РЕЛЬС
RAIL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001]
Настоящее изобретение относится к рельсу, который используется на грузовых железных дорогах и имеет превосходную стойкость к повреждениям.
Приоритет испрашивается по заявке на патент Японии № 2019-048809, поданной 15 марта 2019 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, добыча природных ресурсов ускорилась в слаборазвитых регионах с суровой природной средой. Наряду с этим, среда вокруг железнодорожных путей, используемых для транспортировки ресурсов, стала значительно более суровой. По этой причине рельсы теперь должны обладать большим сопротивлением износу, чем когда-либо ранее. Отсюда возникает потребность в разработке рельсов с улучшенным сопротивлением износу.
[0003]
В дополнение к этому, в последние годы железнодорожный транспорт стал более нагруженным, и усталостное повреждение может происходить от части шейки рельса. По этой причине для дальнейшего увеличения срока службы рельса существует потребность в улучшении сопротивления усталостному повреждению части шейки рельса в дополнение к улучшению износостойкости части головки. Такая потребность особенно важна для рельсов, используемых на кривых путях. В случае кривого пути из недавних исследований ясно, что, поскольку напряжение по направлению к внешней стороне кривой прикладывается к части головки рельса, вызывая изгибающее напряжение, прикладываемое к части шейки рельса, усталостное повреждение может возникать от части шейки в качестве исходной точки.
[0004]
Для того, чтобы улучшить сопротивление рельсовой стали износу, были разработаны высокопрочные рельсы, описанные, например, в Патентных документах 1 и 2. Основными особенностями этих рельсов для повышения износостойкости являются повышение твердости стали за счет уменьшения расстояния между пластинками перлита в части головки рельса с помощью термической обработки, или увеличение объемной доли цементита в пластинках перлита части головки рельса за счет увеличения количества углерода в стали.
[0005]
Патентный документ 1 раскрывает, что рельс, имеющий превосходную износостойкость, может быть получен путем выполнения ускоренного охлаждения части головки рельса, которая прокатывается или повторно нагревается, со скоростью охлаждения 1-4°C/с от диапазона температур аустенита до диапазона 850-500°C.
[0006]
В дополнение к этому, Патентный документ 2 раскрывает, что рельс, имеющий превосходную износостойкость, может быть получен путем увеличения объемной доли цементита в пластинках структуры перлита части головки рельса с использованием заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85% и 1,20% или меньше).
[0007]
В методике, раскрытой в Патентных документах 1 или 2, благодаря увеличению твердости за счет уменьшения расстояния между пластинками в перлитной структуре части головки рельса или увеличения объемной доли цементита в пластинках структуры перлита износостойкость части головки рельса улучшается, и срок службы до некоторой степени увеличивается. Однако, в рельсах, раскрытых в Патентных документах 1 и 2, не проводилось никаких исследований сопротивления усталостным повреждениям, которое предотвращает усталостное повреждение части шейки рельса.
[0008]
В дополнение к этому, например, Патентный документ 3 раскрывает, что рельс, имеющий улучшенную ударную вязкость в части шейки рельса, может быть получен путем управления количеством формируемой структуры проэвтектоидного (вторичного) цементита в части шейки рельса.
[0009]
В методике, раскрытой в Патентном документе 3, количество формируемой структуры цементита в структуре перлита регулируется для повышения ударной вязкости части шейки рельса, подавления разрушения рельса и до некоторой степени увеличения срока службы. Однако в рельсе, раскрытом в Патентном документе 3, не проводилось никаких исследований сопротивления усталостным повреждениям, которое предотвращает усталостное повреждение части шейки рельса.
[0010]
В дополнение к этому, например, Патентный документ 4 раскрывает, что рельс, имеющий улучшенные усталостные свойства части шейки рельса, может быть получен путем уменьшения остаточного напряжения за счет охлаждения участка сварного соединения рельса сразу после сварки.
