KR102466820B1 - 레일의 제조 방법 및 해당 레일 - Google Patents

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Abstract

레일의 제조 방법으로서,
- 0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %, 1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %, 0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 % 및 0.5 % ≤ Cr ≤ 2.2 %, 그리고 선택적으로 0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %, 0.01 % ≤ V ≤ 0.30 % 0.0, 잔부로서 Fe 및 불순물을 포함하는 조성을 가지는 강을 주조하여 반제품을 얻는 단계;
- Ar3 보다 높은 최종 압연 온도 (TFRT) 로, 상기 반제품을, 레일의 형상을 갖고 헤드를 포함하는 열간 압연된 반제품으로 열간 압연하는 단계;
- 시간에 따른 상기 열간 압연된 반제품의 헤드의 온도가 상한과 하한 사이에 포함되도록, 200 ℃ 내지 520 ℃ 의 냉각 정지 온도 (TCS) 까지 헤드를 냉각하는 단계로서, 상한은 A1 (0 초, 780 ℃), B1 (50 초, 600 ℃), 및 C1 (110 초, 520 ℃) 에 의해 규정된 좌표를 가지고, 하한은 A2 (0 초, 675 ℃), B2 (50 초, 510 ℃), 및 C2 (110 초, 300 ℃) 에 의해 규정된 좌표를 가지는, 상기 냉각하는 단계;
- 헤드를 적어도 12 분의 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위내에 유지하는 단계, 및;
- 상기 열간 압연된 반제품을 실온으로 냉각시켜 레일을 얻는 단계를 포함한다.

Description

레일의 제조 방법 및 해당 레일
본 발명은 기계적 특성 및 내마모성 및 구름 접촉 (rolling contact) 내피로성이 우수한 강 레일의 제조 방법 뿐만 아니라 해당 강 레일에 관한 것이다.
최근에는 철도 운송을 개선하기 위해 열차 속도와 부하가 증가했으며 접촉 응력은 2000 MPa 를 초과할 수 있다. 이러한 보다 심각한 서비스 조건은 특히 무거운 산업 철도 통행에 대해서 내마모성 및 구름 접촉 내피로성이 높은 새 레일이 필요로 한다.
마모성 및 구름 접촉 피로성 (RCF) 는 철도 트랙에서 지연 파괴를 유발할 수 있는 두 가지 중요한 인자이다. 마모에 대한 메커니즘은 완전히 연구되었고 잘 이해되고 있어, 마모는 오늘날 철도 시스템에서 관리되는 반면, 레일의 점진적인 열화 및 조기 유지보수를 유발할 수 있는 RCF 결함의 형성을 방지하기 위한 효율적인 방안을 가지도록 RCF 에 대해서 아직 충분히 이해되지 않고 있다.
마모와 RCF 에 대처하기 위한 새로운 레일 강의 개발을 위한 종래의 접근 방식은 강의 경도와 강도를 높이는 것이었다. 철도용 종래의 펄라이트 등급의 경우에, 이러한 증가는 지난 40 년 동안 층간 간격을 줄이거나, 고가의 합금 원소를 추가하거나, 헤드 경화를 통해 달성되었다. 그럼에도 불구하고, 이러한 내마모성의 증가는 일반적으로 인성의 감소를 동반한다. 전술한 도전에서는, 향상된 기계적 특성을 가진 새로운 미세조직을 개발하기 위해 수행된 모든 연구에도 불구하고, 펄라이트 강 등급은 이미 마모 및 구름 접촉 피로 성능 측면에서 한계에 도달하였고, 이는 기존 철도 등급이 가장 까다로운 서비스 조건에 대처할 수 없음을 나타낸다.
예를 들어, 낮은 베이나이트 미세조직을 포함하는 베이나이트 강은 경도, 강도 및 인성의 양호한 조합으로 인해 차세대 고급 고강도 강들 및 튼튼한 레일들 및 철도 건널목의 후보 재료로 간주되어 왔다.
낮은 베이나이트 미세조직을 포함하는 베이나이트 강은 양호한 내마모성을 제공하지만 충분한 RCF 저항을 달성하지 못한다.
특히, WO 1996022396 A1 에는 고강도 내마모성 및 구름 접촉 내피로성 레일을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 레일은 0.05 % 내지 0.5 % C, 1.00 % 내지 3.00 % Si 및/또는 Al, 0.50 % 내지 2.50 % Mn 및 0.25 % 내지 2.50 % Cr 을 포함하는 조성을 갖는 강으로부터 제조된다. 레일은 마무리 열간 압연 온도에서 강을 공랭하여 제조된다.
EP 1 873 262 에는 0.3 % 내지 0.4 % C, 0.7 % 내지 0.9 % Si, 0.6 % 내지 0.8 % Mn 및 2.2 % 내지 3.0 % Cr 을 포함하는 강으로부터 고강도 가이드 레일을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 제조 방법은 베이나이트 조직의 형성 후 강을 공랭하는 단계를 포함한다. 하지만, EP 1 873 262 는 임의의 특정 냉각 속도에 대해서는 교시하지 않는다.
