РЕЛЬС
RAIL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001]
Настоящее изобретение относится к высокопрочному рельсу, который используется на грузовых железных дорогах и имеет превосходное сопротивление износу и сопротивление к внутренним усталостным повреждениям.
Приоритет испрашивается по заявке на патент Японии № 2015-011006, поданной 23 января 2015 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
В процессе экономического развития разрабатываются новые природные ресурсы, такие как уголь. В частности, развивается добывающая промышленность в районах с суровыми природными условиями, которые раньше не разрабатывались. Наряду с этим сеть грузовых железных дорог, используемых для транспортировки ресурсов, становится все более и более загруженной. В результате рельсы теперь должны обладать большим сопротивлением износу, чем когда-либо ранее.
Кроме того, грузовой железнодорожный транспорт в последнее время стал более перегруженным. По этим причинам растет опасность того, что усталостное разрушение будет происходить изнутри головки рельса (в положении на глубине 20-30 мм от наружной поверхности части головки в форме неиспользуемого рельса).
Отсюда возникает потребность в разработке высокопрочных рельсов с улучшенным сопротивлением износу и устойчивостью к внутренним усталостным повреждениям.
[0003]
Для того, чтобы улучшить сопротивление рельсовой стали износу, были разработаны высокопрочные рельсы, описанные, например, в Патентных документах 1 и 2. Главными характеристиками этих рельсов являются твердость стали, увеличиваемая путем совершенствования расположения чешуек в перлитной структуре с использованием термической обработки для того, чтобы улучшить сопротивление износу, а также увеличенная объемная доля цементита в чешуйках перлитной структуры благодаря увеличению количества углерода в стали.
В частности, Патентный документ 1 раскрывает, что рельс с превосходным сопротивлением износу получается путем выполнения ускоренного охлаждения на части головки рельса, который прокатывается или повторно нагревается, со скоростью охлаждения от 1°C/с до 4°C/с от температуры аустенитной области до диапазона 850°C - 500°C.
В дополнение к этому, Патентный документ 2 раскрывает, что рельс, имеющий превосходное сопротивление износу, может быть получен путем увеличения объемной доли цементита в чешуйках перлитной структуры с использованием заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и 1,20 мас.% или меньше).
[0004]
В технологиях, раскрытых в Патентных документах 1 и 2, сопротивление износу некоторой области может быть улучшено путем измельчения распределения чешуек в перлитной структуре для того, чтобы улучшить твердость и увеличить объемную долю цементита в чешуйках перлитной структуры.
Однако в рельсах, раскрытых в Патентных документах 1 и 2, внутреннее усталостное разрушение не может быть подавлено.
[0005]
С учетом вышеописанных проблем были предложены высокопрочные рельсы, описанные, например, в Патентных документах 3 и 4. Главными характеристиками этих рельсов являются управление перлитным превращением путем добавления небольшого количества легирующих или твердостью внутренней части головки, улучшаемой путем выделения небольшого количества сплава в перлитной структуре для того, чтобы улучшить стойкость к внутреннему усталостному разрушению в дополнение к улучшению сопротивления износу.
В частности, Патентный документ 3 раскрывает, что твердость внутренней части головки улучшается путем добавления B к заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и 1,20 мас.% или меньше) для того, чтобы управлять температурой перлитного фазового превращения внутри части головки. Кроме того, Патентный документ 4 раскрывает, что твердость внутренней части головки улучшается путем добавления V и N к заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и 1,20 мас.% или меньше) и включения карбонитридов V в перлитной структуре.
[0006]
В Патентном документе 3 или 4 сопротивление износу улучшается путем увеличения объемной доли цементита в чешуйках перлитной структуры, и твердость внутренней части головки улучшается путем управления температурой перлитного фазового превращения во внутренней части головки или усиления выделения перлитной структуры так, чтобы стойкость к внутреннему усталостному разрушению некоторой области могла быть улучшена. Однако в методиках Патентных документов 3 и 4, поскольку химический состав основан на заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и 1,20 мас.% или меньше), имеющей большое количество углерода, ударная вязкость перлитной структуры является низкой, и хрупкие трещины могут образовываться во внутренней части головки. Соответственно, при использовании рельсов в тяжелых условиях эксплуатации, что стало востребовано в последние годы, достаточные характеристики не могли быть получены, и таким образом возникла проблема дальнейшего улучшения стойкости к внутреннему усталостному разрушению. В дополнение к этому, в методиках Патентных документов 3 и 4 имеется проблема, заключающаяся в том, что твердость улучшается в недостаточной степени благодаря изменению в производственных условиях, и таким образом стойкость к внутреннему усталостному разрушению может уменьшиться.
[0007]
С учетом таких проблем, например, Патентный документ 5 предлагает новый высокопрочный рельс с улучшенным сопротивлением износу и стойкостью к внутреннему усталостному разрушению, которые требуются для рельса. Главными характеристиками такого рельса являются количество углерода, уменьшенное для того, чтобы улучшить ударную вязкость перлитной структуры, и небольшое количество сплава, добавляемого для того, чтобы улучшить стойкость к внутреннему усталостному разрушению так, чтобы твердость внутренней части головки улучшалась за счет дисперсионного твердения. В частности, в Патентном документе 5 твердость внутренней части головки улучшается путем управления содержанием Mn и содержанием Cr и добавления V и N к эвтектоидной стали (C: от 0,73 мас.% до 0,85 мас.%), имеющей перлитную структуру с превосходной ударной вязкостью.
[0008]
Однако в методике, раскрытой в Патентном документе 5, аномальные структуры, такие как бейнит или мартенсит, вредные для сопротивления износу, образуются в зависимости от производственных условий, даже при управлении содержанием Mn и содержанием Cr. Кроме того, даже когда добавляются V и N и соотношение между V и N контролируется, управление размером частиц или распределением нитридов V осуществляется в недостаточной степени, увеличение твердости внутренней части головки становится чрезмерным, и достаточное увеличение твердости внутренней части головки не обеспечивается и, соответственно, происходит внутреннее усталостное разрушение. Следовательно, целями являются предотвращение образования аномальных структур, улучшение сопротивления износу, устойчивое образование включений на основе V и улучшение стойкости к внутреннему усталостному разрушению.
[0009]
Как было описано выше, высокопрочный рельс, который мог бы использоваться на грузовых железных дорогах в тяжелых эксплуатационных условиях и имел бы превосходное сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению, не был предложен.
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0010]
[Патентный документ 1] Японская рассмотренная патентная заявка, Вторая публикация № S63-023244
[Патентный документ 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H08-144016
[Патентный документ 3] Японский патент (выданный) № 3445619
[Патентный документ 4] Японский патент (выданный) № 3513427
[Патентный документ 5] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № 2009-108396
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0011]
Настоящее изобретение было создано с учетом вышеописанных проблем, и задачей настоящего изобретения является предложить рельс с улучшенным сопротивлением износу и стойкостью к внутреннему усталостному разрушению, которые требуются для рельса, используемого на грузовых железных дорогах, в частности в тяжелых эксплуатационных условиях.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0012]
2
(1) В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается рельс, включающий в себя, в мас.%: C: от 0,75 до 0,85; Si: от 0,10 до 1,00; Mn: от 0,30 до 1,20; Cr: от 0,20 до 0,80; V: от 0,01 до 0,20; N: от 0,0040 до 0,0200; Mo: от 0 до 0,50; Со: от 0 до 1,00; B: от 0 до 0,0050; Cu: от 0 до 1,00; Ni: от 0 до 1,00; Nb: от 0 до 0,0500; Ti: от 0 до 0,0500, Mg: от 0  до 0,0200; Ca: от 0 до 0,0200; REM: от 0 до 0,0500; Zr: от 0 до 0,0200; Al: от 0 до 1,00; P ≤ 0,0250; С ≤ 0,0250; и остаток из Fe и примесей, удовлетворяются следующие Выражения 1 и 2, и структура до глубины 25 мм от наружной поверхности части головки включает в себя 95% или больше перлитной структуры, твердость которой находится в диапазоне HV 350-480, в котором от 50 до 500 карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, присутствуют на 1,0 мкм площади сечения в поперечном направлении в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, и значение, получаемое путем вычитания твердости положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки из твердости положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, равно от HV 0 до HV 40.
1,00 < Mn/Cr ≤ 4,00 ··· Выражение a
0,30 ≤ 0,25 × Mn+Cr ≤ 1,00 ··· Выражение b
Здесь символы элементов в Выражениях a и b указывают количество каждого элемента в мас.%.
(2) В рельсе по п. (1), когда количество атомов углерода в карбонитридах V определяется как CA, а количество атомов азота в карбонитридах V определяется как NA, отношение CA/NA, которое является отношением CA к NA, может составлять 0,70 или меньше.
(3) Рельс по п. (1) или (2) может включать в себя по меньшей мере один элемент, выбираемый из группы, состоящей из, в мас.%: Mo: от 0,01 до 0,50; Со: от 0,01 до 1,00; B: от 0,0001 до 0,0050; Cu: от 0,01 до 1,00; Ni: от 0,01 до 1,00; Nb: от 0,0010 до 0,0500; Ti: от 0,0030 до 0,0500; Mg: от 0,0005 до 0,0200; Ca: от 0,0005 до 0,0200; REM: от 0,0005 до 0,0500, Zr: от 0,0001 до 0,0200; и Al: от 0,0100 до 1,00.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013]
В соответствии с аспектом настоящего изобретения сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельса могут быть улучшены путем управления составом сплава, структурами, количеством карбонитридов V в рельсовой стали (стали, служащей материалом для рельса), управления твердостью поверхности части головки или внутренней части головки, управления разностью в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки, а также управления составом карбонитридов V. Кроме того, срок службы этого рельса в случае его использования на грузовых железных дорогах может быть значительно увеличен.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014]
Фиг. 1 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение температуры изотермического превращения, твердости и металлографической структуры.
Фиг. 2 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение между значениями Mn/Cr, определяемыми Выражением 1, и металлографической структурой.
Фиг. 3 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение между значениями 0,25 × Mn+Cr, определяемыми Выражением 2, и твердостью части головки рельса.
2
2
Фиг. 4 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение между количеством (шт/мкм) карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм, на единичной площади (1,0 мкм) и твердостью части головки рельса.
Фиг. 5 представляет собой диаграмму, показывающую соотношение между отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) в карбонитридах и присутствием или отсутствием волосных трещин в периферии карбонитридов V во время испытания на контактную усталость при качении.
Фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую названия каждого положения на поперечном сечении части головки, а также область, для которой требуется перлитная структура, для рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
Фиг. 7 показывает положение, из которого берутся образцы для испытания на износ.
Фиг. 8 показывает схему испытания на износ.
Фиг. 9 показывает схему испытания на контактную усталость при качении.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015]
Далее будет подробно описан рельс, имеющий превосходное сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения (в дальнейшем также называемый рельсом в соответствии с настоящим вариантом осуществления). В дальнейшем «мас.%» в композиции может описываться просто как «%».
[0016]
Рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления имеет следующие характеристики.
(i) Рельс имеет предопределенный химический состав и удовлетворяет выражениям 1,00 < Mn/Cr ≤ 4,00 и 0,30 ≤ 0,25 × Mn+Cr ≤ 1,00
(ii) Структура до глубины 25 мм от наружной поверхности части головки включает в себя 95% или больше перлитной структуры, и число твердости по Виккерсу этой структуры находится в диапазоне HV 350-480.
2
(iii) От 50 до 500 карбонитридов V, имеющих средний размер частиц 5-20 нм, присутствует на 1,0 мкм рассматриваемой площади сечения в поперечном направлении в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки.
(iv) Значение, получаемое путем вычитания твердости положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки из твердости положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, равно от HV 0 до HV 40.
(v) Когда количество атомов углерода в карбонитридах V определяется как CA, а количество атомов азота в карбонитридах V определяется как NA, отношение CA/NA, которое является отношением CA к NA, предпочтительно составляет 0,70 или меньше.
[0017]
<Причина ограничения металлографической структуры и требуемых областей перлитной структуры>
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо, чтобы 95% или больше (доля площади) площади на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки имело перлитную структуру.
[0018]
Сначала будет описана причина для задания доли площади перлитной структуры равной 95% или больше.
Считается, что в той части головки рельса, которая входит в контакт с колесами, сопротивление износу является самой важной вещью, которую необходимо гарантировать. В результате исследования соотношения между металлографической структурой и сопротивлением износу, проведенного авторами настоящего изобретения, было подтверждено, что перлитная структура имеет наилучшее сопротивление износу. Кроме того, твердость (прочность) перлитной структуры легко получается, даже когда количество элементов сплава является небольшим, и ее стойкость к внутреннему усталостному разрушению является превосходной. Следовательно, с целью улучшения сопротивления износу и стойкости к внутреннему усталостному разрушению доля площади перлитной структуры должна составлять 95% или больше. Когда доля площади перлитной структуры составляет меньше чем 95%, сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшаются в недостаточной степени.