[0011]
В методике, раскрытой в Патентном документе 4, остаточное напряжение части сварного соединения рельса регулируется для улучшения усталостных свойств части шейки рельса, предотвращения поломки рельса и до некоторой степени увеличения срока службы. Однако, в рельсе, раскрытом в Патентном документе 4, целью является сварное соединение рельса, и не проводилось никаких исследований по предотвращению усталостного повреждения основного материала рельса. В дополнение к этому, в методике, раскрытой в Патентном документе 4, остаточное напряжение контролируется, и в Патентном документе 4 не проводилось никаких исследований взаимосвязи между материалом и твердостью, а также усталостными свойствами части шейки рельса.
[0012]
В дополнение к этому, в методике, раскрытой в Патентном документе 5, в способе термической обработки рельса определяется твердость части шейки рельса, требуемая для обеспечения ударной вязкости. Однако в рельсе, раскрытом в Патентном документе 5, не проводилось никаких исследований по предотвращению усталостного повреждения части шейки рельса. В дополнение к этому, в Патентном документе 5 иллюстрируется только диапазон средних значений твердости части шейки, и не проводилось никаких исследований распределения твердости, которое влияет на подавление усталостного повреждения части шейки рельса.
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0013]
[Патентный документ 1] Японская рассмотренная патентная заявка, Вторая публикация № S63-023244
[Патентный документ 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H8-144016
[Патентный документ 3] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № 2004-43863
[Патентный документ 4] Японский патент № 4819183
[Патентный документ 5] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H8-170120
[Патентный документ 6] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № 2002-226915
[Патентный документ 7] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H8-246100
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0014]
Настоящее изобретение было создано с учетом вышеупомянутых проблем. Задачей настоящего изобретения является предложить рельс, который может подавлять усталостное повреждение, возникающее от части шейки, и имеет превосходное сопротивление усталостному разрушению, которое требуется для рельса грузовой железной дороги. В частности, задачей настоящего изобретения является предложить рельс, который может подавлять возникновение усталостного повреждения, даже когда рельс используется на кривом пути, в котором вероятно возникновение усталостного разрушения.
СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0015]
Концепция настоящего изобретения заключается в следующем.
(1) Рельс в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения имеет состав стали, включающий, в мас.%: C: 0,75-1,20%; Si: 0,10-2,00%; Mn: 0,10-2,00%; Cr: 0-2,00%; Mo: 0-0,50%; Co: 0-1,00%; B: 0-0,0050%; Cu: 0-1,00%; Ni: 0-1,00%; V: 0-0,50%; Nb: 0-0,050%; Ti: 0-0,0500%; Mg: 0-0,0200%; Ca: 0-0,0200%; REM: 0-0,0500%; Zr: 0-0,0200%; N: 0-0,0200%; Al: 0-1,00%; P: 0,0250% или меньше; S: 0,0250% или меньше; а также остаток, состоящий из Fe и примесей, в котором 90% площади или больше металлографической структуры в поперечном сечении части шейки рельса являются структурой перлита, минимальное значение твердости в поперечном сечении части шейки рельса составляет 300 или больше HV, и разность между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса составляет 40 или меньше HV.
(2) В рельсе по п. (1) разность между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса может составлять 20 или меньше HV.
(3) В рельсе по п. (1) или (2) состав стали может включать в себя, в мас.%, один, два или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из: Cr: 0,01-2,00%; Mo: 0,01-0,50%; Co: 0,01-1,00%; B: 0,0001-0,0050%; Cu: 0,01-1,00%; Ni: 0,01-1,00%; V: 0,005-0,50%; Nb: 0,0010-0,050%; Ti: 0,0030-0,0500%; Mg: 0,0005-0,0200%; Ca: 0,0005-0,0200%; REM: 0,0005-0,0500%; Zr: 0,0001-0,0200%; N: 0,0060-0,0200%; и Al: 0,0100-1,00%.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016]
В соответствии с аспектом настоящего изобретения может быть обеспечен рельс, который имеет превосходную стойкость к усталостным повреждениям, требуемую для части шейки рельса, предназначенный для кривого пути грузовой железной дороги.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017]
Фиг. 1 показывает положение измерения твердости в поперечном сечении части шейки рельса.
Фиг. 2 показывает схему испытания рельса на усталостную стойкость.