EP 0 612 852, US 2015218759 및 US 201514702188 에는 가속 냉각에 의해 베이나이트 레일을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 하지만, 이러한 레일은 충분한 구름 접촉 내피로성을 나타내지 않는다.
따라서, 강 레일을 제조하는데 있어 원하는 것이 남아 있다.
본 발명의 목적은 구름 접촉 내피로성 및 내마모성이 우수한 고성능 레일의 제조 방법을 제공하는 것이다.
특히, 레일의 헤드가 우수한 구름 접촉 내피로성 및 내마모성과 함께 적어도 1300 MPa 의 인장 강도, 적어도 1000 MPa 의 항복 강도, 적어도 13 % 의 총연신 및 적어도 420 HB 의 헤드의 구름 표면에서의 경도, 바람직하게는 적어도 430 HB 의 헤드의 구름 표면에서의 경도를 갖는 강 레일을 제조하는 것이 바람직하다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 헤드를 포함하는 레일의 제조 방법에 관한 것으로, 이하의 연속 단계들:
- 중량 백분율로,
0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %,
1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %,
0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 %,
및 0.5 % ≤ Cr ≤ 2.2 %
그리고 선택적으로
0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %,
0.01 % ≤ V ≤ 0.30 %
중 선택된 하나 이상의 원소들,
잔부로서 Fe 및 제련으로 인한 불가피한 불순물들
을 포함하는 화학적 조성을 가지는 강을 주조하여 반제품을 얻는 단계:
- Ar3 보다 높은 최종 압연 온도 (TFRT) 로, 상기 반제품을, 레일의 형상을 갖고 헤드를 포함하는 열간 압연된 반제품으로 열간 압연하는 단계;
- 시간에 따른 상기 열간 압연된 반제품의 헤드의 온도가 상한과 하한 사이에 포함되도록, 최종 압연 온도 (TFRT) 로부터 200 ℃ 내지 520 ℃ 의 냉각 정지 온도 (TCS) 까지 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 냉각하는 단계로서, 상한은 A1 (0 초, 780 ℃), B1 (50 초, 600 ℃), 및 C1 (110 초, 520 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가지고, 하한은 A2 (0 초, 675 ℃), B2 (50 초, 510 ℃), 및 C2 (110 초, 300 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가지는, 상기 냉각하는 단계;
- 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 적어도 12 분의 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위내에 유지하는 단계, 및;
- 상기 열간 압연된 반제품을 실온으로 냉각시켜 레일을 얻는 단계
를 포함한다.
상기 레일의 제조 방법은, 임의의 기술적으로 가능한 조합에 따라 또는 단독으로, 이하의 특징들 중 하나 이상을 더 포함할 수 있고,
- 레일의 헤드의 미세조직은, 면적 분율로:
- 49 % 내지 67 % 베이나이트;
- 0.80 % 내지 1.44 % 의 평균 탄소 함량을 가진, 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트; 및
- 13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
로 구성되며:
- 헤드의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 이상이고;
- 헤드의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 이며;
- 헤드의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 면적 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 이고;
- 잔류 오스테나이트의 평균 탄소 함량은 1.3 % 초과이며;
- 냉각 정지 온도 (TCS) 는 300 ℃ 내지 520 ℃ 이고;
- 냉각 정지 온도 (TCS) 는 200 ℃ 내지 300 ℃ 이며, 상기 방법은, 열간 압연된 반제품의 헤드를 냉각 정지 온도 (TCS) 로 냉각하는 단계 후에, 그리고 상기 헤드를 상기 온도 범위에 유지하는 단계 이전에, 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도까지 가열하는 단계를 더 포함하며;
- 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 냉각하는 단계는 워터 제트를 통해 수행되고;
- 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 냉각하는 단계 동안, 시간에 따른 상기 열간 압연된 반제품의 온도가 상한과 하한 사이에 있도록 상기 열간 압연된 반제품 전체를 냉각시키며;
- 상기 반제품을 열간 압연하는 단계 동안, 상기 반제품은 1080 ℃ 초과, 바람직하게는 1180 ℃ 초과의 열간 압연 개시 온도로부터 열간 압연되고;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 0.30 % ≤ C ≤0.60 % 을 포함하며;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 1.25 % ≤ Si ≤1.6 % 을 포함하고;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 1.09 % ≤ Mn ≤1.5 % 을 포함한다.
본 발명은 또한 열간 압연된 강 부품에 관한 것으로서, 중량 백분율로:
0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %,
1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %,
0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 %,
및 0.5 % ≤ Cr ≤2.2 %
그리고 선택적으로
0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %,
0.01 % ≤ V ≤ 0.30 %
중 선택된 하나 이상의 원소들,
잔부로서 Fe 및 제련으로 인한 불가피한 불순물들
을 포함하는 화학적 조성을 가지고;
강 레일은, 면적 분율로:
49 % 내지 67 % 베이나이트,
0.80 % 내지 1.44 % 의 평균 탄소 함량을 가진, 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트, 및
13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
로 구성되는 미세조직을 갖는 헤드를 포함한다.