[0019]
Далее будет описана причина ограничения требуемого диапазона металлографической структуры (структуры, включающей перлит), включающей перлит, имеющей долю площади, равную 95% или больше, диапазоном глубины по меньшей мере 25 мм от наружной поверхности части головки (поверхности верхних угловых частей и верхней части головки).
[0020]
Когда диапазон структуры, включающей перлит, составляет меньше чем глубина 25 мм от наружной поверхности части головки, если рассматривать износ во время использования, эта область является недостаточной в качестве области, для которой требуются сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению части головки рельса, и сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению не могут быть в достаточной степени улучшены. В результате трудно в достаточной степени улучшить срок службы рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы диапазон до глубины приблизительно 30 мм от наружной поверхности части головки представлял собой структуру, имеющую перлит, для того, чтобы дополнительно улучшить сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0021]
Фиг. 6 показывает названия каждого положения на поперечном сечении части головки рельса, а также ту область рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления, для которой требуется структура, включающая перлит. Во-первых, часть головки рельса означает часть, находящуюся выше сжатой части, которая располагается в центре рельса в направлении высоты, если смотреть на поперечное сечение рельса, и обозначена ссылочной цифрой 3 на Фиг. 6. Кроме того, часть 3 головки рельса включает в себя верхнюю часть 1 головки и угловые части 2 головки, расположенные с обеих сторон от верхней части 1 головки. Одна из угловых частей 2 головки рельса является секцией угла железнодорожной колеи (GC), которая главным образом входит в контакт с колесами. Кроме того, наружная поверхность части головки включает в себя как поверхность верхней части 1 головки, обращенной вверх, когда рельс находится в рабочем положении, так и поверхности угловых частей 2 части 3 головки рельса. Позиционное соотношение между верхней частью 1 и угловыми частями 2 является таким, что верхняя часть 1 головки располагается приблизительно в центре части головки рельса в направлении ширины, а угловые части 2 головки располагаются с обеих сторон верхней части 1 головки.
[0022]
Диапазон до глубины 25 мм от поверхности угловых частей 2 и верхней части 1 головки (наружная поверхность части головки) упоминается как поверхностная часть головки (3a, заштрихованная часть). Как показано на Фиг. 6, когда структура (металлографическая структура, включающая в себя перлит с долей площади 95% или больше), включающая в себя перлит с предопределенной твердостью, располагается на поверхностной части 3a головки до глубины 25 мм от поверхности угловых частей 2 и верхней части 1 головки (наружной поверхности части головки), сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельса улучшаются.
[0023]
Следовательно, предпочтительно, чтобы структура, включающая в себя перлит, располагалась на поверхностной части 3a головки, на которой главным образом осуществляется контакт колес и рельса, и от которой требуются сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Эти характеристики не требуются в частях рельса, отличающихся от поверхностной части головки, в которых доля площади перлитной структуры может составлять, а может и не составлять 95% или больше.
[0024]
Кроме того, когда доля площади перлитной структуры составляет 95% или больше, небольшое количество проэвтектоидного феррита, проэвтектоидного цементита, структуры бейнита или структуры мартенсита, отличающихся от перлитной структуры, может присутствовать в металлографической структуре поверхностной части 3a головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления в количестве 5% или меньше в терминах доли площади. Даже если эти структуры присутствуют в металлографической структуре, когда их доля площади составляет 5% или меньше, это лишь незначительно влияет на сопротивление износу поверхности части головки и стойкость к внутреннему усталостному разрушению внутренней части головки. Другими словами, в металлографической структуре части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления 95% или больше верхней поверхностной части в терминах доли площади могут представлять собой перлитную структуру, и предпочтительно, чтобы 98% или больше металлографической структуры верхней поверхностной части головки рельса представляли собой перлитную структуру для того, чтобы в достаточной степени улучшить сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Доля площади перлитной структуры может составлять 100%.
[0025]
Доля площади перлитной структуры в диапазоне между наружной поверхностью части головки и глубиной 25 мм может быть получена в соответствии со следующим способом. Доля площади перлитной структуры может быть определена путем наблюдения металлографической структуры в поле зрения оптического микроскопа с увеличением 200 и определения площади каждой металлографической структуры. Далее, 10 или больше полей зрения (10 площадок) используются в качестве полей зрения оптического микроскопа, описанного выше, и среднее значение долей площади может использоваться в качестве доли площади наблюдаемой части.
Способ оценки металлографической структуры является следующим.
Предварительная обработка: травление 3%-ным ниталем после алмазной полировки образца
Наблюдение структуры: оптический микроскоп (с увеличением 200)
Поля зрения: 10 или больше
Определение структуры: определение производится на основе учебников по металлографии (например, «Introduction to Structures and Properties of metallic materials and Heat Treatment Utilizing Materials and Structure Control»: The Japan Society for Heat Treatment), наблюдение с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) в том случае, когда структура неясна.
Определение доли: измеряется площадь каждой структуры, вычисляется доля площади в поле зрения, и среднее значение для всего поля зрения принимается в качестве представительного значения этой части. Кроме того, доля площади структуры может быть получена путем очерчивания предопределенной структуры сплошной линией на основе вышеописанного определения структуры, определения площади области внутри этой замкнутой линии с помощью анализа изображения, и вычисления отношения ее площади к площади всех наблюдаемых полей зрения.
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, когда доля площади перлитной структуры положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки и положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки составляет соответственно 95% или больше, можно сказать, что 95% или больше металлографической структуры в диапазоне между наружной поверхностью части головки и по меньшей мере глубиной 25 мм являются перлитной структурой.
[0026]
<Причина ограничения твердости структуры, включающей перлит>
Далее будет описана причина ограничения в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления твердости структуры, включающей перлит, диапазоном HV 350-480.
Авторами настоящего изобретения была исследована твердость металлографической структуры, включающей в себя перлит, требуемая для того, чтобы гарантировать сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельса. В частности, рельс для испытаний, в котором изменяется твердость части головки рельса, был произведен путем выполнения прокатки и термической обработки с использованием стального материала (эвтектоидной стали), содержащего в химическом составе 0,80%C, 0,50%Si, 0,70%Mn, 0,50%Cr, 0,0150%P и 0,0120%S. Кроме того, в рельсе для испытаний соотношение между твердостью части головки рельса и сопротивлением износу и стойкостью к поверхностному повреждению, а также соотношение между твердостью и стойкостью к внутреннему усталостному разрушению были исследованы путем выполнения испытания на износ с использованием тестовых образцов, подвергнутых машинной обработке в части головки рельса, и испытания на контактную усталость при качении с использованием реального рельса. В результате было подтверждено, что для того, чтобы гарантировать сопротивление износу, стойкость к поверхностному повреждению и стойкость к внутреннему усталостному разрушению части головки рельса, твердость металлографической структуры, включающей в себя перлит в диапазоне между наружной поверхностью части головки и глубиной 25 мм, должна находиться в диапазоне HV 350-480.
Когда твердость структуры, включающей в себя перлит, составляет меньше, чем HV 350, износ прогрессирует, и становится трудно гарантировать сопротивление износу, требуемое для части головки рельса. Кроме того, во внутренней части головки образуются и распространяются усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Кроме того, когда твердость структуры, включающей в себя перлит, составляет больше чем HV 480, образуются волосные трещины в наружной поверхности части головки, которая входит в контакт с колесами, и стойкость к поверхностному повреждению становится трудно гарантировать из-за охрупчивания структуры, включающей в себя перлит. По этой причине твердость структуры, включающей в себя перлит, ограничивается диапазоном HV 350-480.
[0027]
Твердость структуры, включающей в себя перлит, измеряется путем выполнения измерения в 10 или более точках (10 площадках) в положении измерения (например, в положении в глубине 2 мм от наружной поверхности части головки) и использования среднего значения в качестве твердости этого положения. В рельсе настоящего варианта осуществления доля площади перлитной структуры составляет 95% или больше, но другие структуры (проэвтектоидный цементит, проэвтектоидный феррит, мартенсит, бейнит и т.п.) присутствуют с долей площади 5% или меньше. Следовательно, твердость структуры, включающей в себя перлит, может не быть представительным значением, когда измерение выполняется только в одной точке.
Условия для измерения твердости описываются ниже.
Устройство: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (нагрузка 98 Н)
Сбор тестовых образцов для измерения: механическое вырезание образца из сечения головки рельса в поперечном направлении
Предварительная обработка: полировка поперечного сечения алмазными абразивными зернами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: в соответствии с японским промышленным стандартом JIS Z 2244
Измерение: 10 точек или больше
Твердость: среднее значение для измеренной точки берется в качестве представительного значения в положении глубины
[0028]
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, когда твердость положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки и твердость положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки находятся соответственно в диапазоне HV 350-480, можно сказать, что твердость диапазона до глубины по меньшей мере 25 мм от наружной поверхности части головки находится в диапазоне HV 350-480.
[0029]
<Причина ограничения разности между твердостью поверхности части головки (положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки) и твердостью внутренней части головки (положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки)> и <Причина ограничения количества карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм>
2
Далее будут описаны причина ограничения разности (значения, получаемого путем вычитания твердости положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки из твердости положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки) твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки диапазоном HV 0-40 и причина ограничения количества карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, диапазоном 50-500 на 1,0 мкм осматриваемой области в поперечном сечении в положении, имеющем глубину 25 мм от наружной поверхности части головки.
[0030]
Испытание на контактную усталость при качении выполнялось авторами настоящего изобретения с использованием машины для испытания на контактную усталость при качении, показанной на Фиг. 9, при условиях, в которых форма тестового образца соответствует 141-фунтовому рельсу 8 полной длины 2 м, тип колеса 9 соответствует типу AAR, имеющему диаметр 920 мм, радиальная нагрузка устанавливается в диапазоне 50-300 кН, осевая нагрузка устанавливается равной 20 кН, смазка выполняется периодически подаваемым маслом, и максимальное количество повторений устанавливается равным 2 миллионам в рельсах предшествующего уровня техники. После этого теста подробно исследовалось состояние образования усталостного разрушения во внутренней части головки.
В результате было подтверждено, что трещины образуются во внутренней части головки. Поскольку трещины во внутренней части головки значительно влияют на основные характеристики рельса, для того, чтобы обеспечить безопасность, необходимо предотвратить образование трещин. Авторы настоящего изобретения исследовали способ предотвращения образования трещин.
[0031]
С целью уменьшения концентрации деформации на внутренней части головки, которая происходит благодаря контакту с колесами, авторы настоящего изобретения исследовали способ дополнительного улучшения твердости внутренней части головки, уменьшения разности в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки, и регулировки прочности материала в поперечном сечении части головки так, чтобы она была настолько однородной, насколько это возможно. Кроме того, считается, что образование карбонитридов V, выделяющихся в феррите перлитной структуры, является эффективным для улучшения твердости внутренней части головки, и поэтому было исследовано управление карбонитридами V, которые легко выделяются в феррите перлитной структуры.
[0032]
Включения во внутренней части головки и твердость части головки исследовались путем выполнения горячей прокатки и термической обработки для ускорения образования карбонитридов V в стали, в которой содержание V изменялось в диапазоне от 0,01% до 0,20%, а содержание N изменялось в диапазоне от 0,0040% до 0,0200%, основанной на стальном материале (эвтектоидной стали), имеющем химический состав 0,80%C, 0,50%Si, 0,50%Mn, 0,40%Cr, 0,0150%P и 0,0120%S. Термическая обработка выполнялась с ускоренным охлаждением и регулируемым охлаждением после завершения горячей прокатки. Условия теста были следующими.
[0033]
[Прокатка реального рельса, тест термической обработки]
Химические составы стали
0,80%C, 0,50%Si, 0,50%Mn, 0,40%Cr, 0,0150%P, 0,0120%S, V: от 0,01% до 0,20%, и N: от 0,0040% до 0,0200% (остаток представляет собой Fe и примеси)
· Форма рельса
141 фунт (вес: 70 кг/м)
[0034]
· Условия для горячей прокатки и термической обработки
Температура окончательной прокатки (наружная поверхность части головки): 950°C
Условия для термической обработки: термическая обработка выполняется в следующем порядке:
(1) прокатка;
(2) естественное воздушное охлаждение; и
(3) ускоренное охлаждение и регулируемое охлаждение.
Условия для ускоренного охлаждения (наружная поверхность части головки): выполнение охлаждения до диапазона температур 800°C - 590°C со скоростью охлаждения 3°C/с
Условия для регулируемого охлаждения (наружная поверхность части головки): выдержка в диапазоне температур 580°C - 640°C в течение 100-200 с после остановки ускоренного охлаждения, а затем выполнение воздушного охлаждения
Выдержка температуры во время регулируемого охлаждения: температурой управляют путем повторяющегося выполнения и остановки ускоренного охлаждения в соответствии с рекуперацией изнутри рельса
[0035]
[Способ исследования карбонитридов V]
· Предварительная обработка: механическое вырезание образцов из поперечного сечения рельса и выполнение обработки тонкой пленки или сбора копий (способ открытия включений путем электролитического или химического травления и снятия включений с использованием пленки)
· Положение сбора: внутри головки (положение на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки)
· Способ измерения
Устройство: просвечивающий электронный микроскоп
Увеличение: от 50000 до 500000
Количество полей зрения для наблюдения: 20 полей зрения
Выбор включений: Включения, образовавшиеся в феррите перлитной структуры, идентифицируются с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM) с использованием тонкой пленки или образца-реплики. Карбонитриды V определяются путем выполнения анализа состава включений с использованием устройства энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) или выполнения элементного анализа посредством кристаллического структурного анализа изображения электроннолучевой дифракции с использованием TEM. Во время определения включение, в котором одновременно обнаруживаются углерод или азот в дополнение к V, принимается в качестве целевого для оценки в каждом из включений. Включения в качестве целевых для оценки содержат по меньшей мере V и углерод, V и азот, или V, углерод и азот, и могут содержать другие элементы сплава.