Фиг. 3 представляет собой график, показывающий соотношение разности между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса и количеством повторений во время инициирования трещины в испытании рельса на усталостную стойкость.
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
Фиг. 5 показывает участок части шейки, требующий перлитной структуры.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018]
Далее будет подробно описан рельс, имеющий превосходную стойкость к усталостному повреждению в части шейки в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения (также называемый рельсом в соответствии с настоящим вариантом осуществления). В дальнейшем «%» в составе означает массовый процент.
[0019]
Сначала авторы настоящего изобретения более подробно исследовали причину усталостных повреждений, происходящих от части шейки рельса, на существующих грузовых железных дорогах. В результате подробного исследования рельса, включая перлитную структуру, в которой произошло усталостное повреждение, было установлено наличие корреляции между твердостью поперечного сечения части шейки и усталостным повреждением рельса. Было подтверждено, что в рельсе, в котором присутствовала область, где твердость в поперечном сечении части шейки рельса была меньше чем HV 300, усталостное повреждение произошло от части шейки рельса.
[0020]
Кроме того, авторы настоящего изобретения более подробно исследовали рельс, в котором произошло усталостное повреждение. В результате был подтвержден случай, когда на кривом пути, подвергавшемся суровым условиям эксплуатации, даже в рельсе, в котором не присутствовала область, в которой твердость в поперечном сечении части шейки рельса была меньше HV 300, усталостное повреждение произошло от части шейки.
[0021]
Таким образом, авторы настоящего изобретения выполнили оценку прототипа реального рельса, чтобы более подробно исследовать причину усталостного повреждения, происходящего от части шейки даже в таком рельсе, в котором, отсутствует область, в которой твердость в поперечном сечении части шейки рельса была бы меньше HV 300.
[0022]
Здесь авторы настоящего изобретения выполнили тест усталостного повреждения для моделирования кривого пути при оценке прототипа. Причина этого состоит в том, что существуют уникальные обстоятельства, при которых напряжение изгиба может быть приложено к части шейки на кривом пути. Как показано на Фиг. 4, рельс включает в себя часть 1 шейки рельса, часть 2 головки рельса и часть 3 подошвы рельса. Поскольку часть 1 шейки рельса не контактировала с колесами, она не считалась важной в предшествующем уровне техники. Однако, на кривом пути во время прохождения состава к части 2 головки рельса прикладывается напряжение по направлению к внешней стороне кривого пути, так что изгибающее напряжение прикладывается к части 1 шейки рельса. Авторы настоящего изобретения предположили, что усталостное повреждение могло произойти в части 1 шейки рельса на кривом пути из-за повторяющегося создания такого напряжения изгиба, и сочли, что испытание на усталостное повреждение также должно быть выполнено для воспроизведения вышеописанного напряжения изгиба. Детали методики оценки прототипа будут показаны ниже.
[0023]
Горячая прокатка и термическая обработка рельса были выполнены на стали (заэвтектоидной стали), имеющей следующий состав стали, в различных условиях для производства прототипов рельсов, имеющих различную твердость поперечного сечения в частях шейки рельса, и прототипы рельсов были оценены на стойкость к усталостному повреждению. Затем была исследована взаимосвязь между твердостью поперечного сечения части шейки рельса и стойкостью к усталостному повреждению. Ниже приведены условия горячей прокатки рельсов, условия термообработки и условия испытаний на стойкость к усталостному повреждению. В связи с этим, для изменения твердости поперечного сечения части шейки рельса выполнялось регулируемое охлаждение части шейки.
[0024]
[Условия горячей прокатки и термической обработки фактического рельса]
Состав стали
0,90% C - 0,50% Si - 0,70% Mn - 0,0150% P - 0,0120% S (с остатком из Fe и примесей)
Форма рельса
141 фунт (вес: 70 кг/м)
Условия горячей прокатки и термической обработки
Температура окончательной прокатки (наружной поверхности части шейки): 900°C.