열간 압연된 강 부품은, 임의의 기술적으로 가능한 조합에 따라 또는 단독으로, 이하의 특징들 중 하나 이상을 더 포함할 수 있으며:
- 레일의 헤드의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 초과이고;
- 레일의 헤드의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 이며;
- 레일의 헤드의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 면적 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 이고;
- 잔류 오스테나이트의 평균 탄소 함량은 1.3 % 초과이며;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 0.30 % ≤ C ≤0.6 % 을 포함하며;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 1.25 % ≤ Si ≤1.6 % 을 포함하며;
- 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량: 0.9 % ≤ Mn ≤1.5 % 을 포함하고;
- 레일의 헤드는 420 HB 내지 470 HB, 바람직하게는 450 HB 초과의 헤드의 구름 표면에서의 경도를 가지며;
- 레일의 헤드는 1300 MPa 내지 1450 MPa 의 인장 강도를 가지고;
- 레일의 헤드는 1000 MPa 내지 1150 MPa 의 항복 강도를 가지며;
- 레일의 헤드는 13 % 내지 18 % 의 총연신을 가진다.
본 발명의 다른 양태들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 실시예로서 주어진 이하의 설명을 읽으면서 명백해질 것이다.
도 1 은 레일의 단면도이다.
도 2 는 헤드를 냉각하는 단계 동안 시간에 따른 온도의 상한 및 하한을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 온도에 따른 3 개의 샘플들의 열 팽창 계수 중 선형 열 팽창 계수의 그래프이다.
본 발명에 따른 레일 (10) 의 실시형태가 도 1 에 도시되어 있다.
레일 (10) 은 헤드 (12) 와 받침대 (14) 를 포함하고, 받침대 (14) 및 헤드 (12) 는 지지체 (16) 를 통해 서로 연결된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 지지체 (16) 는 엄밀하게는 헤드 (12) 의 최대 폭보다 작은 최대 폭, 특히 헤드 (12) 의 최대 폭보다 적어도 50 % 작은 폭을 가진다.
마찬가지로, 지지체는 엄밀하게는 받침대의 최대 폭보다 작은 최대 폭, 특히 받침대의 최대 폭보다 적어도 50 % 작은 폭을 가진다.
헤드 (12), 받침대 (14) 및 지지체 (16) 는 일체로 제조된다.
레일 (10), 특히 레일 (10) 의 헤드 (12) 는, 중량 백분율로:
0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %, 보다 특히 0.30 % ≤ C ≤ 0.60 %,
1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %, 바람직하게는 1.25 % ≤ Si ≤ 1.6 %,
0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 %, 바람직하게는 1.09 % ≤ Mn ≤ 1.5 %,
및 0.5 % ≤ Cr ≤ 2.2 %,
그리고 선택적으로
0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %,
0.01 % ≤ V ≤ 0.30 %,
중에서 선택되는 하나 이상의 원소들,
잔부로서 Fe 및 제련으로 인한 불가피한 불순물들
을 포함하는 화학적 조성을 가진 강으로 제조된다.
이 합금에서, 탄소는 강의 원하는 미세조직 및 특성을 제어 및 조절하기 위한 메인 효과를 가진 합금 원소이다. 탄소는 오스테나이트를 안정화시키므로 실온에서도 오스테나이트를 유지하도록 한다. 게다가, 탄소는 양호한 연성 및 내충격성과 조합된 양호한 기계적 저항 및 원하는 경도를 달성할 수 있게 한다.
0.20 중량% 미만의 탄소 함량은, 불충분하게 안정된 잔류 오스테나이트, 불충분한 경도 및 인장 강도, 불충분한 구름 접촉 내피로성 및 내마모성을 형성시킨다. 0.60 % 초과의 탄소 함량에서, 중심 편석 (center-segregation) 의 출현에 의해 강의 연성 및 내충격성이 저하된다. 따라서, 탄소 함량은 0.20 중량% 내지 0.60 중량% 이다.
탄소 함량은 바람직하게는 0.30 중량% 내지 0.60 중량% 이다.
규소 함량은 1.0 중량% 내지 2.0 중량% 이다. 시멘타이트에 용해되지 않는 원소인 Si 는, 특히 베이나이트 형성 동안 탄화물 석출을 방지하거나 적어도 지연시키고, 잔류 오스테나이트내로 탄소의 확산을 허용하여, 잔류 오스테나이트의 안정화에 유리하다. Si 는 고용체 경화에 의해 강의 강도를 더 증가시킨다. 1.0 중량% 미만의 규소에서는 이러한 효과가 충분히 나타나지 않는다. 2.0 중량% 초과의 규소 함량에서, 내충격성은 큰 크기의 산화물의 형성에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. 더욱이, 2.0 중량% 초과의 Si 함량은 강의 열악한 표면 품질을 유발할 수 있다.
바람직하게는, Si 함량은 1.25 중량% 내지 1.6 중량% 이다.