Измерение размера зерна включений: Определяется площадь включений, служащих в качестве целевого для вышеописанной оценки, и средний размер зерна вычисляется с использованием диаметра эквивалентного по площади круга.
Оценка: В качестве результата вычисления среднее значение получается путем выбора включений, имеющих размер зерна 5-20 нм, подсчета количества карбонитридов V, имеющих предопределенный диаметр, и превращения количества карбонитридов V в количество на единицу площади.
[0036]
[Способ измерения и условия измерения твердости части головки рельса]
· Измерение твердости
Устройство: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (нагрузка 98 Н)
Сбор тестовых образцов для измерения: механическое вырезание образца из сечения головки рельса в поперечном направлении
Предварительная обработка: полировка поперечного сечения алмазными абразивными зернами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: в соответствии с японским промышленным стандартом JIS Z 2244
· Вычисление твердости
Поверхность части головки: Измерение выполняется на произвольных 20 площадках на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, и среднее значение принимается в качестве твердости поверхности части головки.
Внутри части головки: Измерение выполняется на произвольных 20 площадках на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, и среднее значение принимается в качестве твердости внутри части головки.
[0037]
2
В качестве результата подробного исследования соотношения между твердостью части головки и включениями, образующимися во внутренней части головки рельса, подвергнутого горячей прокатке и термической обработке, было выяснено, что некоторое количество карбонитридов V в перлитной структуре может образоваться за счет содержания V и N и управления условиями термической обработки, выполняемой после горячей прокатки. Кроме того, как показано на Фиг. 4, было подтверждено, что твердость внутренней части головки (в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) значительно улучшается за счет управления количеством карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм. В дополнение к этому, было подтверждено, что твердостью внутренней части головки можно управлять таким образом, чтобы она была более низкой, чем твердость поверхности части головки, и разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки может быть уменьшена до HV 40 или меньше путем управления количеством карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, во внутренней части головки (положение в глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) таким образом, чтобы оно находилось в диапазоне 50-500 шт/мкм.
[0038]
Далее, для того, чтобы проверить эффекты разности в твердости, испытание на контактную усталость при качении было выполнено с использованием машины для испытания на контактную усталость при качении, показанной на Фиг. 9, при условиях, в которых форма тестового образца соответствует 141-фунтовому рельсу 8 полной длины 2 м, тип колеса 9 соответствует типу AAR, имеющему диаметр 920 мм, радиальная нагрузка устанавливается в диапазоне 50-300 кН, осевая нагрузка устанавливается равной 20 кН, смазка выполняется периодически подаваемым маслом, и максимальное количество повторений устанавливается равным 2 миллионам. После этого теста подробно исследовалось образование усталостного разрушения во внутренней части головки.
[0039]
В качестве результата было подтверждено, что нет никаких остаточных трещин во внутренней части головки рельса, в котором разность в твердости поддерживается на уровне HV 40 или меньше, и стойкость рельса к внутреннему усталостному разрушению значительно улучшается.
[0040]
2
Как было описано выше, твердостью внутренней части головки можно управлять таким образом, чтобы она была более низкой, чем твердость поверхности части головки, и разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки может быть уменьшена до HV 40 или меньше путем управления количеством карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, во внутренней части головки (положение в глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) таким образом, чтобы оно находилось в диапазоне 50-500 шт/мкм. Кроме того, нет никаких остаточных трещин во внутренней части головки рельса, в котором разность в твердости поддерживается на уровне HV 40 или меньше, так что стойкость рельса к внутреннему усталостному разрушению значительно улучшается.
[0041]
2
2
Следовательно, численная плотность карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, на поперечном сечении в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки устанавливается в диапазоне 50-500 штук на 1,0 мкм осматриваемой площади (то есть 50-500 шт/мкм), и разностью (то есть величиной (твердость поверхности части головки) минус (твердость внутренней части головки) между твердостью поверхности части головки и твердостью внутренней части головки управляют так, чтобы она составляла HV 40 или меньше.
2
2
2
Когда количество образующихся карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, составляет меньше чем 50 на 1,0 мкм осматриваемой площади, твердость внутренней части головки (в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) увеличивается в недостаточной степени, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению не улучшается. В то же время, когда численная плотность карбонитридов V составляет больше чем 500 на 1,0 мкм осматриваемой площади, увеличение твердости внутренней части головки (в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) становится чрезмерным, твердость внутренней части головки увеличивается больше, чем твердость поверхности части головки, и таким образом деформация рельса, которая образуется внешней силой благодаря контакту с колесами и т.п., концентрируется на той области поверхности части головки, которая имеет малую твердость. В результате волосные трещины образуются в поверхности головки, и стойкость к поверхностному повреждению ухудшается. Следовательно, количество карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, которые присутствуют в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, ограничивается диапазоном 50-500 на 1,0 мкмосматриваемой площади.
В дополнение к этому, скорость охлаждения каждой площадки на поперечном сечении в части головки рельса изменяется. Как правило, распределение твердости уменьшается от поверхности части головки к внутренней части головки. Когда разность между твердостью поверхности части головки и твердостью внутренней части головки составляет больше чем HV 40, изменение прочности материала в поперечном сечении части головки рельса становится значительно большим, и таким образом деформация рельса, которая образуется от внешней силы благодаря контакту с колесами и т.п., концентрируется на области внутренней части головки, имеющей малую твердость. В результате волосные трещины образуются и остаются во внутренней части головки, и дальнейшее улучшение стойкости к внутреннему усталостному разрушению становится затруднительным.
В дополнение к этому, вышеописанная разность в твердости означает разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью части головки. Как правило, твердость уменьшается от поверхности части головки к внутренней части головки, как было описано выше. Соответственно, разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки представляет собой положительное значение. Однако, когда бейнит образуется в поверхности части головки из-за сбоя управления условиями термической обработки и т.п., твердость внутренней части головки иногда увеличивается больше, чем твердость поверхности части головки. В результате разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки в некоторых случаях становится отрицательной величиной. Даже в этом случае, аналогично случаю, в котором образуется чрезмерное количество карбонитридов V, деформация рельса, которая образуется от внешней силы благодаря контакту с колесами и т.п., концентрируется на области поверхности части головки, имеющей низкую твердость. В результате волосные трещины образуются в поверхности головки, и стойкость к поверхностному повреждению ухудшается.
[0042]
Причина выбора в качестве поверхности части головки положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки и положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки заключается в том, что эти положения показывают сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению полученного рельса самым значительным образом. Сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления могут быть улучшены за счет управления твердостью этих положений или разностью в твердости между этими положениями. Способ измерения твердости был описан выше. Положение для измерения твердости может быть выбрано произвольно, если удовлетворяются условия получения значений, представляющих всю область от верхней части головки до угловой части головки рельса.
[0043]
<Причина ограничения отношения (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V>
[0044]
С точки зрения дополнительного повышения уровня безопасности авторами настоящего изобретения были исследованы меры для улучшения характеристик при длительном использовании. В результате подробного наблюдения рельса после испытания на усталостную стойкость было подтверждено, что волосные трещины иногда возникают на периферии карбонитридов V. Авторы настоящего изобретения исследовали способ устранения этих волосных трещин.
[0045]
Для этого авторами настоящего изобретения было подробно исследовано соотношение между составом карбонитридов V и волосными трещинами, образующимися на их периферии. Способ исследования был следующим.
[0046]
[Способ исследования волосных трещин]
· Подготовка образца
Рельс подвергается машинной обработке, и образец вырезается из положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки во внутренней части головки. · Предварительная обработка: полировка поперечного сечения алмазными абразивными зернами
· Способ наблюдения
Устройство: сканирующий электронный микроскоп
Увеличение: от 10000 до 100000
Положение наблюдения: подробное наблюдение периферии карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм
(Способ измерения среднего размера зерна является тем же самым, что и описанный выше)
[0047]
[Способ исследования состава карбонитридов V]
· Положение для взятия образцов: внутри головки (в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки)
· Предварительная обработка: игольчатый образец обрабатывается (10 мкм × 10 мкм × 100 мкм) в соответствии со способом фокусированного ионного пучка (FIB)
· Измерительный прибор: способ трехмерного атомного зонда (3DAP)
· Способ измерения
Напряжение прикладывается к игольчатому образцу для того, чтобы высвободить ионы металла, и эти ионы металла обнаруживаются с использованием координатного детектора. Тип элемента идентифицируется на основании времени пролета иона и положения элемента, или количество атомов в трех измерениях определяется на основе обнаруженных координат.
Напряжение: постоянный ток, импульсный (коэффициент заполнения импульсов 20% или больше)
Температура образца: 40 K или ниже
· Вычисление отношения количества атомов углерода к количеству атомов азота карбонитрида V
Количество атомов углерода и количество атомов азота в карбонитриде V вычисляются на основе информации о положениях элемента или их количествах, описанных выше. Количество атомов углерода и количество атомов азота, содержащихся в карбонитриде V, соответственно подсчитываются по результатам 3DAP. Отношение CA/NA количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) вычисляется по этим результатам.
· Количество измерений: Измеряются 5 или более точек, и среднее значение принимается за представительное значение.
[0048]
В результате исследования было подтверждено, что состояние возникновения трещин значительно изменяется при изменении комбинации количества атомов углерода и количества атомов азота в карбонитриде V. Кроме того, в результате подробного исследования было найдено, что образование волосных трещин и количество атомов углерода (CA) и количество атомов азота (NA) в карбонитриде V коррелируют, и твердость карбонитрида V имеет тенденцию к увеличению, и количество трещин, образующихся в материнской фазе на ее периферии, имеет тенденцию к увеличению, когда количество карбидов увеличивается. В результате дополнительного исследования, как показано на Фиг. 5, было подтверждено, что волосные трещины устраняются путем управления отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) так, чтобы оно составляло 0,70 или меньше.
[0049]
На основе этих результатов было найдено, что предпочтительно управлять количеством карбонитридов V и составом карбонитридов V, как источника трещин, чтобы подавить и предотвратить образование трещин во внутренней части головки и образование волосных трещин, а также дополнительно улучшить основные характеристики рельса.
[0050]
<Причины ограничения химических составов рельса>
Далее будут подробно описаны причины ограничения химических составов рельсовой стали (стали, служащей материалом для рельса) в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
[0051]
C: от 0,75 мас.% до 0,85 мас.%
C является элементом, эффективным для ускорения перлитного превращения и гарантирования сопротивления износу. Когда содержание C составляет меньше чем 0,75%, минимальная прочность и сопротивление износу, требуемое для рельса, не могут быть поддержаны. Кроме того, при этом образуется проэвтектоидный феррит, и сопротивление износу значительно ухудшается. Кроме того, становится вероятным образование мягкого проэвтектоидного феррита, в котором усталостные трещины легко образуются во внутренней части головки, и становится вероятным получение стойкости к внутреннему усталостному разрушению. Тем временем, когда содержание C становится больше чем 0,85%, ударная вязкость перлитной структуры ухудшается, хрупкие трещины образуются во внутренней части головки, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Кроме того, становится вероятным образование проэвтектоидного цементита во внутренней части головки, усталостные трещины образуются от границы между перлитной структурой и проэвтектоидным цементитом, и тогда становится вероятным получение стойкости к внутреннему усталостному разрушению. Следовательно, содержание C регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,75% - 0,85%. Для того, чтобы стабилизировать образование перлитной структуры и улучшить стойкость к внутреннему усталостному разрушению, предпочтительно, чтобы содержание C находилось в диапазоне 0,80% - 0,85%.
[0052]
Si: от 0,10 мас.% до 1,00 мас.%.
Si является элементом, который растворяется в твердом растворе в феррите перлитной структуры, увеличивает твердость (прочность) части головки рельса и улучшает сопротивление износу. Однако, когда содержание Si составляет меньше чем 0,10%, эти эффекты не могут быть получены в достаточной степени. В то же время, когда содержание Si составляет больше чем 1,00%, большое количество поверхностных трещин образуется во время горячей прокатки. В дополнение к этому, прокаливаемость значительно увеличивается и повышается вероятность образования структуры мартенсита в части головки рельса, так что сопротивление износу ухудшается. Следовательно, содержание Si регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,10% - 1,00%. Предпочтительно, чтобы содержание Si находилось в диапазоне 0,20% - 0,80% для того, чтобы дополнительно стабилизировать образование перлитной структуры и дополнительно улучшить сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0053]
Mn: от 0,30 мас.% до 1,20 мас.%.