Условия термической обработки: горячая прокатка → ускоренное охлаждение
Условия регулируемого охлаждения (наружная поверхность части шейки): ускоренное охлаждение в диапазоне температур от 800°C до 500°C выполнялось со средней скоростью охлаждения 0,5-5°C/с, или выполнялось ускоренное охлаждение от 800°C до диапазона температур 580°C - 680°C. Затем, после повышения температуры за счет генерации повторного нагрева и сохранения температуры, снова выполнялось ускоренное охлаждение.
В связи с этим, ускоренное охлаждение осуществлялось путем впрыскивания охлаждающей среды, такой как воздух или охлаждающая вода, либо на поверхность части головки рельса, либо на поверхность части шейки, либо на обе поверхности. В дополнение к этому, повышение температуры за счет генерации повторного нагрева и сохранение температуры контролировалось повторением слегка ускоренного охлаждения в зависимости от величины повышения температуры.
[0025]
[Способ измерения твердости поперечного сечения части шейки рельса, условия измерения и способ определения твердости]
Устройство и способ измерения
Устройство: твердомер Виккерса (нагрузка 98 Н)
Взятие тестового образца для измерения: образец вырезался из поперечного сечения части шейки рельса
Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазными абразивными частицами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: твердость измерялась в соответствии со стандартом JIS Z 2244: 2009
Положение измерения
Положение измерения находилось в поперечном сечении в диапазоне±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса (см. Фиг. 1).
Углубления непрерывно делались в направлении толщины части шейки в ряд с шагом 1,0 мм, при этом исходной точкой непрерывного вдавливания является положение на глубине 1,0 мм от внешней поверхности части шейки, и измерялось распределение твердости. Измерение твердости выполнялось по меньшей мере на пяти линиях.
В связи с этим, для устранения взаимного влияния углублений между линиями измерения предусматривался интервал 1,0 мм или больше.
Способ определения твердости
Минимальное значение и максимальное значение измеренной твердости определялись как минимальное значение и максимальное значение твердости поперечного сечения каждой из частей шейки рельса.
[Характеристики твердости тестового рельса]
Диапазон минимального значения твердости поперечного сечения части шейки рельса: HV 300-500
Разность между минимальным значением и максимальным значением твердости поперечного сечения части шейки рельса: HV 10-80
[0026]
[Способ и условия испытания на сопротивление усталости для части шейки рельса]
Испытание рельса на сопротивление усталости
Метод испытаний: изгиб фактического рельса в трех точках (охватываемая длина: 650 мм, см. Фиг. 2)
Режим нагрузки: колебания в диапазоне 2-20 т.
Частота колебаний приложенной нагрузки: 5 Гц
Положение теста: к части головки рельса прикладывалась эксцентрическая нагрузка. Положение приложения нагрузки было установлено в положение, смещенное на одну треть ширины части головки рельса от центра части головки рельса в направлении ширины рельса (см. Фиг. 2).
Измерение напряжения: напряжение измерялось тензометром, присоединенным к части шейки рельса
Количество повторений колебаний нагрузки: максимум до 3 миллионов повторений (без инициирования трещины) или до инициирования трещины.
Определение трещины: тест периодически останавливался, и на поверхности части шейки рельса проводился контроль магнитных частиц для подтверждения наличия или отсутствия трещины на поверхности части шейки рельса
Определение прохождения: рельс, в котором количество повторений колебания нагрузки до возникновения трещины составляло 2 миллиона или больше, или трещина не образовывалась до конца испытания (количество повторений колебания нагрузки составило 3 миллиона), определялся как рельс, имеющий превосходное сопротивление усталостному разрушению
[0027]
Как показано на Фиг. 2, когда к рельсу прикладывалась эксцентричная нагрузка, колеблющаяся через равные промежутки времени, к части шейки рельса через равные промежутки времени прикладывалось изгибающее напряжение. Соответственно, можно было смоделировать изгибающее напряжение (растягивающее напряжение в направлении вверх и вниз, прикладываемое к той стороне части шейки рельса, которая соответствует внешней стороне кривой), прикладываемое к части шейки рельса благодаря центробежной силе состава, проходящего по кривому пути.