망간 함량은 0.60 중량% 내지 1.60 중량%, 바람직하게는 1.09 중량% 내지 1.5 중량% 이다. Mn 은 미세조직을 제어하고 오스테나이트를 안정화시키는데 중요한 역할을 한다. 감마제닉 원소 (gammagenic element) 로서, Mn 은 오스테나이트의 변태 온도를 낮추고, 오스테나이트에서의 탄소 용해도를 증가시킴으로써 탄소 농축 가능성을 향상시키며, 그리고 펄라이트 형성을 지연시킴에 따라 적용가능한 냉각 속도 범위를 확장시킨다. Mn 은 고용체 경화에 의해 재료의 강도를 더욱 증가시키고 조직을 개선시킨다. 0.6 중량% 미만에서, 이러한 효과가 충분히 나타나지 않는다. 1.6 중량% 초과의 함량에서, Mn 은 너무 큰 분율의 마르텐사이트의 형성에 유리한데, 이는 제품의 연성에 해롭다.
크롬 함량은 0.5 중량% 내지 2.2 중량% 이다. Cr 은 잔류 오스테나이트를 안정화시키는데 효과적이고, 이의 미리 정해진 양을 보장해준다. 이는, 또한 강을 강화하는데 유용하다. 하지만, Cr 은 경화 효과를 위해 주로 첨가된다. Cr 은 저온 변태 상들의 성장을 촉진시키고 넓은 범위의 냉각 속도에서 목표로 하는 미세조직을 얻을 수 있게 한다. 0.5 % 미만의 함량에서, 이러한 효과가 충분히 나타나지 않는다. 2.2 % 초과의 함량에서, Cr 은 너무 큰 분율의 마르텐사이트의 형성에 유리한데, 이는 제품의 연성에 해롭다. 더욱이, 2.2 % 를 초과하는 함량에서, Cr 첨가는 불필요하게 값비싸지게 된다.
존재한다면, 몰리브덴 함량은 0.01 중량% 내지 0.3 중량% 이다. 본 발명의 강에서, Mo 는 일반적으로 적어도 0.01 % 함량으로 불순물로서 존재할 수 있거나, 자발적인 첨가물로서 첨가될 수 있다. 첨가되면, Mo 함량은 바람직하게는 적어도 0.10 % 이다. 첨가되면, Mo 는 강의 경화성을 향상시키고, 조직이 나타나는 온도를 감소시킴으로써 더 낮은 베이나이트의 형성을 더욱 촉진시키며, 더 낮은 베이나이트는 강의 양호한 내충격성을 초래한다. 0.3 중량% 를 초과하는 함량에서, Mo 는 동일한 내충격성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 더욱이, 0.3 % 를 초과하면, Mo 첨가는 불필요하게 값비싸진다.
존재한다면, 바나듐 함량은 0.01 % 내지 0.30 % 이다. 바나듐은 선택적으로 강화 및 정제 요소로서 첨가된다. 첨가되면, V 함량은 바람직하게는 적어도 0.10 % 이다. 0.10 % 미만에서는 기계적 특성에 유의한 영향이 나타나지 않는다. 0.30 % 초과에서는 본 발명에 따른 제조 조건하에서, 기계적 특성에 대한 영향의 포화가 나타난다. V 가 첨가되지 않으면, V 는 일반적으로 적어도 0.01 % 함량으로 불순물로서 존재한다.
조성의 잔부는 철 및 불가피한 불순물이다. 이와 관련하여, 니켈, 인, 황, 질소, 산소 및 수소는 불가피한 불순물인 잔류 원소들로서 간주된다. 따라서, 이들의 함량은 최대 0.05 % Ni, 최대 0.025 % P, 최대 0.020 % S, 최대 0.009 % N, 최대 0.003 % O 및 최대 0.0003 % H 이다.
레일 (10), 특히 레일 (10) 의 헤드 (12) 는, 면적 분율로:
- 49 % 내지 67 % 베이나이트;
- 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트, 및
- 13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
로 구성된 미세조직을 가진다.
베이나이트는 입상 베이나이트 및 라스형 탄화물이 없는 베이나이트를 포함할 수 있다. 본 발명의 프레임에서, 탄화물이 없는 베이나이트는 100 평방 마이크로미터의 표면 단위당 100 개 미만의 탄화물을 함유하는 베이나이트를 나타낼 것이다.
바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 이상이다.
잔류 오스테나이트 및 템퍼링된 마르텐사이트는 일반적으로 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이에 위치한 M/A 성분으로서 존재한다.
오스테나이트는 또한 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이의 베이나이트에 함유된다.
잔류 오스테나이트는 0.83 % 내지 1.44 %, 바람직하게는 1.3 % 초과의 평균 탄소 함량을 가진다.
바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 이다.
템퍼링된 마르텐사이트는 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이의 베이나이트 및 M/A 성분에 함유된다.
마르텐사이트는 템퍼링된 마르텐사이트이고, 바람직하게는 자가 템퍼링된 마르텐사이트이다. 일반적으로, 템퍼링된 마르텐사이트는 낮은 탄소 함량, 즉 강에서 평균 C 함량보다 엄밀하게는 낮은 평균 C 함량을 가진다.
바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 표면 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 이다.
레일 (10) 의 헤드 (12) 는 적어도 420 HB 의 헤드의 구름 표면에서의 경도, 일반적으로 430 HB 내지 470 HB 의 헤드의 구름 표면에서의 경도, 적어도 1300 MPa 의 인장 강도, 일반적으로 1300 MPa 내지 1450 MPa 의 인장 강도, 적어도 1000 MPa 의 항복 강도, 일반적으로 1000 MPa 내지 1150 MPa 의 항복 강도, 및 적어도 13 % 의 총연신, 일반적으로 13 % 내지 18 % 의 총연신을 가진다.
