锰合金钢铁轨(10)和碳素钢铁轨(12)。
4、如权利要求3所述的接合铁轨，其特征在于，所述中间材料(14)是镍铬系不锈钢、双相不锈钢、镍基超合金钢和锰钢中的任何一种。
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