В результате подробного исследования части шейки рельса, в которой трещина возникла до того, как число повторений колебания нагрузки достигло 2 миллионов, было подтверждено, что трещина возникла в рельсе, в котором твердость в поперечном сечении была значительно неоднородной (а именно, разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения была большой). Авторы настоящего изобретения на основании этого результата обнаружили, что возникновение трещины является результатом концентрации деформации в поперечном сечении части шейки из-за значительной неоднородности твердости поперечного сечения.
[0028]
Фиг. 3 показывает результаты испытаний рельсов на усталостную стойкость. Фиг. 3 показывает соотношение разности между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса и количеством повторений колебания нагрузки до момента инициирования трещины в испытании на усталостную стойкость. Как видно из результатов, показанных на Фиг. 3, имеется корреляция разности между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения и количества повторений колебания нагрузки до момента инициирования трещины в испытании на усталостную стойкость, и когда разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения уменьшается, количество повторений колебания нагрузки до момента инициирования трещины имеет тенденцию к увеличению. Особенно, авторы настоящего изобретения подтвердили, что когда разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения составляла HV 40 или меньше, трещина не возникала до тех пор, пока количество повторений колебания нагрузки не достигло 2 миллионов, и стойкость к повреждениям части шейки была значительно улучшена.
[0029]
Кроме того, авторы настоящего изобретения подтвердили, что когда разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки составляла HV 20 или меньше, количество повторений колебания нагрузки до момента инициирования трещины дополнительно увеличивалось, и трещина не возникала вплоть до 3 миллионов повторений, и стойкость к повреждениям части шейки была дополнительно улучшена.
[0030]
Говорят, что увеличение твердости (полное упрочнение) материала является эффективным для предотвращения усталостного разрушения материала. Однако, авторы настоящего изобретения недавно обнаружили, что для подавления возникновения усталостного повреждения в части шейки рельса, в дополнение к увеличению твердости части шейки рельса необходимо подавлять разницу между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса, а также подавлять концентрацию напряжений в поперечном сечении части шейки рельса.
[0031]
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Часть шейки рельса (часть 1 шейки рельса) в соответствии с настоящим вариантом осуществления будет снова описана со ссылкой на Фиг. 4.
[0032]
На поперечном сечении, перпендикулярном к направлению длины рельса, часть рельса, которая сужается по ширине, присутствует в центре в направлении высоты рельса. Эта суженная часть упоминается как часть 1 шейки рельса. Часть, которая имеет ширину больше, чем ширина суженной части, и располагается ниже нее, упоминается как часть 3 подошвы рельса, а часть, расположенная выше суженной части, упоминается как часть 2 головки рельса. Часть 1 шейки рельса является областью, располагающейся между частью 2 головки рельса и частью 3 подошвы рельса.
[0033]
(1) Причины ограничения химического состава (компонентов) рельсовой стали
Далее будут подробно описаны причины ограничения химического состава (компонентов) стали в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
[0034]
C: 0,75-1,20%
C является элементом, который способствует перлитному превращению, а также способствует улучшению усталостной стойкости. Однако, когда содержание C составляет менее 0,75%, нижний предел прочности или стойкости к усталостному повреждению, требуемый для рельса, не может быть обеспечен. Кроме того, когда содержание C составляет менее 0,75%, мягкая проэвтектоидная ферритная структура может формироваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. С другой стороны, когда содержание C превышает 1,20%, твердая проэвтектоидная структура цементита может формироваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. Следовательно, для того, чтобы поддержать формирование структуры перлита и гарантировать стойкость к усталостному повреждению, содержание C устанавливается равным 0,75-1,20%. Для того, чтобы дополнительно стабилизировать формирование структуры перлита и дополнительно улучшить стойкость к усталостному повреждению, желательно, чтобы содержание C составляло 0,80% или больше, 0,85% или больше, или 0,90% или больше. В дополнение к этому, по той же самой причине желательно, чтобы содержание C составляло 1,15% или меньше, 1,10% или меньше, или 1,05% или меньше.