Mn является элементом, который увеличивает прокаливаемость, стабилизирует перлитное превращение, измельчает распределение чешуек перлитной структуры и гарантирует твердость перлитной структуры, так что сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению дополнительно улучшаются. Однако, когда содержание Mn составляет меньше чем 0,30%, сопротивление износу не улучшается. Кроме того, образуется мягкий проэвтектоидный феррит, в котором усталостные трещины легко образуются во внутренней части головки, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению становится трудно гарантировать. В то же время, когда содержание Mn составляет больше чем 1,20%, прокаливаемость значительно увеличивается, и структура мартенсита образуется в части головки рельса, так что сопротивление износу или стойкость к поверхностному повреждению ухудшается. Следовательно, содержание Mn регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,30% - 1,20%. Предпочтительно, чтобы содержание Mn находилось в диапазоне 0,40% - 1,00% для того, чтобы стабилизировать образование перлитной структуры и улучшить сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0054]
Cr: от 0,20 мас.% до 0,80 мас.%
Cr является элементом, который измельчает распределение чешуек перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) перлитной структуры за счет увеличения температуры равновесного фазового превращения и увеличения степени переохлаждения. Кроме того, улучшение расположения чешуек и улучшение твердости перлитной структуры способствуют улучшению сопротивления износу и стойкости к внутреннему усталостному разрушению. Однако, когда содержание Cr составляет меньше чем 0,20%, описанные выше эффекты становятся малыми, и эффекты улучшения твердости рельсовой стали не могут быть получены. В то же время, когда содержание Cr составляет больше чем 0,80%, прокаливаемость значительно увеличивается, структура бейнита или структура мартенсита образуется в части головки рельса, и таким образом сопротивление износу или стойкость к поверхностному повреждению ухудшается. Следовательно, содержание Cr регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,20% - 0,80%. Предпочтительно, чтобы содержание Cr находилось в диапазоне 0,40% - 0,75% для того, чтобы стабилизировать образование перлитной структуры и улучшить сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0055]
V: от 0,01 мас.% до 0,20 мас.%
V является элементом, который выделяется в виде карбонитрида V во время процесса охлаждения после горячей прокатки, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры с использованием дисперсионного твердения и улучшает стойкость к внутреннему усталостному разрушению во внутренней части головки. Однако, когда содержание V составляет меньше чем 0,01%, количество мелких карбонитридов, выделяющихся в феррите перлитной структуры, является малым, и твердость (прочность) внутренней части головки не улучшается. В то же время, когда содержание V составляет больше чем 0,20%, количество мелких карбонитридов V становится чрезмерным, твердость внутренней части головки увеличивается больше, чем твердость поверхности головки, и деформация рельса, которая образуется от внешней силы благодаря контакту с колесами и т.п., концентрируется на области поверхности головки, имеющей низкую твердость. В результате волосные трещины образуются в поверхности головки, и стойкость к поверхностному повреждению ухудшается. Следовательно, содержание V устанавливается так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,01% - 0,20%. Предпочтительно, чтобы содержание V находилось в диапазоне 0,03% - 0,10% для того, чтобы стабилизировать образование перлитной структуры и улучшить стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0056]
N: от 0,0040 мас.% до 0,0200 мас.%
N является элементом, который ускоряет выделение карбонитрида V во время процесса охлаждения после горячей прокатки, когда одновременно присутствуют N и V. Когда выделяется карбонитрид V, твердость (прочность) перлитной структуры увеличивается, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшается. Однако, когда содержание N составляет меньше чем 0,0040%, количество мелких карбонитридов, выделяющихся в феррите перлитной структуры, является малым, и твердость (прочность) внутренней части головки не улучшается. В то же время, когда содержание N составляет больше чем 0,0200%, N становится плохо твердорастворимым в стали. В этом случае образуются пузырьки, которые служат точкой начала усталостного разрушения, и вероятность образования внутреннего усталостного разрушения повышается. Следовательно, содержание N устанавливается так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,0040% - 0,0200%. Предпочтительно, чтобы содержание N находилось в диапазоне 0,0060% - 0,0150% для того, чтобы стабилизировать образование перлитной структуры и улучшить стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0057]
P: 0,0250 мас.% или меньше
P является элементом (примесью), который неизбежно содержится в стали, и его содержанием можно управлять путем выполнения рафинирования в конвертере. Предпочтительно, чтобы содержание P было малым. Однако, когда содержание P составляет больше чем 0,0250%, перлитная структура становится хрупкой, и хрупкие трещины образуются во внутренней части головки, так что стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Следовательно содержание фосфора ограничивается величиной 0,0250 мас.% или меньше. Нижний предел содержания P не ограничивается, но его нижний предел во время фактического производства составляет приблизительно 0,0050% с учетом способности к дефосфорации во время процесса рафинирования.
[0058]
S: 0,0250 мас.% или меньше
Сера является элементом (примесью), который неизбежно содержится в стали, и его содержанием можно управлять путем выполнения десульфуризации в купольной печи. Предпочтительно, чтобы содержание серы было малым. Однако, когда содержание серы становится больше чем 0,0250%, повышается вероятность образования включений грубых сульфидов на основе MnS, усталостные трещины образуются во внутренней части головки благодаря концентрация напряжений на периферии этих включений, и таким образом стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Следовательно содержание серы ограничивается величиной 0,0250 мас.% или меньше. Нижний предел содержания серы не ограничивается, но его нижний предел во время фактического производства составляет приблизительно 0,0050% с учетом способности к десульфуризации во время процесса рафинирования.
[0059]
В основном рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления содержит вышеописанные химические элементы, а остаток состоит из Fe и примесей. Однако вместо части Fe остаток может дополнительно содержать по меньшей мере один элемент, выбираемый из группы, состоящей из Mo, Co, B, Cu, Ni, Nb, Ti, Mg, Ca, REM, Zr и Al, в описанных ниже диапазонах с целью улучшения сопротивления износу и стойкости к внутреннему усталостному разрушению благодаря увеличению твердости (прочности) перлитной структуры, улучшению ударной вязкости, предотвращению размягчения зоны теплового воздействия сварного соединения и управления распределением твердости в поперечном сечении внутренней части головки. В частности, Mo увеличивает точку равновесного превращения, измельчает распределение чешуек перлитной структуры и улучшает твердость. Co улучшает ламельную структуру на поверхности износа и увеличивает твердость поверхности износа. B уменьшает зависимость скорости охлаждения от температуры перлитного фазового превращения для того, чтобы сделать распределение твердости в поперечном сечении головки рельса однородным. Cu растворяется в твердом растворе в феррите перлитной структуры и увеличивает твердость. Ni улучшает ударную вязкость и твердость перлитной структуры и предотвращает размягчение зоны теплового воздействия сварного соединения. Nb и Ti улучшают предел усталости перлитной структуры за счет дисперсионного твердения карбида и нитрида, образующихся во время горячей прокатки и процесса охлаждения, выполняемого после горячей прокатки. Кроме того, Nb и Ti способствуют устойчивому образованию карбида или нитрида во время повторного нагрева и предотвращают размягчение зоны теплового воздействия сварного соединения. Mg, Ca и REM тонко диспергируют сульфиды на основе MnS и уменьшают внутреннее усталостное разрушение, происходящее от включений. Zr подавляет формирование зоны сегрегации центральной части литого сляба или блюмовой заготовки и подавляет образование проэвтектоидного цементита или мартенсита за счет увеличения доли равноосных зерен в структуре кристаллизации. Следовательно, эти элементы могут содержаться для того, чтобы получить вышеописанные эффекты. В дополнение к этому, даже если количество каждого элемента равно или меньше, чем описанный ниже диапазон, характеристики рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления не ухудшаются. Кроме того, поскольку эти элементы необязательно содержатся, нижний предел их содержания составляет 0%.
[0060]
Mo: от 0,01 мас.% до 0,50 мас.%
Mo является элементом, который измельчает распределение чешуек перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) перлитной структуры, так что сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшаются за счет увеличения температуры равновесного фазового превращения и увеличения степени переохлаждения. Однако, когда содержание Mo составляет меньше чем 0,01%, описанные выше эффекты становятся малыми, и эффекты улучшения твердости рельсовой стали не могут быть получены. В то же время, когда содержание Mo составляет больше чем 0,50%, скорость превращения значительно уменьшается, структура мартенсита с низкой ударной вязкостью образуется в части головки рельса, и таким образом сопротивление износу ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Mo находилось в диапазоне 0,01% - 0,50%, когда Mo содержится.
[0061]
Co: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
Co является элементом, который растворяется в твердом растворе в феррите перлитной структуры, улучшает ламельную структуру перлитной структуры непосредственно под поверхностью качения, на которой происходит контакт с колесами, и увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры, так что сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшаются. Однако, когда содержание Co составляет меньше чем 0,01%, улучшения ламельной структуры не происходит, и таким образом эффекты улучшения сопротивления износу или стойкости к внутреннему усталостному разрушению не могут быть получены. В то же время, когда содержание Co составляет больше чем 1,00%, вышеописанные эффекты насыщаются, и ламельная структура не может быть усовершенствована. Кроме того, экономическая эффективность уменьшается благодаря увеличению стоимости легирующей добавки. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Co находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Co содержится.
[0062]
B: от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%
23
6
B является элементом, который формирует борокарбиды железа (Fe(CB)) на границах аустенитного зерна и уменьшает зависимость скорости охлаждения от температуры перлитного фазового превращения, способствуя перлитному превращению. Кроме того, B является элементом, который придает более однородное распределение твердости участку от наружной поверхности части головки до ее внутренней части и увеличивает срок службы рельса. Однако, когда содержание B составляет меньше чем 0,0001%, описанные выше эффекты становятся недостаточными, и улучшения распределения твердости в части головки рельса не наблюдается. В то же время, когда содержание B составляет больше чем 0,0050%, образуются грубые борокарбиды железа, происходит хрупкое разрушение, и ударная вязкость рельса ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание В находилось в диапазоне 0,0001% - 0,0050%, когда В содержится.
[0063]
Cu: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
Cu является элементом, который растворяется в твердом растворе в феррите перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) в результате упрочнения твердого раствора. В результате улучшаются сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Однако, когда содержание меди составляет менее 0,01 мас.%, этот эффект не может быть получен. В то же время, когда содержание Cu составляет больше чем 1,00%, структура мартенсита образуется в части головки рельса благодаря значительному улучшению прокаливаемости, и таким образом сопротивление износу ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Cu находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Cu содержится.
[0064]
Ni: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
3
Ni является элементом, который улучшает ударную вязкость перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) в результате упрочнения твердого раствора. В результате улучшаются сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Кроме того, Ni является элементом, который мелко выделяется в зоне теплового воздействия при сварке как интерметаллическое соединение NiTi в форме композита с Ti и подавляет размягчение благодаря дисперсионному твердению. В дополнение к этому, Ni является элементом, который подавляет охрупчивание границ зерна в стали, содержащей Cu. Однако, когда содержание Ni составляет меньше чем 0,01%, эти эффекты являются чрезвычайно малыми. В то же время, когда содержание Ni составляет больше чем 1,00%, структура мартенсита образуется в части головки рельса, и сопротивление износу ухудшается благодаря значительному улучшению прокаливаемости. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ni находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Ni содержится.
[0065]
Nb: от 0,0010 мас.% до 0,0500 мас.%
Nb является элементом, который выделяется как карбид Nb и/или нитрид Nb во время процесса охлаждения после горячей прокатки, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения и улучшает сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Кроме того, Nb является элементом, эффективным для предотвращения размягчения зоны теплового воздействия сварного соединения, устойчиво образуясь как карбид Nb или нитрид Nb от низкотемпературного диапазона до высокотемпературного диапазона в зоне теплового воздействия, повторно нагретой до диапазона температур ниже или равных точке Ac1. Однако, когда содержание Nb составляет меньше чем 0,0010%, эти эффекты не могут быть получены в достаточной степени, и улучшения твердости (прочности) перлитной структуры не наблюдается. В то же время, когда содержание Nb составляет больше чем 0,0500%, дисперсионное упрочнение благодаря карбиду Nb или нитриду Nb становится чрезмерным, перлитная структура делается хрупкой, и тогда стойкость рельса к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Nb находилось в диапазоне 0,0010% - 0,0500%, когда Nb содержится.
[0066]
Ti: от 0,0030 мас.% до 0,0500 мас.%
Ti является элементом, который выделяется как карбид Ti и/или нитрид Ti во время процесса охлаждения после горячей прокатки, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения и улучшает сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Кроме того, Ti является элементом, эффективным для предотвращения охрупчивания сварного соединения за счет улучшения структуры зоны теплового воздействия, нагретой до аустенитной области, потому что выделившийся карбид Ti или нитрид Ti не растворяются во время повторного нагревания во время сварки. Однако, когда содержание Ti составляет меньше чем 0,0030%, эти эффекты являются чрезвычайно малыми. В то же время, когда содержание Ti составляет больше чем 0,0500%, образуются карбид Ti и нитрид Ti, которые являются грубыми, образуются усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается благодаря концентрации напряжений. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ti находилось в диапазоне 0,0030% - 0,0500%, когда Ti содержится.