본 발명에 따른 레일 (10) 의 제조는 임의의 적합한 방법에 의해 수행될 수 있다.
이러한 레일을 제조하는 바람직한 방법은, 반제품을 얻기 위해 강을 주조하는 단계를 포함하며, 상기 강은 상기 화학적 조성을 가진다.
본 방법은, Ar3 보다 높은 최종 압연 온도 (TFRT) 로, 반제품을 레일 (10) 의 형상을 갖고 헤드 (12) 를 포함하는 열간 압연된 반제품으로 열간 압연하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 반제품을 열간 압연하는 단계 동안, 반제품은 1080 ℃ 초과, 바람직하게는 1180 ℃ 초과의 열간 압연 개시 온도로부터 열간 압연된다.
예를 들어, 열간 압연 전에, 반제품은 1150 ℃ 내지 1270 ℃ 의 온도로 재가열된 후 열간 압연된다.
열간 압연이 완료된 후, 레일 (10) 은 바람직하게는 유도로 (induction furnace) 전체를 통과한다. 이는 오스테나이트 분해를 방지할 수 있게 한다.
레일 (10) 을 제조하는 방법은, 그 후에, 시간에 따른 열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 온도가 도 2 에 도시된 바와 같이 상한과 하한 사이에 포함되도록, 최종 압연 온도 (TFRT) 로부터 200 ℃ 내지 520 ℃ 의 냉각 정지 온도 (TCS) 까지 열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 를 냉각하는 단계를 포함하고, 상한은 A1 (0 초, 780 ℃), B1 (50 초, 600 ℃), 및 C1 (110 초, 520 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가지고, 하한은 A2 (0 초, 675 ℃), B2 (50 초, 510 ℃), 및 C2 (110 초, 300 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가진다.
냉각 정지 온도 (TCS) 는 냉각이 정지되는 온도이다.
제 1 실시형태에서, 냉각 정지 온도 (TCS) 는 300 ℃ 내지 520 ℃ 이다.
이 실시형태에서, 헤드는 전술한 지점들 (C1 및 C2) 사이의 지점에 도달하기 전에 또는 도달한 후에 냉각 정지 온도 (TCS) 에 도달할 수 있다.
제 2 실시형태에서, 냉각 정지 온도 (TCS) 는 200 ℃ 내지 300 ℃ 이다. 이 실시형태에서, 냉각 동안, 지점들 (C1 및 C2) 사이의 지점에 도달한 후, 헤드 (12) 는 냉각 정지 온도 (TCS) 로 더 냉각된다. 냉각 정지 온도 (TCS) 로 냉각하는 동안, 베이나이트 및 마르텐사이트로의 오스테나이트의 부분적인 변태가 발생한다.
열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 가 시간에 따른 온도가 상한보다 높게 되도록 냉각되면, 페라이트 및 펄라이트가 형성될 것이고, 냉각시에 탄화물이 석출되어, 원하는 조직이 얻어지지 않을 것이다.
열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 가 시간에 따른 온도가 하한보다 낮게 되도록 냉각되면, 너무 많은 마르텐사이트 분획물 및 불충분한 베이나이트 분획물이 얻어질 것이다.
보다 구체적으로, 열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 를 냉각하는 단계 동안, 시간에 따른 열간 압연된 반제품의 온도가 상한과 하한 사이에 포함되도록 열간 압연된 반제품 전체를 냉각시킨다.
열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 를 냉각하는 단계는 바람직하게는 워터 제트를 통해 수행된다. 이러한 워터 제트는 빠른 냉각 속도를 달성하게 하고 열 방출 및 회수 온도를 제어하게 한다.
이러한 냉각하는 단계 후에, 상기 방법은 열간 압연된 반제품의 헤드 (12) 를 적어도 12 분의 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위로 유지하는 단계를 포함하고, 유지 시간 (thold) 은 유리하게는 15 분 내지 23 분 사이이다.
바람직하게는, 전체 열간 압연된 반제품은 상기 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위로 유지된다.
이러한 유지 단계 동안, 베이나이트로의 오스테나이트의 변태가 완료된다.
또한, 마르텐사이트에서 오스테나이트로의 탄소 구획은 오스테나이트를 안정화시키고 마르텐사이트를 템퍼링한다.
300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위에서 유지 시간 (thold) 이 12 분 미만이면, 베이나이트의 불충분한 분획물이 형성되어, 오스테나이트가 마르텐사이트로의 너무 중요한 변태가 후속의 실온으로 냉각되는 동안 발생한다.
예를 들어, 헤드 (12) 는 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 유지 온도 (thold) 에 유지된다.
냉각 정지 온도가 300 ℃ 내지 520 ℃ 이면, 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위로 헤드 (12) 를 유지하는 단계는, 예를 들어 냉각 정지 온도 (TCS) 로 냉각한 직후에 수행된다. 또한, 유지 온도 (Thold) 는 냉각 정지 온도 (TCS) 이상이다.