[0035]
Si: 0,10-2,00%
Si является элементом, который твердорастворяется в феррите перлитной структуры, увеличивает твердость (прочность) поперечного сечения части шейки рельса, и улучшает стойкость к усталостному повреждению. Кроме того, Si также является элементом, который подавляет формирование структуры доэвтектоидного цементита, подавляет разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса, и улучшает стойкость к усталостному повреждению. Однако, когда содержание Si составляет менее 0,10%, эти эффекты не могут быть получены в достаточной степени. С другой стороны, когда содержание Si превышает 2,00%, большое количество дефектов поверхности образуется во время горячей прокатки. Кроме того, когда содержание Si превышает 2,00%, прокаливаемость значительно увеличивается, твердая структура мартенсита может формироваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. Следовательно, для того, чтобы поддержать формирование структуры перлита и гарантировать стойкость к усталостному повреждению или ударную вязкость, содержание Si устанавливается равным 0,10-2,00%. Для того, чтобы дополнительно стабилизировать формирование структуры перлита и дополнительно улучшить стойкость к усталостному повреждению или ударную вязкость, желательно, чтобы содержание Si составляло 0,15% или больше, 0,20% или больше, или 0,40% или больше. По той же самой причине желательно, чтобы содержание Si составляло 1,80% или меньше, 1,50% или меньше, или 1,30% или меньше.
[0036]
Mn: 0,10-2,00%
Mn является элементом, который увеличивает прокаливаемость, подавляет формирование мягкой структуры доэвтектоидного феррита и стабилизирует перлитное превращение, и в то же самое время уменьшает расстояние между пластинками структуры перлита и обеспечивает ее твердость, и таким образом улучшает стойкость к усталостному повреждению. Однако, когда содержание Mn составляет менее 0,10%, этот эффект уменьшается, мягкая проэвтектоидная ферритная структура может формироваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. С другой стороны, когда содержание Mn превышает 2,00%, прокаливаемость значительно увеличивается, твердая структура мартенсита может формироваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. Следовательно, для того, чтобы поддержать формирование структуры перлита и гарантировать стойкость к усталостному повреждению или ударную вязкость, содержание Mn устанавливается равным 0,10-2,00%. Для того, чтобы стабилизировать формирование структуры перлита и дополнительно улучшить стойкость к усталостному повреждению или ударную вязкость, желательно, чтобы содержание Mn составляло 0,20% или больше, 0,30% или больше, или 0,40% или больше. По той же самой причине желательно, чтобы содержание Mn составляло 1,80% или меньше, 1,50% или меньше, или 1,20% или меньше.
[0037]
P: 0,0250% или меньше
P является загрязняющим элементом, содержащимся в стали. Его содержанием можно управлять путем выполнения очистки в конвертере. Предпочтительно, чтобы содержание P было небольшим, но, в частности, когда содержание P превышает 0,0250%, концентрация P в зоне сегрегации части шейки рельса повышается, твердость участка сегрегации увеличивается, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. По этой причине содержание P ограничивается величиной 0,0250% или меньше. В связи с этим, для того, чтобы устойчиво гарантировать стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса, желательно, чтобы содержание P составляло 0,0200% или меньше, 0,0180% или меньше, или 0,0150% или меньше. Поскольку P не способствует решению проблемы настоящего изобретения, нет необходимости ограничивать нижний предел содержания P, и нижний предел может быть установлен, например, равным 0%. Однако, с учетом возможностей дефосфоризации в процессе очистки экономически выгодно устанавливать нижний предел содержания P равным приблизительно 0,0050%.
[0038]
S: 0,0250% или меньше
S является загрязняющим элементом, содержащимся в стали. Ее содержанием можно управлять путем выполнения десульфуризации в плавильной печи. Предпочтительно, чтобы содержание S было малым, но, в частности, когда содержание S превышает 0,0250%, ускоряется формирование сульфида на основе MnS, и концентрация Mn в стали уменьшается. В результате формируется участок с отрицательной сегрегацией, твердость участка с отрицательной сегрегацией снижается, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению ухудшается. По этой причине содержание S ограничивается величиной 0,0250% или меньше. В связи с этим, для того, чтобы более устойчиво гарантировать стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса, желательно, чтобы содержание S составляло 0,0200% или меньше, 0,0180% или меньше, или 0,0150% или меньше. Поскольку S не способствует решению проблемы настоящего изобретения, нет необходимости ограничивать нижний предел содержания S, и нижний предел может быть установлен, например, равным 0%. Однако, с учетом возможностей десульфуризации в процессе очистки экономически выгодно устанавливать нижний предел содержания S равным приблизительно 0,0030%.