[0067]
Mg: от 0,0005 мас.% до 0,0200 мас.%
Mg является элементом, который связывается с серой, образуя сульфид. MgS тонко диспергирует MnS, так что концентрация напряжений ослабляется, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшается. Однако, когда содержание Mg составляет меньше чем 0,0005%, эти эффекты являются малыми. В то же время, когда содержание Mg составляет больше чем 0,0200%, образуется грубый оксид Mg, возникают усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается благодаря концентрации напряжений. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Mg находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0200%, когда Mg содержится.
[0068]
Ca: от 0,0005 мас.% до 0,0200 мас.%
Ca является элементом, который имеет прочную силу связи с серой и образует CaS (сульфид). CaS тонко диспергирует MnS, так что концентрация напряжений ослабляется, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшается. Однако, когда содержание Ca составляет меньше чем 0,0005%, эти эффекты являются малыми. В то же время, когда содержание Ca составляет больше чем 0,0200%, образуется грубый оксид Ca, возникают усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается благодаря концентрации напряжений. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ca находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0200%, когда Ca содержится.
[0069]
REM: от 0,0005 мас.% до 0,0500 мас.%
2
2
2
2
2
2
REM (РЗМ) является элементом для раскисления и десульфуризации и образует оксисульфид (REMOS) редкоземельного металла, служащий ядром, которое образует включения на основе сульфида Mn, когда REM содержится. Кроме того, поскольку точка плавления оксисульфида (REMOS) является высокой, растяжение включений на основе сульфида Mn после горячей прокатки подавляется. В результате, когда REM содержится, MnS тонко диспергируется, концентрация напряжений ослабляется, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению улучшается. Однако, когда содержание REM составляет меньше чем 0,0005%, его становится недостаточно в качестве ядер, образующих сульфиды на основе MnS, и эти эффекты становятся малыми. В то же время, когда содержание REM составляет больше чем 0,0500%, образуется оксисульфид (REMOS) твердого REM, возникают усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается благодаря концентрации напряжений. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание REM находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0500%, когда REM содержится.
[0070]
Кроме того, REM представляет собой редкоземельный металл, такой как Ce, La, Pr или Nd. Описанное выше содержание относится к общему количеству REM. Когда общее количество этих содержаний находится в вышеописанном диапазоне, получаются те же самые эффекты независимо от того, присутствует ли единственный элемент или комбинация элементов (два или более).
[0071]
Zr: от 0,0001 мас.% до 0,0200 мас.%
2
2
2
2
Zr связывается с O и образует включения ZrO. Поскольку эти включения ZrO имеют превосходное соответствие решетки с γ-Fe, включения ZrO становятся отвержденным ядром высокоуглеродистой рельсовой стали, в которой γ-Fe является отвержденной первичной фазой и подавляет формирование зоны сегрегации в центральной части литого сляба или блюмовой заготовки за счет увеличения доли равноосных зерен в структуре кристаллизации. Таким образом, Zr является элементом, который подавляет образование структуры мартенсита, образующейся в сегрегационной части рельса. Однако, когда содержание Zr составляет меньше чем 0,0001%, количество образуемых включений на основе ZrO становится малым, и эти включения в недостаточной степени проявляют эффект ядер отверждения. В этом случае вероятно образование мартенсита в сегрегационной части, и, соответственно, улучшение стойкости рельса к внутреннему усталостному разрушению не может быть получено. В то же время, когда содержание Zr составляет больше чем 0,0200%, образуется большое количество грубых включений на основе Zr, возникают усталостные трещины, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается благодаря концентрации напряжений. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Zr находилось в диапазоне 0,0001% - 0,0200%, когда Zr содержится.
[0072]
Al: от 0,0100 мас.% до 1,00 мас.%.
Al является элементом, который функционирует как раскислитель. Кроме того, Al является элементом, который сдвигает температуру эвтектоидного фазового превращения в сторону ее повышения, способствует увеличению твердости (прочности) перлитной структуры и таким образом улучшает сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению перлитной структуры. Однако, когда содержание Al составляет меньше чем 0,0100%, эти эффекты являются малыми. В то же время, когда содержание Al составляет больше чем 1,00%, растворение Al в стали затрудняется, и таким образом формируются грубые включения на основе глинозема. Поскольку эти грубые включения на основе алюминия являются источником усталостных трещин, стойкость к внутреннему усталостному разрушению ухудшается. Кроме того, во время сварки образуется оксид, так что свариваемость значительно ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Al находилось в диапазоне 0,0100% - 1,00%, когда Al содержится.
[0073]
<Причина для ограничения значения Mn/Cr>
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо, чтобы значение отношения (Выражение 1) содержания Mn (Mn) к содержанию Cr (Cr) составляло больше чем 1,00 и 4,00 или меньше, в дополнение к ограничениям на содержание каждого из этих элементов. Причина этого будет описана ниже.
[0074]
Авторы настоящего изобретения исследовали способ предотвращения образования аномальных структур, таких как структура мартенсита или структура бейнита, путем устойчивого образования перлитной структуры, имеющей высокую твердость. В частности, авторы настоящего изобретения исследовали влияние содержания Mn и Cr, которые являются основным элементом сплава при образовании аномальных структур.
[0075]
Сначала были произведены два вида тестовых образцов стали - сталь (сталь Mn), имеющая содержание Mn 1,0%, и сталь (сталь Cr), имеющая содержание Cr 1,0%, - на основе стали (эвтектоидной стали), имеющей состав 0,80%C, 0,50%Si, Mn, Cr, 0,0150%P, и 0,0120%S, после чего эти образцы были подвергнуты термической обработке изотермического превращения, и были исследованы соотношения температуры фазового превращения, твердости и металлографической структуры. Условия теста были следующими.
[0076]
[Эксперимент термической обработки для изотермического превращения]
· Условия для термической обработки для изотермического превращения
Температура и время нагрева: 1000°C × 5 мин
Условия для охлаждения: охлаждение от температуры нагрева до температуры изотермического превращения со скоростью охлаждения 30°C/с
Условия для изотермического превращения: температура изотермического превращения 500°C - 600°C, продолжительность выдержки 100-1000 с
После изотермического превращения: ускоренное охлаждение (охлаждение до 50°C со скоростью охлаждения 30°C/с)
[0077]
· Условия для оценки твердости и металлографической структуры
Наблюдение структуры
Предварительная обработка: травление 3%-ным ниталем после алмазной полировки поперечного сечения
Наблюдение структуры: с использованием оптического микроскопа
Измерение твердости
Устройство: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (груз 98 Н)
Предварительная обработка: алмазная полировка поперечного сечения
[0078]
Фиг. 1 показывает соотношение температуры изотермического превращения, твердости и металлографической структуры.
[0079]
Было подтверждено, что в стали Mn (1,0%Mn) перлитное превращение стабилизируется к диапазону низких температур по сравнению со сталью Cr (1,0%Cr), и перлитное превращение происходит легко. Таким образом было подтверждено, что образование бейнита, вредного для сопротивления износу, подавляется в стали Mn (1,0%Mn) по сравнению со сталью Cr (1,0%Cr). Если сравнивать сталь Cr со сталью Mn, твердость перлитной структуры стали Cr имеет тенденцию быть более высокой чем у стали Mn при той же самой температуре фазового превращения.
[0080]
Из этих результатов становится понятно, что баланс между содержанием Mn и содержанием Cr является важным для того, чтобы получить перлитную структуру, имеющую высокую твердость, и предпочтительно предусматривать элементы, к которым дополнительно добавляется Cr, так, чтобы гарантировать твердость, в то время как содержание Mn, которое стабилизирует образование перлитной структуры, должно быть больше содержания Cr.
[0081]
Затем авторы настоящего изобретения исследовали оптимальный баланс между содержанием Mn и содержанием Cr. Сумма содержания Mn и содержания Cr была установлена равной 1,4%, и тестовые образцы стали, в которых изменялись содержание Mn и содержание Cr, были произведены на основе стали (эвтектоидной стали), имеющей состав 0,80%C, 0,50%Si, Mn, Cr, 0,0150%P и 0,0120%S. Кроме того, баланс между Mn и Cr и соотношение между твердостью и металлографической структурой исследовались путем выполнения термической обработки непрерывного охлаждения, в которой охлаждение поверхности части головки (начиная от положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки) в реальных рельсах воспроизводилось на этих тестовых образцах. Условия теста были следующими.
[0082]
[Эксперимент термической обработки путем непрерывного охлаждения]
· Химический состав стали
0,80%C, 0,50%Si, Mn: от 0,05% до 1,40%, Cr: от 0,05% до 1,40%, 0,0150%P и 0,0120%S с остатком из Fe и примесей
· Условия для термической обработки непрерывного охлаждения
Температура и время нагрева: 1000°C × 5 мин
Условия для охлаждения: охлаждение от температуры нагрева до 50°C со скоростью охлаждения 3°C/с (моделирование условий охлаждения на поверхности части головки)
[0083]
· Условия для оценки твердости и металлографической структуры
Наблюдение структуры
Предварительная обработка: травление 3%-ным ниталем после алмазной полировки поперечного сечения
Наблюдение структуры: наблюдение с использованием оптического микроскопа
Измерение твердости
Устройство: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (груз 98 Н)
Предварительная обработка: алмазная полировка поперечного сечения
[0084]
Фиг. 2 показывает соотношение между значением Mn/Cr, полученным из содержания Mn и содержания Cr, и металлографической структурой. Как показано на Фиг. 2, когда значение Mn/Cr равно 1,00 или меньше, содержание Cr становится чрезмерным, и образуются бейнит, вредный для сопротивления износу, и мартенсит, вредный для сопротивления износу или стойкости к поверхностному повреждению. В то же время, когда значение Mn/Cr составляет больше чем 4,00, содержание Mn становится чрезмерным, и образуется мартенсит, вредный для сопротивления износу или стойкости к поверхностному повреждению.
[0085]
Из этих результатов было найдено, что значением Mn/Cr необходимо управлять так, чтобы оно было больше чем 1,00 и 4,00 или меньше (то есть, чтобы удовлетворялось выражение 1,00 < Mn/Cr ≤ 4,00), для того, чтобы подавить образование бейнита, вредного для сопротивления износу, и мартенсита, вредного для сопротивления износу или стойкости к поверхностному повреждению, и устойчиво получить перлитную структуру, имеющую высокую твердость, в поверхностной части головки.
[0086]
<Причина для ограничения значения 0,25 × Mn+Cr>
Далее будет описана причина ограничения суммы содержания Mn (Mn) и содержания Cr (Cr) диапазоном от 0,30 до 1,00 (0,30 ≤ 0,25 × Mn+Cr ≤ 1,00) в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
[0087]
Как было описано выше, Mn и Cr влияют на легкость перлитного превращения и твердость перлитной структуры. По этой причине авторы настоящего изобретения исследовали соотношение между содержанием Mn и содержанием Cr и твердостью перлитной структуры исходя из того, что значение Mn/Cr соответствует диапазону больше чем 1,00 и 4,00 или меньше. В частности, тестовые образцы стали, в которых содержание Mn изменялось в диапазоне от 0,20% до 1,20% и содержание Cr изменялось в диапазоне от 0,20% до 0,80%, были произведены на основе стали (эвтектоидной стали), имеющей химический состав 0,80%C, 0,50%Si, Mn, Cr, 0,0150%P и 0,0120%S. Кроме того, соотношение между содержанием Mn и содержанием Cr и твердостью исследовалось путем выполнения термической обработки непрерывного охлаждения, в которой охлаждение поверхности части головки (начиная от положения на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки) и охлаждение внутренней части головки (начиная от положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) в реальных рельсах воспроизводилось на этих тестовых образцах. Условия теста были следующими.
[0088]
[Эксперимент термической обработки путем непрерывного охлаждения]
· Химический состав
0,80%C, 0,50%Si, Mn: от 0,20% до 1,20%, Cr: от 0,20% до 0,80%, 0,0150%P и 0,0120%S с остатком из Fe и примесей
· Условия для термической обработки непрерывного охлаждения
Температура и время нагрева: 1000°C × 5 мин
Условия охлаждения для воспроизведения охлаждения поверхности части головки: охлаждение от температуры нагрева до 50°C со скоростью охлаждения 3°C/с
Условия охлаждения для воспроизведения охлаждения внутри части головки: охлаждение от температуры нагрева до 50°C со скоростью охлаждения 1°C/с
[0089]
· Условия для оценки твердости и металлографической структуры
Наблюдение структуры
Предварительная обработка: травление 3%-ным ниталем после алмазной полировки поперечного сечения
Наблюдение структуры: наблюдение с использованием оптического микроскопа
Измерение твердости
Устройство: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (нагрузка 98 Н)
Предварительная обработка: алмазная полировка поперечного сечения
[0090]
В результате анализа соотношения между количеством сплавов и твердостью структуры, включающей в себя перлит, в стали, на которой выполнялся эксперимент термической обработки непрерывного охлаждения, было подтверждено, что как твердость структуры, включающей в себя перлит, в поверхности части головки, так и твердость структуры, включающей в себя перлит, внутри головки коррелируют с относительным выражением, сформированным из содержания Mn и содержания Cr. Фиг. 3 показывает соотношение между твердостью и значением 0,25 × Mn+Cr (Выражение 2), включающим в себя содержание Mn и содержание Cr.