냉각 정지 온도가 200 ℃ 내지 300 ℃ 이면, 상기 방법은, 헤드를 냉각 정지 온도 (TCS) 로 냉각한 후에, 그리고 헤드를 이 온도 범위로 유지하는 단계 전에, 열간 압연된 반제품의 헤드를 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도까지 가열하는 단계를 더 포함한다. 이러한 경우에, 유지 온도 (Thold) 는 냉각 정지 온도 (TCS) 보다 높다.
헤드 (12) 를 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위로 유지한 후에, 열간 압연된 반제품은 실온으로 냉각되어 레일 (10) 을 얻게 된다. 열간 압연된 반제품은, 바람직하게는 공랭을 통하여, 특히 자연 공랭을 통하여 실온으로 냉각된다.
유리하게는, 냉각 후에, 레일 (10) 은, 면적 분율로:
- 49 % 내지 67 % 베이나이트;
- 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트, 및
- 13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
로 구성되는 미세조직을 가진다.
베이나이트는 입상 베이나이트 및 탄화물이 없는 베이나이트를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 이상이다.
잔류 오스테나이트 및 템퍼링된 마르텐사이트는 일반적으로 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이에 위치한 M/A 성분으로서 존재한다.
오스테나이트는 또한 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이의 베이나이트에 함유된다.
잔류 오스테나이트는 0.80 % 내지 1.44 %, 바람직하게는 1.3 % 초과의 평균 탄소 함량을 가진다.
바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 이다.
템퍼링된 마르텐사이트는 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이의 베이나이트 및 M/A 성분에 함유된다.
마르텐사이트는 템퍼링된 마르텐사이트이고, 바람직하게는 자가 템퍼링된 마르텐사이트이다. 일반적으로, 마르텐사이트는 낮은 탄소 함량, 즉 강에서 평균 C 함량보다 엄밀하게는 낮은 평균 C 함량을 가진다.
바람직하게는, 헤드 (12) 의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 표면 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 이다.
레일 (10) 의 헤드 (12) 는 430 HB 내지 470 HB 의 헤드의 구름 표면에서의 경도, 1300 MPa 내지 1450 MPa 의 인장 강도, 1000 MPa 내지 1150 MPa 의 항복 강도 및 13 % 내지 18 %의 총연신을 가진다.
선택적으로, 상기 방법은, 예를 들어 열간 압연된 반제품을 실온으로 냉각한 후에 수행되는 마무리 단계, 특히 기계가공 또는 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다. 표면 처리 단계들은, 특히 쇼트 피닝 처리일 수 있다.
실시예들
본 발명의 발명자들은 이하의 실험을 수행하였다.
중량으로 표현된 표 1 에 따른 조성을 갖는 강이 반제품 형태로 제공되었다.
Figure 112020052577417-pct00001
반제품은 Ar3 보다 높은 최종 압연 온도 (TFRT) 로 레일 형상을 갖는 열간 압연된 반제품으로 열간 압연된 후, 열간 압연된 반제품이 초기 냉각 시간 (t0) = 0 초에서 온도 (T0) 에서부터 50 초의 냉각 후에 온도 (T50) 에 도달한 후 110 초의 냉각 후에 온도 (T110) 에 도달하는 냉각 속도로, 최종 압연 온도 (TFRT) 에서 냉각 정지 온도 (TCS) 까지 냉각되었다.
그 후에, 레일들의 헤드들은 유지 시간 (thold) 동안 냉각 정지 온도 (TCS) 와 동일한 온도 (Thold) 에서 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위로 유지되었다.
레일들은 최종적으로 실온으로 냉각되었다.
레일들의 제조 조건은 하기 표 2 에 요약되어 있다.
Figure 112020052577417-pct00002
화학적 조성:
화학적 분석을 위한 샘플들은, EN 13674-1:2011 의 9.1.3 에 개시된 바와 같이 인장 시험 샘플 위치로부터 얻어진 후, 스파크 방출 분광법에 의해 연마 및 분석되어 평균 중량 백분율 (wt%) 을 결정하였다. 또한, 1 g 의 여러 개의 핀들에 대해 추출, 탈지 및 연소 미량 원소 분석을 수행하여, LECO C/S & LECO N/O 분석기에서 N, O, S 및 C 의 백분율을 발견하였다. 수소는 또한 IR-흡수에 의해 분석되었다. 강의 화학적 조성은 이하의 표 3 에 나타나있다.
Figure 112020052577417-pct00003
피로 시험:
피로 샘플들은 레일의 헤드로부터 추출되어 ASTM E606-12 에 따라 기계가공되었다.
피로 시험은, 0.00135 ㎛ 의 "피크 대 피크" 진폭을 갖는 변형율 제어로, 유압 범용 시험기인 INSTRON 8801 에서 실온에서 수행되었다. 사용된 파형은, 인장시 +0.000675 ㎛ 의 대칭 변형률과 압축시 -0.000675 ㎛ 의 변형율을 가진 사인파였다. 런아웃은 5 백만 사이클이었고, 이 값에서 시험을 중단하였다.
각각의 샘플에 대해 3 개의 복제물들을 시험하였다.
런아웃은 5 백만 사이클이었고, 이 값에서 시험을 중단하였다.