[0039]
В основном рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления имеет вышеупомянутый химический состав с остатком из Fe и примесей. Однако, вместо части Fe в остатке, в случае необходимости дополнительно улучшить стойкость к усталостному повреждению за счет увеличения твердости (прочности) перлитной структуры, в частности управления распределением твердости поперечного сечения части шейки рельса, один, два или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из Cr, Mo, Co, B, Cu, Ni, V, Nb, Ti, Mg, Ca, REM, Zr, N и Al, могут быть включены в диапазонах, которые будут описаны позже. В частности, Cr и Mo уменьшают расстояние между пластинками структуры перлита, улучшая ее твердость. Co измельчает ламеллярную структуру, увеличивая твердость структуры перлита. B снижает зависимость температуры перлитного превращения от скорости охлаждения для равномерного распределения твердости в поперечном сечении шейки рельса. Cu твердорастворяется в феррите перлитной структуры для увеличения твердости перлитной структуры. Ni твердорастворяется в феррите перлитной структуры для увеличения твердости перлитной структуры. V, Nb, и Ti улучшают твердость перлитной структуры за счет дисперсионного твердения карбида или нитрида, образующегося во время горячей прокатки или в процессе охлаждения после горячей прокатки. Mg, Ca и REM тонко диспергируют сульфид на основе MnS, способствуя перлитному превращению. Zr увеличивает долю равноосных кристаллов в структуре затвердевания, чтобы подавить образование зоны сегрегации в центральной части блюма или сляба, подавить образование доэвтектоидной ферритной структуры или доэвтектоидной структуры цементита и способствовать перлитному превращению. N сегрегирует на границу аустенитного зерна, способствуя перлитному превращению. Al сдвигает температуру эвтектоидного превращения в сторону высоких температур, чтобы улучшить твердость перлитной структуры. По этой причине для получения вышеупомянутых эффектов эти элементы могут быть включены в диапазонах, которые будут описаны позже. В связи с этим, даже когда эти элементы включаются в диапазонах, которые будут описаны позже, эти элементы не ухудшают характеристик рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления. В дополнение к этому, поскольку эти элементы не обязательно должны присутствовать, нижний предел их содержания устанавливается равным 0%.
[0040]
Cr: 0-2,00%
Cr повышает температуру равновесного превращения и увеличивает степень переохлаждения, и таким образом уменьшает расстояние между пластинками перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) перлитной структуры. В дополнение к этому, Cr представляет собой элемент, который увеличивает прокаливаемость, подавляет образование мягкой структуры доэвтектоидного феррита, стабилизирует перлитное превращение и улучшает стойкость к усталостному повреждению. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Cr составляло 0,01% или больше, 0,02% или больше, или 0,10% или больше. С другой стороны, когда содержание Cr превышает 2,00%, прокаливаемость может значительно повыситься, структура твердого мартенсита может образоваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса может увеличиться, и стойкость к усталостному повреждению может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Cr, если он содержится, составляло 2,00% или меньше, 1,80% или меньше, или 1,50% или меньше.
[0041]
Mo: 0-0,50%
Аналогично Cr, Мо повышает температуру равновесного превращения и увеличивает степень переохлаждения, и таким образом уменьшает расстояние между пластинками перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) перлитной структуры. В частности, Mo является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Мо составляло 0,01% или больше, 0,02% или больше, или 0,10% или больше. С другой стороны, когда содержание Мо превышает 0,50%, скорость превращения значительно уменьшается, структура твердого мартенсита может образоваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса может увеличиться, и стойкость к усталостному повреждению может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Мо, если он содержится, составляло 0,50% или меньше, 0,40% или меньше, или 0,30% или меньше.