[0091]
Как показано на Фиг. 3, когда значение (0,25 × Mn+Cr) поддерживается на уровне 1,00 или меньше, твердость структуры, включающей в себя перлит, в поверхности части головки может быть установлена равной HV 480 или меньше, что является значением, при котором может быть обеспечена стойкость к поверхностному повреждению. В то же время, когда значение (0,25 × Mn+Cr) поддерживается на уровне 0,30 или больше, твердость структуры, включающей в себя перлит, во внутренней части головки может быть установлена равной HV 350 или больше, что является значением, требуемым для того, чтобы гарантировать сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Следовательно, твердость, которая удовлетворяет требованиям сопротивления износу и стойкости к внутреннему усталостному разрушению, может быть обеспечена как твердость структуры, включающей в себя перлит, в части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления путем управления химическим составом таким образом, чтобы значение (0,25 × Mn+Cr) находилось в диапазоне 0,30-1,00 (то есть чтобы удовлетворялось выражение 0,30 ≤ 0,25 × Mn+Cr ≤ 1,00).
[0092]
Как показано на Фиг. 3, когда значение 0,25 × Mn+Cr составляет меньше чем 0,30, требуемую твердость (HV 350 или больше) перлитной структуры, которая гарантирует стойкость к внутреннему усталостному разрушению во внутренней части головки, становится трудно гарантировать. Кроме того, когда значение 0,25 × Mn+Cr составляет больше чем 1,00, твердость перлитной структуры в поверхности части головки становится чрезмерной (больше чем HV 480), перлитная структура делается хрупкой, образуются волосные трещины в наружной поверхности части головки, которая входит в контакт с колесами, и таким образом стойкость к поверхностному повреждению становится трудно гарантировать.
[0093]
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления могут быть улучшены сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению рельса в случае его использования на грузовых железных дорогах, и срок службы может быть значительно улучшен за счет управления составом сплава рельсовой стали, структурами, твердостью поверхности части головки или внутренней части головки, количеством карбонитрида V, а также разностью в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки, а также за счет дополнительного управления составом карбонитрида V.
[0094]
Далее будет описан один предпочтительный способ производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
Когда рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя вышеописанные химические составы, структуры, и т.п., эффекты от этого могут быть получены независимо от способа производства. Однако поскольку рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления получается устойчиво, предпочтительно, чтобы использовался способ производства, включающий в себя следующий процесс.
[0095]
Рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть произведен путем выполнения плавки стали в плавильной печи, такой как конвертер или электропечь, которая обычно используется, выполнения литья в соответствии со способом получения слитка металла и блюмовой заготовки или в соответствии со способом непрерывной разливки расплавленной стали, имеющей химические составы, соответствующие вышеописанным диапазонам, для получения сляба или блюмовой заготовки, выполнения горячей прокатки сляба или блюмовой заготовки для придания формы рельса, и выполнения термической обработки после горячей прокатки.
В этом ряду процессов необходимо управлять условиями для горячей прокатки и условиями для термической обработки после горячей прокатки в соответствии с требуемой твердостью части головки рельса. В качестве условий для горячей прокатки и условий для термической обработки после горячей прокатки предпочтительно, чтобы горячая прокатка и термическая обработка выполнялись при следующих условиях для того, чтобы поддерживать перлитную структуру и управлять структурой части головки рельса и твердостью поверхности части головки или внутренней части головки. Кроме того, температура поверхности части головки и температура наружной поверхности части головки по существу являются одинаковыми.
[0096]
· Условия для горячей прокатки
Температура окончательной горячей прокатки наружной поверхности части головки: от 900°C до 1000°C
Окончательное обжатие (степень обжатия площади): от 2% до 20%
[0097]
· Условия для термической обработки после горячей прокатки (наружная поверхность части головки): выполнение естественного воздушного охлаждения в течение 60-180 с после горячей прокатки, а затем выполнение ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения
Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки)
Скорость охлаждения: от 2°C/с до 8°C/с
Начальная температура: 750°C или выше, температура остановки: от 580°C до 640°C
Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки)
Выдержка температуры наружной поверхности части головки в диапазоне 580°C - 640°C в течение 100-200 с после остановки ускоренного охлаждения, а затем выполнение воздушного охлаждения
Выдержка температуры во время регулируемого охлаждения: температуру поддерживают в предопределенном диапазоне путем повторяющегося выполнения и остановки ускоренного охлаждения в соответствии с рекуперацией изнутри рельса
[0098]
В случае предотвращения образования волосных трещин на периферии карбонитридов путем управления отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) в карбонитриде V предпочтительно, чтобы условия для ускоренного охлаждения и условия для регулируемого охлаждения были изменены на следующие условия.
[0099]
· Условия для термической обработки (наружная поверхность части головки): выполнение естественного воздушного охлаждения в течение 60-180 с после прокатки, а затем выполнение ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения
Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки):
Скорость охлаждения: от 2°C/с до 8°C/с
Начальная температура: 750°C или выше, температура остановки: от 610°C до 640°C
Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки):
Выдержка температуры наружной поверхности части головки в диапазоне 610°C - 640°C в течение 100-200 с после остановки ускоренного охлаждения, а затем выполнение воздушного охлаждения
Выдержка температуры во время регулируемого охлаждения: температуру поддерживают в предопределенном диапазоне путем повторяющегося выполнения и остановки ускоренного охлаждения в соответствии с рекуперацией изнутри рельса
[0100]
Сначала будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы окончательная температура горячей прокатки (наружной поверхности части головки) находилась в диапазоне 900°C - 1000°C.
Когда окончательная температура горячей прокатки (наружной поверхности части головки) составляет менее 900°C, измельчение аустенитных зерен после горячей прокатки становится значительным. В этом случае прокаливаемость значительно ухудшается, и твердость части головки рельса в некоторых случаях навряд ли сможет быть обеспечена. Кроме того, когда окончательная температура горячей прокатки (наружной поверхности части головки) является более высокой, чем 1000°C, аустенитные зерна после горячей прокатки становятся грубыми, прокаливаемость чрезмерно увеличивается, и бейнит, вредный для сопротивления износу, легко образуется в части головки рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы окончательная температура горячей прокатки (наружной поверхности части головки) находилась в диапазоне 900°C - 1000°C.
[0101]
Далее будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы окончательное обжатие (степень обжатия площади) находилось в диапазоне 2% - 20%.
Когда окончательное обжатие (степень обжатия площади) составляет меньше чем 2%, аустенитные зерна после горячей прокатки становятся грубыми, прокаливаемость чрезмерно увеличивается, вредный для сопротивления износу бейнит легко образуется в части головки рельса, размер зерна перлитной структуры становится грубым, и пластичность или ударная вязкость, требуемая для рельса, в некоторых случаях не может быть обеспечена. В то же время, когда окончательное обжатие (степень обжатия площади) составляет больше чем 20%, измельчение аустенитных зерен после горячей прокатки становится значительным, прокаливаемость значительно ухудшается, и твердость части головки рельса навряд ли будет обеспечена. Следовательно, предпочтительно, чтобы окончательное обжатие (степень обжатия площади) находилось в диапазоне 2% - 20%.
[0102]
Условия для горячей прокатки части головки рельса особенно не ограничиваются. Достаточно управлять окончательной температурой горячей прокатки в ходе калибровочной или универсальной прокатки типичного рельса для того, чтобы гарантировать твердость части головки рельса. В качестве способа горячей прокатки может использоваться, например, способ, описанный в первой публикации японской нерассмотренной патентной заявки № 2002-226915, так что получается главным образом перлитная структура. А именно, выполняется грубая горячая прокатка сляба или блюмовой заготовки, промежуточная горячая прокатка выполняется за множество проходов с использованием реверсивной клети, а затем финишная прокатка выполняется за два прохода или больше с использованием непрерывно действующей клети. Температурами можно управлять так, чтобы они находились в вышеописанном диапазоне температур во время окончательной горячей прокатки финишной горячей прокатки.
[0103]
Далее рассматривается причина, по которой предпочтительно, чтобы скорость ускоренного охлаждения (наружной поверхности части головки) находилась в диапазоне 2°C/с - 8°C/с.
Когда скорость охлаждения составляет меньше чем 2°C/с, перлитное превращение начинается в области высокой температуры в ходе ускоренного охлаждения. В результате в химическом составе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления часть, имеющая твердость меньше чем HV 350, образуется в верхней поверхностной части головки рельса, и сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению, требуемая для рельса, навряд ли будут обеспечены в некоторых случаях. В то же время, когда скорость охлаждения составляет больше чем 8°C/с, в химическом составе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления структура бейнита или структура мартенсита образуется в верхней поверхностной части, и таким образом сопротивление износу или ударная вязкость рельса могут ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы скорость охлаждения находилась в диапазоне 2°C/с - 8°C/с.
[0104]
Далее будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы температура начала ускоренного охлаждения составляла 750°C или выше, а температура его остановки находилась в диапазоне 580°C - 640°C.
Когда температура начала ускоренного охлаждения наружной поверхности части головки является более низкой, чем 750°C, перлитная структура иногда образуется в области высокой температуры до ускоренного охлаждения. В этом случае предопределенная твердость не получается, и сопротивление износу или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса, навряд ли будут обеспечены. Кроме того, в стали, имеющей относительно большое количество углерода, возникает опасность образования проэвтектоидного цементита, при этом перлитная структура становится хрупкой, и ударная вязкость рельса ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура наружной поверхности части головки рельса во время начала ускоренного охлаждения составляла 750°C или выше.
[0105]
В дополнение к этому, когда температура остановки ускоренного охлаждения является более высокой, чем 640°C, перлитное превращение начинается в области высокой температуры сразу же после охлаждения, и образуется большое количество перлитной структуры, имеющей низкую твердость. В результате твердость части головки не может быть обеспечена, и сопротивление износу или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса, в некоторых случаях навряд ли будут обеспечены. Кроме того, когда температура остановки ускоренного охлаждения составляет менее 580°C, имеет место случай, когда большое количество структуры бейнита, вредной для сопротивления износу, образуется сразу же после охлаждения. В этом случае сопротивление износу, требуемое для рельса, навряд ли будет обеспечено. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура остановки ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 640°C.
[0106]
Далее будет описана причина для ограничения условий, предпочтительных для регулируемого охлаждения. Этот процесс сильно влияет на количество карбонитридов V и разность в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки.
Сначала будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы температура выдержки после ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 640°C.
Когда температура выдержки является более высокой, чем 640°C, в химическом составе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления перлитное превращение начинается в области высокой температуры сразу же после охлаждения, и образуется большое количество перлитной структуры, имеющей низкую твердость. В результате твердость части головки не может быть обеспечена, и сопротивление износу или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса, навряд ли будут обеспечены. Кроме того, существует опасность того, что карбонитриды V, образующиеся во внутренней части головки, станут грубыми, и величина дисперсионного твердения уменьшится, так что твердость не сможет быть улучшена. В то же время, когда температура выдержки составляет менее 580°C, большое количество структуры бейнита, вредной для сопротивления износу, образуется сразу же после охлаждения. В результате сопротивление износу, требуемое для рельса, навряд ли будет обеспечено. Кроме того, образование карбонитрида V подавляется, так что требуемое количество мелких карбонитридов V в некоторых случаях не может быть обеспечено. В этом случае твердость внутренней части головки не улучшается, и стойкость к внутреннему усталостному разрушению навряд ли будет улучшена. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура выдержки после ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 640°C.
[0107]
Далее будет описана причина, по которой время выдержки температуры предпочтительно составляет 100-200 с.
Когда время выдержки составляет более 200 с, отпуск перлитной структуры прогрессирует во время выдержки, и перлитная структура размягчается. В результате твердость внутренней части головки не может быть обеспечена, и сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному разрушению, требуемые для рельса, навряд ли будут обеспечены. Кроме того, образование карбонитрида V становится недостаточным, и улучшение твердости внутренней части головки не может быть обеспечено. В то же время, когда время выдержки составляет менее чем 100 с, образование карбонитрида V является недостаточным, и требуемое количество мелких карбонитридов V не может быть обеспечено. В результате твердость внутренней части головки не может быть, и таким образом стойкость к внутреннему усталостному разрушению навряд ли будет улучшена. Следовательно, предпочтительно, чтобы время выдержки температуры после ускоренного охлаждения находилось в диапазоне 100-200 с.