Figure 112020052577417-pct00004
미세조직 - 광학 현미경:
EN 13674-1:2011 의 조항 9.1.4 에 따라 레일 헤드로부터 금속조직 샘플을 얻었다.
금속조직 샘플은 레일 샘플들의 미세조직을 나타내기 위해 분쇄, 연마 및 나이탈 (Nital) 2 % 로 에칭되었다. Leica DMi4000 현미경을 사용하여 현미경 관찰을 수행하였다.
전체 레일 헤드에서의 전체 미세조직 외관은, 완전 베이나이트계이고, 즉, 모든 샘플들에 대해 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들, 및 베이나이트의 라스들 또는 플레이트들 사이에 분산된 마르텐사이트 및 오스테나이트로 구성된다. 미세조직의 성질은 고해상도 주사 전자 현미경 및 XR-분광에 의해 보다 상세하게 분석되었다.
XR 회절 및 고해상도 주사 전자 현미경에 의한 미세조직의 특성분석:
샘플 523513Y208 에 대한 상세한 분석이 수행되었다. 전자 현미경 분석은 고해상도 전계 방출 전자총 현미경 (FEG-SEM) Zeiss Ultra Plus 에 의해서 수행되었다. CuKα 방사선을 사용하여 X-선 회절계 Bruker D8 Advance 에서 회절 시험들을 수행하였다.
오스테나이트 함량 및 그 탄소 함량은 ASTM E975 표준의 권고에 따라 XRD 에 의해 측정되었다.
M/A 성분의 함량은 ASTM E562 표준에 따라 SEM 이미지상의 수동 포인트 카운트 방법에 의해 얻어졌다. 그 다음에, 마르텐사이트 함량은 M/A 성분의 함량에서 XRD 에 의해 측정된 잔류 오스테나이트의 함량을 감산함으로써 결정된다. 100 % 까지 밸런스는 베이나이트로 구성된다.
미세조직은 61.3 % 의 베이나이트, 1.38 % 의 탄소 함량을 가진 20.20 % 의 잔류 오스테나이트 및 18.5 % 의 마르텐사이트를 포함한다.
경도:
한편, 브리넬 경도는 EN 13674-1:2011 의 조항 9.1.8 (3 회 측정의 평균값) 에 따라서 레일 헤드 구름 표면에서 평가되었다.
다른 한편, 브리넬 경도는 레일의 단면에서 그리고 자동 경도계 Leco LV700AT 를 사용하여 평가되었다.
표 5 는 구름 표면 (RS) 및 단면의 다른 지점들에서 경도 시험의 평균값들을 나타낸다.
Figure 112020052577417-pct00005
인장 시험:
EN 13674-1:2011 의 조항 9.1.9 에 따라서, 10 mm 직경의 비례 원형 시험편들을 사용하여 ISO 6892-1 에 따라 인장 시험을 수행하였다. 시험 샘플들 (D0=10 mm, L0=50 mm) 은 추출되었고 Instron 600DX 범용 기계 시험기를 사용하여 시험되었다.
각각의 샘플에 대해 3 개의 복제물들을 시험하였다.
표 6 은 항복 강도 (YS), 인장 강도 (TS) 및 연신 (A50) 에 대한 결과를 나타낸다.
Figure 112020052577417-pct00006
선형 열팽창 계수 ( LTEC ):
LTEC 는 레일의 구름 방향으로 측정되었다. 시험 샘플들 (4 mm 직경 및 10 mm 길이) 은 인장 샘플 중심 위치로부터 추출되었고, 열팽창 계수는 고해상도 팽창계측법 (BAHR 805A/D) 에 의해 2 ℃/분에서 -70 ℃ 에서 70 ℃ 까지 평가되었다.
수행된 3 개의 가열 실행들 중 하나에 대하여 상대 길이 변화 (dL/L0) 및 열팽창 계수 (CTE) 가 도 3 에 도시된다.
그 다음에, 기준 온도로서 25℃ 를 사용하는 기술 LTEC 가 표 7 에 나타나 있다.
Figure 112020052577417-pct00007

Claims (28)

  1. 헤드를 포함하는 레일의 제조 방법으로서, 다음의 연속적인 단계들,
    - 중량 백분율로,
    0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %,
    1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %,
    0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 %,
    및 0.5 % ≤ Cr ≤ 2.2 %
    그리고 선택적으로
    0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %,
    0.01 % ≤ V ≤ 0.30 %
    중 선택된 하나 이상의 원소들,
    잔부로서 Fe 및 제련으로 인한 불가피한 불순물들
    을 포함하는 화학적 조성을 가지는 강을 주조하여 반제품을 얻는 단계;
    - Ar3 보다 높은 최종 압연 온도 (TFRT) 로, 상기 반제품을, 레일의 형상을 갖고 헤드를 포함하는 열간 압연된 반제품으로 열간 압연하는 단계;
    - 시간에 따른 상기 열간 압연된 반제품의 상기 헤드의 온도가 상한과 하한 사이에 포함되도록, 최종 압연 온도 (TFRT) 로부터 200 ℃ 내지 520 ℃ 의 냉각 정지 온도 (TCS) 까지 상기 열간 압연된 반제품의 상기 헤드를 냉각하는 단계로서, 상기 상한은 A1 (0 초, 780 ℃), B1 (50 초, 600 ℃), 및 C1 (110 초, 520 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가지고, 상기 하한은 A2 (0 초, 675 ℃), B2 (50 초, 510 ℃), 및 C2 (110 초, 300 ℃) 에 의해 규정된 시간과 온도의 좌표를 가지는, 상기 냉각하는 단계;
    - 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 적어도 12 분의 유지 시간 (thold) 동안 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위내에 유지하는 단계, 및;
    - 상기 열간 압연된 반제품을 실온으로 냉각시켜 상기 레일을 얻는 단계
    를 포함하는, 레일의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드의 미세조직은, 면적 분율로,
    - 49 % 내지 67 % 베이나이트;
    - 0.80 % 내지 1.44 % 의 평균 탄소 함량을 가진, 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트;
    - 13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
    로 구성되는, 레일의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 헤드의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 이상인, 레일의 제조 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 헤드의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 인, 레일의 제조 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 헤드의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 면적 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 인, 레일의 제조 방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 잔류 오스테나이트의 평균 탄소 함량은 1.3 % 초과인, 레일의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 정지 온도 (TCS) 는 300 내지 520 ℃ 인, 레일의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 정지 온도 (TCS) 는 200 ℃ 내지 300 ℃ 이며, 상기 방법은, 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 상기 냉각 정지 온도 (TCS) 로 냉각하는 단계 후에, 그리고 상기 헤드를 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도 범위내에 유지하는 단계 이전에, 상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 300 ℃ 내지 520 ℃ 의 온도까지 가열하는 단계를 더 포함하는, 레일의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열간 압연된 반제품의 상기 헤드를 냉각하는 단계는 워터 제트를 통해 수행되는, 레일의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열간 압연된 반제품의 헤드를 냉각하는 단계 동안, 시간에 따른 상기 열간 압연된 반제품의 온도가 상기 상한과 상기 하한 사이에 포함되도록 상기 열간 압연된 반제품 전체가 냉각되는, 레일의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반제품을 열간 압연하는 단계 동안, 상기 반제품은 1080 ℃ 초과의 열간 압연 개시 온도로부터 열간 압연되는, 레일의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열간 압연 개시 온도는 1180 ℃ 초과인, 레일의 제조 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    0.30 % ≤ C ≤ 0.60 %
    을 포함하는, 레일의 제조 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    1.25 % ≤ Si ≤ 1.6 %
    을 포함하는, 레일의 제조 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    1.09 % ≤ Mn ≤ 1.5 %
    을 포함하는, 레일의 제조 방법.
  16. 강으로 제조된 강 레일로서, 상기 강은, 중량 백분율로,
    0.20 % ≤ C ≤ 0.60 %,
    1.0 % ≤ Si ≤ 2.0 %,
    0.60 % ≤ Mn ≤ 1.60 %,
    및 0.5 % ≤ Cr ≤ 2.2 %
    그리고 선택적으로
    0.01 % ≤ Mo ≤ 0.3 %,
    0.01 % ≤ V ≤ 0.30 %
    중 선택된 하나 이상의 원소들,
    잔부로서 Fe 및 제련으로 인한 불가피한 불순물들
    을 포함하는 화학적 조성을 가지고,
    상기 강 레일은, 면적 분율로,
    49 % 내지 67 % 베이나이트,
    0.80 % 내지 1.44 % 의 평균 탄소 함량을 가진, 14 % 내지 25 % 잔류 오스테나이트, 및
    13 % 내지 34 % 템퍼링된 마르텐사이트
    로 구성되는 미세조직을 갖는 헤드를 포함하는, 강 레일.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드의 미세조직에서 베이나이트의 면적 분율은 56 % 초과인, 강 레일.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드의 미세조직에서 잔류 오스테나이트의 면적 분율은 18 % 내지 23 % 인, 강 레일.
  19. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드의 미세조직에서 템퍼링된 마르텐사이트의 면적 분율은 14.5 % 내지 22.5 % 인, 강 레일.
  20. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 잔류 오스테나이트의 평균 탄소 함량은 1.3 % 초과인, 강 레일.
  21. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    0.30 % ≤ C ≤ 0.6 %
    을 포함하는, 강 레일.
  22. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    1.25 % ≤ Si ≤ 1.6 %
    을 포함하는, 강 레일.
  23. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 강의 화학적 조성은, 중량 백분율로 표시되는 함량:
    0.9 % ≤ Mn ≤ 1.5 %
    을 포함하는, 강 레일.
  24. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드는 420 HB 내지 470 HB 의 상기 헤드의 구름 표면에서의 경도를 가지는, 강 레일.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드는 430 HB 내지 470 HB 의 상기 헤드의 구름 표면에서의 경도를 가지는, 강 레일.
  26. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드는 1300 MPa 내지 1450 MPa 의 인장 강도를 가지는, 강 레일.
  27. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드는 1000 MPa 내지 1150 MPa 의 항복 강도를 가지는, 강 레일.
  28. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레일의 헤드는 13 % 내지 18 % 의 총연신을 가지는, 강 레일.
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