[0108]
Способ выдержки температуры во время регулируемого охлаждения особенно не ограничивается. Предпочтительно выполнять охлаждение, которое управляет рекуперацией тепла изнутри части головки рельса, путем повторяющегося выполнения охлаждения и остановки для наружной поверхности части головки рельса с использованием обдува охлаждающим воздухом, охлаждения туманом, смешанного охлаждения потоком воздуха и воды или хладагента, получаемого путем их комбинации. В частности, предпочтительно, чтобы ускоренное охлаждение останавливалось на низкотемпературной стороне в температурной области, в которой выдерживается температура, и чтобы охлаждение начиналось после предусматривания рекуперации, образующейся изнутри части головки рельса, и чтобы охлаждение останавливалось прежде, чем температура достигнет нижнего предела предопределенного диапазона температур. Кроме того, предпочтительно, чтобы это регулирование температуры выполнялось неоднократно для того, чтобы управлять временем выдержки. В том случае, когда величина рекуперации является малой, также эффективно выполнять нагрев с использованием катушки индуктивного нагрева и т.п.
[0109]
В случае управления отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V с целью управления количеством карбонитридов V и управления разностью в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки, температура остановки охлаждения и температура выдержки после этого могут находиться в диапазоне 610°C - 640°C во время вышеописанного регулируемого охлаждения.
[0110]
Когда ускоренное охлаждение выполняется до температуры ниже чем 610°C, количество карбидов в карбонитриде V увеличивается, отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V становится трудно управлять, и образование волосных трещин на периферии карбонитридов V навряд ли будет предотвращено. Следовательно, в случае управления отношением (CA/NA) предпочтительно, чтобы температура во время выдержки температуры после ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 610°C - 640°C.
[0111]
Хладагент для термической обработки части головки рельса особенно не ограничивается. Для того, чтобы управлять твердостью так, чтобы придать сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению, предпочтительно управлять скоростью охлаждения части головки рельса во время термической обработки с использованием обдува охлаждающим воздухом, охлаждения туманом, смешанного охлаждения потоком воздуха и воды или хладагента, получаемого путем их комбинации.
[ПРИМЕРЫ]
[0112]
Далее будут описаны примеры настоящего изобретения.
Таблицы 1-6 показывают химические составы и характеристики рельсов по настоящему изобретению. Таблицы 1-6 показывают значения химических составов, значения Mn/Cr, вычисленные из значений химических составов (мас.%), а также значения 0,25 × Mn+Cr. В микроструктуре части головки в Таблицах 3 и 4 «перлит» означает, что доля площади перлитной структуры составляет 95% или больше, и небольшое количество проэвтектоидного феррита, проэвтектоидного цементита, структуры бейнита или структуры мартенсита может быть смешано с долей площади 5% или меньше.
[0113]
Таблицы 7-9 показывают химические составы и характеристики рельсов для сравнения. Таблицы 7-9 показывают значения химических составов, значения Mn/Cr, вычисленные из значений химических составов (мас.%), а также значения 0,25 × Mn+Cr. В микроструктуре части головки в Таблице 8 «перлит» означает, что доля площади перлитной структуры составляет 95% или больше, и небольшое количество проэвтектоидного феррита, проэвтектоидного цементита, структуры бейнита или структуры мартенсита может быть смешано с долей площади 5% или меньше. В то же время, когда описывается структура, отличающаяся от перлитной структуры, это означает, что эта структура содержится с долей площади больше чем 5%.
[0114]
Схема производственного процесса и производственные условия примеров и сравнительных примеров настоящего изобретения, перечисленных в Таблицах 1-6 и Таблицах 7-9, являются следующими.
[0115]
· Схема всего процесса
Весь процесс выполняется в следующем порядке:
(1) плавка стали;
(2) регулирование химического состава;
(3) литье (блюм или сляб);
(4) повторное нагревание (1250°C - 1300°C);
(5) горячая прокатка; и
(6) термическая обработка (ускоренное охлаждение или регулируемое охлаждение).
[0116]
Кроме того, схема производственных условий примеров и сравнительных примеров настоящего изобретения является следующей.
[0117]
· Условия для горячей прокатки
Температура окончания горячей прокатки наружной поверхности части головки: от 900°C до 1000°C
Окончательное обжатие (степень обжатия площади): от 2% до 20%
· Условия для термической обработки (наружной поверхности части головки): выполнение естественного воздушного охлаждения после горячей прокатки, а затем выполнение ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения.
Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки):
Скорость охлаждения: от 2°C/с до 8°C/с
Начальная температура ускоренного охлаждения: 750°C или выше
Температура остановки ускоренного охлаждения: от 580°C до 640°C
Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки):
Температура выдержки в диапазоне температур 580°C - 640°C в течение 100-200 с после остановки ускоренного охлаждения, а затем выполнение воздушного охлаждения
[0118]
В этом случае для примеров A20, A22, A24, A26 и т.п. Таблиц 1-6 условия для ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения после горячей прокатки были установлены следующим образом для того, чтобы управлять отношением (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) в карбонитриде V и предотвратить образование волосных трещин на периферии карбонитридов.
[0119]
· Условия для термической обработки (наружной поверхности части головки): выполнение естественного воздушного охлаждения после горячей прокатки, а затем выполнение ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения.
Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки):
Скорость охлаждения: от 2°C/с до 8°C/с
Начальная температура ускоренного охлаждения: 750°C или выше
Температура остановки ускоренного охлаждения: от 610°C до 640°C
Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки):
Температура выдержки в диапазоне температур 610°C - 640°C в течение 100-200 с после остановки ускоренного охлаждения, а затем выполнение воздушного охлаждения
[0120]
Вышеописанным образом были произведены стали № A1 - A44 (рельсы примеров по настоящему изобретению) и стали № B1 - B23, B62 и B72 (рельсы сравнительных примеров), перечисленные в Таблицах 1-9.
Рельсы A1 - A44 по настоящему изобретению представляют собой рельсы, в которых значения химических составов, значения Mn/Cr и значения 0,25 × Mn+Cr, сформированные из значений химических составов (мас.%), микроструктура части головки, и твердость части головки находятся в диапазонах настоящей патентной заявки. В то же время, рельсы B1 - B15, B62 и B72 (17 строк) сравнительных примеров являются рельсами, в которых содержания C, Si, Mn, Cr, P, С, V и N, а также количество карбонитридов V, имеющих средний размер зерна 5-20 нм, во внутренней части головки находятся вне диапазонов настоящей патентной заявки. Кроме того, рельсы B16 - B23 сравнительных примеров представляют собой рельсы, в которых значения Mn/Cr или значения 0,25 × Mn+Cr находятся вне диапазонов настоящей патентной заявки.
[0121]
Кроме того, рельсы (C1 - C24), перечисленные в Таблицах 10 и 11, были произведены путем изменения различных условий для горячей прокатки и условий для термической обработки (условий для ускоренного охлаждения и условий для регулируемого охлаждения) с использованием блюма или сляба, имеющего те же самые химические составы, что и для рельса по настоящему изобретению.
[0122]
Наблюдение микроструктуры части головки, измерение количества карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм, твердости части головки, разности в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки и отношения CA/NA, а также испытание на износ и испытание на контактную усталость при качении были выполнены на этих рельсах A1 - A44, B1 - B23 и C1 - C24 в соответствии со следующим способом. Результаты представлены в Таблицах 1-11.
[0123]
[Наблюдение микроструктуры части головки]
Металлографическая структура в поле зрения оптического микроскопа с увеличением 200 наблюдалась в 10 или более положениях на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки и в 10 или больше положениях на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, определялась доля площади каждой металлографической структуры, а затем среднее значение доли площади использовалось в качестве доли площади наблюдаемой части.
[0124]
[Количество карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм]
Образцы вырезались с помощью машинной обработки в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки из поперечного сечения, выполнялись обработка тонкой пленки или получение копии, а затем выполнялось наблюдение с использованием просвечивающего электронного микроскопа при увеличении 50000-500000 раз. Кроме того, каждое наблюдаемое включение анализировалось, отбирались только карбонитриды V (включения, содержащие по меньшей мере V и углерод, V и азот, или V, углерод и азот), измерялась их площадь, и средний размер зерна вычислялся с использованием диаметра эквивалентной окружности. Кроме того, среднее значение получалось путем выполнения наблюдения 20 полей зрения, подсчета количества карбонитридов V, имеющих предопределенный диаметр, и превращения этого количества карбонитридов V в количество на единицу площади.
[0125]
[Измерение CA/NA]
Игольчатый образец (10 мкм × 10 мкм × 100 мкм) вырезался с использованием способа сфокусированного ионного пучка (FIB) из положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, и количество атомов углерода и количество атомов азота, содержащихся в карбонитриде V, подсчитывалось в соответствии со способом трехмерного атомного зонда (3DAP). Из этих результатов вычислялось отношение (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA). Значения CA/NA измерялись в 5 или более точках, и среднее значение использовалось в качестве представительного значения. В это время в качестве напряжения использовался импульсный постоянный ток (коэффициент заполнения импульсов 20% или больше), и температура образца устанавливалась равной 40 K или ниже.
[0126]
[Измерение твердости части головки и разности в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки]
Образец вырезался с помощью машинной обработки из поперечного сечения части головки рельса, поперечное сечение полировалось с помощью алмазных абразивных зерен, имеющих средний размер зерна 1 мкм, и измерение выполнялось на произвольных 20 площадках на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, а также на произвольных 20 площадках на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки с грузом в 98 Н с использованием прибора для определения числа твердости по Виккерсу в соответствии с японским промышленным стандартом JIS Z 2244. Затем среднее значение твердости для 20 площадок в каждом положении глубины принималось за твердость этого положения.
[0127]
[Испытание на износ]
Испытательный прибор: машина для испытания на износ типа Nishihara (см. Фиг. 8)
Форма образца для испытания (материал рельса 4): образец для испытания в форме диска (наружный диаметр: 30 мм, толщина: 8 мм)
Положение для взятия образца для испытания: положение на глубине 2 мм под наружной поверхностью части головки (см. Фиг. 7)
Тестовая нагрузка: 686 Н (контактное давление 640 МПа)
Коэффициент скольжения: 20%
Противоположный образец для испытания (материал колеса 5): перлитная сталь (HV 380)
Атмосфера: в воздухе
Охлаждение: принудительное охлаждение с использованием сжатого воздуха из воздушного сопла 6 для охлаждения (скорость потока: 100 н.л./мин)
Количество повторений: 700000
Критерии приемлемости или отбраковки: В результате выполнения испытания на износ и оценки сопротивления износу на реальных рельсовых путях было подтверждено, что сопротивление износу на реальных рельсовых путях было недостаточным, когда величина износа была больше чем 1,30 г. Следовательно, рельсы, имеющие величину износа больше чем 1,30 г, оценивались как имеющие недостаточное сопротивление износу.
[0128]
[Испытание на контактную усталость при качении]
Испытательный прибор: прибор для испытания на контактную усталость при качении (см. Фиг. 9)
Форма образца для испытания
Рельс 8: 141-фунтовый рельс × 2 м
Колесо 9: типа AAR (диаметр 920 мм)
Нагрузка
Радиальная: от 50 до 300 кН
Осевая: 20 кН
Смазка: масло (подаваемое периодически)
Количество повторений: максимально 2000000
Критерии приемлемости или отбраковки: Количество повторений до момента образования трещин на наружной поверхности части головки рельса и трещин во внутренней части головки определялось как срок службы рельса. В том случае, когда трещины не обнаруживались соответственно на наружной поверхности части головки рельса и во внутренней части головки после 2000000 повторений, считалось, что устойчивость рельса к повреждению является превосходной. Наличие или отсутствие трещин во внутренней части головки подтверждалось путем обнаружения дефектов с использованием ультразвуковой дефектоскопии (UST) во время теста. В этом случае, поскольку волосные трещины, имеющие длину до 2 мм, незначительно ухудшают стойкость к повреждению, их присутствие допускалось.
[0129]
[Способ измерения твердости поперечного сечения части головки рельса]
Устройство для измерения: прибор для определения числа твердости по Виккерсу (нагрузка 98 Н)
Сбор тестовых образцов для измерения: механическое вырезание образца из сечения головки рельса в поперечном направлении
Предварительная обработка: полировка образца алмазными абразивными зернами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: в соответствии с японским промышленным стандартом JIS Z 2244
Вычисление твердости:
На глубине 2 мм от внешней поверхности части головки: Измерение выполнялось на произвольных 20 площадках (на глубине 2 мм) поверхности части головки в поперечном сечении рельса, показанного на Фиг. 6, и их среднее значение принималось в качестве твердости поверхности этой части.
На глубине 2 мм от внешней поверхности части головки: Измерение выполнялось на произвольных 20 площадках (на глубине 25 мм) внутри части головки в поперечном сечении рельса, показанного на Фиг. 6, и их среднее значение принималось в качестве твердости поверхности этой части.
[0130]
Как показано в Таблицах 1-9, в рельсах примеров по настоящему изобретению (A1 - A44) по сравнению с рельсами сравнительных примеров (B1 - B15, B62 и B72) содержания C, Si, Mn, Cr, P, С, V, и N в стали находились в ограниченных диапазонах, образование проэвтектоидного феррита, проэвтектоидного цементита, структуры бейнита и структуры мартенсита было подавлено, и часть головки была сформирована из перлитной структуры. Кроме того, в рельсах по настоящему изобретению твердость внутренней части головки была более низкой, чем твердость поверхности части головки, за счет управления количеством карбонитридов V, и сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению были улучшены за счет управления разностью в твердости между поверхностью части головки и внутренней частью головки и подавления охрупчивания перлитной структуры и образования пузырьков.
[0131]
Кроме того, как показано в Таблицах 1-9, в рельсовых сталях (A1 - A44) примеров по настоящему изобретению по сравнению с рельсовыми сталями (B16 - B23) сравнительных примеров образование бейнита или мартенсита было подавлено за счет управления содержаниями C, Si, Mn, P и С, значениями Mn/Cr и значениями 0,25 × Mn +Cr, и охрупчивание перлитной структуры было подавлено и сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению были улучшены за счет управления твердостью перлитной структуры.
[0132]
Кроме того, как показано в Таблицах 1-6, в примерах, в которых отношение (CA/NA) количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) в карбонитридах V было ограничено величиной 0,70 или меньше среди рельсов примеров по настоящему изобретению, сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению были дополнительно улучшены за счет подавления увеличения твердости карбонитридов V и подавления и предотвращения образования потенциальных трещин.
[0133]
Кроме того, как показано в Таблицах 10 и 11, образование структуры бейнита было подавлено, так что перлитная структура была получена путем выполнения горячей прокатки и термической обработки части головки при определенных условиях. Кроме того, за счет поддержания образования карбонитридов V были получены рельсы, имеющие превосходное сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению.
[0134]
[Таблица 1]
[0135]
[Таблица 2]
[0136]
[Таблица 3]
Сталь №
Микроструктура части головки
Количество карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм, внутри части головки (шт/мкм<sup>2</sup>)
Твердость части головки (HV)
Отношение CA/NA количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
Разность в твердости (2 мм - 25 мм)
Примеры по настоящему изобретению
A1
Перлит
Перлит
85
415
378
37
-
A2
Перлит
Перлит
90
428
393
35
-
A3
Перлит
Перлит
52
395
360
35
-
A4
Перлит
Перлит
53
430
400
30
-
A5
Перлит
Перлит
225
390
352
38
-
A6
Перлит
Перлит
230
410
375
35
-
A7
Перлит
Перлит
260
390
355
35
-
A8
Перлит
Перлит
265
480
450
30
-
A9
Перлит
Перлит
180
430
390
40
-
A10
Перлит
Перлит
190
430
395
35
-
A11
Перлит
Перлит
51
449
410
39
-
A12
Перлит
Перлит
495
449
440
9
-
A13
Перлит
Перлит
65
425
390
35
-
A14
Перлит
Перлит
190
425
404
21
-
A15
Перлит
Перлит
215
459
420
39
-
A16
Перлит
Перлит
220
425
395
30
-
A17
Перлит
Перлит
368
380
350
30
-
A18
Перлит
Перлит
370
478
460
18
-
A19
Перлит
Перлит
115
405
370
35
0,85
A20
Перлит
Перлит
120
406
371
35
0,40
A21
Перлит
Перлит
60
424
385
39
1,20
A22
Перлит
Перлит
60
424
385
39
0,50
[0137]
[Таблица 4]
Сталь №
Микроструктура части головки
Количество карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм, внутри части головки (шт/мкм<sup>2</sup>)
Твердость части головки (HV)
Отношение CA/NA количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
Разность в твердости (2 мм - 25 мм)
Примеры по настоящему изобретению
A23
Перлит
Перлит
130
431
405
26
1,40
A24
Перлит
Перлит
135
431
404
27
0,55
A25
Перлит
Перлит
180
450
430
20
1,60
A26
Перлит
Перлит
185
450
430
20
0,60
A27
Перлит
Перлит
255
430
412
18
0,80
A28
Перлит
Перлит
260
430
412
18
0,30
A29
Перлит
Перлит
480
449
443
6
0,72
A30
Перлит
Перлит
482
449
443
6
0,35
A31
Перлит
Перлит
395
455
444
11
0,80
A32
Перлит
Перлит
395
455
445
10
0,40
A33
Перлит
Перлит
430
420
412
8
0,75
A34
Перлит
Перлит
432
420
413
7
0,35
A35
Перлит
Перлит
355
445
425
20
2,00
A36
Перлит
Перлит
356
445
425
20
0,70
A37
Перлит
Перлит
278
455
430
25
1,40
A38
Перлит
Перлит
280
455
430
25
0,65
A39
Перлит
Перлит
215
452
420
32
0,75
A40
Перлит
Перлит
220
452
421
31
0,35
A41
Перлит
Перлит
120
475
440
35
0,90
A42
Перлит
Перлит
120
475
440
35
0,45
A43
Перлит
Перлит
415
445
425
20
2,50
A44
Перлит
Перлит
415
445
425
20
0,70
[0138]
[Таблица 5]
Сталь №
Результат испытания на износ
Результат испытания на контактную усталость при качении
Специальное замечание для способа производства
Примечание
Степень износа (г, 700000 раз)
Присутствие или отсутствие усталостного разрушения (верхний предел 2000000 раз)
Специальное замечание для способа производства
Примеры по настоящему изобретению
A1
1,03
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел C
A2
1,00
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел C
A3
1,04
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел Si
A4
1,00
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел Si
A5
1,09
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел Mn
A6
0,98
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел Mn
A7
1,05
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел Mn
A8
0,96
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел Mn
A9
1,03
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел P
A10
1,02
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел S
A11
0,94
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел V
A12
0,93
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел V
A13
1,01
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел N
A14
1,01
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел N
A15
0,95
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел Mn/Cr
A16
1,02
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел Mn/Cr
A17
1,04
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Нижний предел Mn+Cr
A18
0,90
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Верхний предел Mn+Cr
A19
1,04
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Co
A20
1,04
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Co
A21
1,02
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Nb и Ti
A22
1,02
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Nb и Ti
[0139]
[Таблица 6]
Сталь №
Результат испытания на износ
Результат испытания на контактную усталость при качении
Специальное замечание для способа производства
Примечание
Степень износа (г, 700000 раз)
Присутствие или отсутствие усталостного разрушения (верхний предел 2000000 раз)
Специальное замечание для способа производства
Примеры по настоящему изобретению
A23
1,00
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A24
1,00
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A25
0,96
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка B
A26
0,96
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка B
A27
0,98
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Cu
A28
0,98
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Cu
A29
0,96
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Ni
A30
0,96
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Ni
A31
0,95
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A32
0,95
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A33
0,99
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Mo
A34
0,99
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Mo
A35
0,95
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Mg и Ca
A36
0,95
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Mg и Ca
A37
0,94
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка REM и Zr
A38
0,94
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка REM и Zr
A39
0,94
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка B
A40
0,93
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка B
A41
0,90
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A42
0,90
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
-
A43
0,95
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных трещин внутри
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Al
A44
0,95
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
Горячая прокатка → термическая обработка
Добавка Al
[0140]
[Таблица 7]
[0141]
[Таблица 8]
[0142]
[Таблица 9]
[0143]
[Таблица 10]
Пример
Сталь №
Горячая прокатка
Термическая обработка
Микроструктура части головки
Количество карбонитридов V, имеющих размер зерна 5-20 нм, внутри части головки (шт/мкм<sup>2</sup>)
Условия для ускоренного охлаждения
Условия для регулируемого охлаждения
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
Температура окончательной прокатки (°C)
Окончательное обжатие (%)
Скорость ускоренного охлаждения (°C/с)
Температура остановки (°C)
Диапазон температур выдержки (°C)
Время выдержки (с)
C1
A23
950
15
10,0
590
590-600
120
<u>Перлит+бейнит</u>
Перлит
130
C2
A23
950
15
5,0
590
590-600
120
Перлит
Перлит
130
C3
A24
950
15
5,0
615
615-630
120
Перлит
Перлит
135
C4
A31
930
20
4,0
550
585-605
180
<u>Перлит+бейнит</u>
Перлит
130
C5
A31
930
20
4,0
585
585-605
180
Перлит
Перлит
395
C6
A32
930
20
4,0
620
620-640
180
Перлит
Перлит
395
C7
A41
975
18
1,0
580
580-605
130
Перлит
Перлит
120
C8
A41
975
18
3,0
580
580-605
130
Перлит
Перлит
120
C9
A42
975
18
3,0
610
610-630
130
Перлит
Перлит
120
C10
A19
945
5
7,0
670
585-608
130
Перлит
Перлит
115
C11
A19
945
5
7,0
585
585-608
130
Перлит
Перлит
115
C12
A20
945
5
7,0
585
620-640
130
Перлит
Перлит
120
C13
A27
1000
8
6,0
590
590-605
195
Перлит
Перлит
255
C14
A28
1000
8
6,0
615
615-640
195
Перлит
Перлит
260
C15
A27
1000
8
6,0
590
550-570
195
Перлит
Перлит
<u>15 (небольшое количество включений)</u>
C16
A29
980
12
5,0
580
580-605
175
Перлит
Перлит
480
C17
A30
980
12
5,0
610
610-630
175
Перлит
Перлит
482
C18
A29
980
12
5,0
580
650-660
175
Перлит
Перлит
<u>25 (небольшое количество включений)</u>
C19
A33
930
15
4,0
580
580-600
145
Перлит
Перлит
430
C20
A34
930
15
4,0
615
615-640
145
Перлит
Перлит
432
C21
A33
930
15
4,0
580
580-600
80
Перлит
Перлит
<u>45 (небольшое количество включений)</u>
C22
A43
910
12
3,0
590
590-605
155
Перлит
Перлит
415
C23
A44
910
12
3,0
620
620-640
155
Перлит
Перлит
415
C24
A43
910
12
3,0
590
590-605
240
Перлит
Перлит
<u>45 (огрубление включений → уменьшение количества)</u>
[0144]
[Таблица 11]
Пример
Сталь №
Твердость части головки (HV)
Отношение CA/NA количества атомов углерода (CA) к количеству атомов азота (NA) карбонитрида V
Результат испытания на износ
Результат испытания на контактную усталость при качении
на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки (поверхность части головки)
на глубине 25 мм от наружной поверхности головки (внутри части головки)
Разность в твердости (2 мм - 25 мм)
Степень износа (г, 700000 раз)
Присутствие или отсутствие усталостного разрушения (верхний предел 2000000 раз)
Специальное замечание
C1
A23
410
405
5
1,40
<u>1,31 (большая степень износа)</u>
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C2
A23
431
405
26
1,40
1,00
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C3
A24
431
404
27
0,55
1,00
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C4
A31
400
450
<u>-50</u>
0,80
<u>1,35 (большая степень износа)</u>
<u>Частота поверхностного повреждения (1320000 раз)</u>
<u>Частота поверхностного повреждения</u>
C5
A31
455
444
11
0,80
0,95
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C6
A32
455
445
10
0,40
0,95
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C7
A41
392
<u>345</u>
<u>52</u>
0,90
1,09
<u>Частота внутреннего повреждения (1750000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
C8
A41
475
440
35
0,90
0,90
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C9
A42
475
440
35
0,45
0,90
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C10
A19
405
<u>340</u>
<u>65</u>
0,85
1,04
<u>Частота внутреннего повреждения (1620000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
C11
A19
405
370
35
0,85
1,04
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C12
A20
406
371
35
0,40
1,04
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C13
A27
430
412
18
0,60
0,98
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C14
A28
430
412
18
0,30
0,98
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C15
A27
430
380
<u>50</u>
0,60
0,98
<u>Частота внутреннего повреждения (1700000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
C16
A29
449
443
6
0,72
0,96
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C17
A30
449
443
6
0,35
0,96
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C18
A29
449
400
<u>49</u>
0,72
0,96
<u>Частота внутреннего повреждения (1750000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
C19
A33
420
412
8
0,75
0,99
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C20
A34
420
413
7
0,35
0,99
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C21
A33
420
375
<u>45</u>
0,75
0,99
<u>Частота внутреннего повреждения (1850000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
C22
A43
445
425
20
2,50
0,93
Нет (2000000 раз)
Присутствие волосных внутренних трещин
C23
A44
445
425
20
0,70
0,93
Нет (2000000 раз)
Нет трещин
C24
A43
445
400
<u>45</u>
2,50
0,93
<u>Частота внутреннего повреждения (1850000 раз)</u>
<u>Частота внутреннего повреждения</u>
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0145]
В соответствии с рельсом по настоящему изобретению возможно улучшить сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному разрушению. Кроме того, в том случае, когда такой рельс используется на грузовых железных дорогах, срок службы рельса может быть значительно продлен.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0146]
1: Верхняя часть головки
2: Угловая часть головки
3: Часть головки рельса
3a: Поверхностная часть головки (до глубины 25 мм от поверхности угловой части и верхней части головки, заштрихованная часть)
4: Материал рельса
5: Материал колеса
6: Воздушное сопло для охлаждения
7: Ползун для перемещения рельса
8: Рельс
9: Колесо
10: Двигатель
11: Устройство управления нагрузкой