[0042]
Co: 0-1,00%
Co измельчает ламеллярную структуру в перлитной структуре, чтобы улучшить твердость (прочность) перлитной структуры. В частности, Сo является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того, чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Со составляло 0,01% или больше, 0,02% или больше, или 0,10% или больше. С другой стороны, когда содержание Co превышает 1,00%, вышеупомянутый эффект насыщается, и экономическая эффективность может ухудшиться благодаря увеличению затрат на добавление сплавов. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Со, если он содержится, составляло 1,00% или меньше, 0,80% или меньше, или 0,50% или меньше.
[0043]
B: 0-0,0050%
23
6
B является элементом, который формирует борокарбид железа (Fe(CB)) на границе аустенитного зерна и способствует перлитному превращению, и таким образом уменьшает зависимость температуры перлитного фазового превращения от скорости охлаждения. Когда зависимость температуры перлитного фазового превращения от скорости охлаждения уменьшается, распределение твердости в поперечном сечении части шейки рельса становится более однородным, и стойкость к усталостному повреждению улучшается. Для того, чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание В составляло 0,0001% или больше, 0,0005% или больше, или 0,0010% или больше. С другой стороны, когда содержание B превышает 0,0050%, может формироваться грубый борокарбид железа, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание В, если он содержится, составляло 0,0050% или меньше, 0,0040% или меньше, или 0,0030% или меньше.
[0044]
Cu: 0-1,00%
Cu твердорастворяется в феррите перлитной структуры для увеличения твердости (прочности) за счет упрочнения твердого раствора. В частности, Cu является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того, чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Cu составляло 0,01% или больше, 0,02% или больше, или 0,10% или больше. С другой стороны, когда содержание Cu превышает 1,00%, благодаря значительному улучшению прокаливаемости структура твердого мартенсита может образоваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса может увеличиться, и стойкость к усталостному повреждению может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Cu, если она включается, составляло 1,00% или меньше, 0,80% или меньше, или 0,50% или меньше.
[0045]
Ni: 0-1,00%
Ni улучшает ударную вязкость перлитной структуры, и в то же самое время улучшает твердость (прочность) за счет упрочнения твердого раствора. В частности, Ni является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Ni составляло 0,01% или больше, 0,02% или больше, или 0,10% или больше. С другой стороны, когда содержание Ni превышает 1,00%, благодаря значительному улучшению прокаливаемости структура твердого мартенсита может образоваться в части шейки рельса, разность в твердости в поперечном сечении части шейки рельса может увеличиться, и стойкость к усталостному повреждению может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Ni, если он содержится, составляло 1,00% или меньше, 0,80% или меньше, или 0,50% или меньше.
[0046]
V: 0-0,50%
V увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения карбидов и нитридов V, образующихся во время процесса охлаждения после горячей прокатки. В частности, V является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание V составляло 0,005% или больше, 0,010% или больше, или 0,050% или больше. С другой стороны, когда содержание V превышает 0,50%, дисперсионное твердение за счет карбидов или нитридов V может быть чрезмерным, перлитная структура может стать хрупкой, и стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание V, если он содержится, составляло 0,50% или меньше, 0,40% или меньше, или 0,30% или меньше.
[0047]
Nb: 0-0,050%
Аналогично V, Nb увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения карбидов и нитридов Nb, образующихся в процессе охлаждения после горячей прокатки. В частности, Nb является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Nb составляло 0,0010% или больше, 0,0050% или больше, или 0,010% или больше. С другой стороны, когда содержание Nb превышает 0,050%, дисперсионное твердение за счет карбидов или нитридов Nb может быть чрезмерным, перлитная структура может стать хрупкой, и стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса может ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Nb, если он содержится, составляло 0,050% или меньше, 0,040% или меньше, или 0,030% или меньше.
[0048]
Ti: 0-0,0500%
Ti выделяется как карбид Ti и нитрид Ti, образующиеся в процессе охлаждения после горячей прокатки, и увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения. В частности, Ti является элементом, который увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Ti составляло 0,0030% или больше, 0,0100% или больше, или 0,0150% или больше. С другой стороны, когда содержание Ti превышает 0,0500%, могут формироваться грубый карбид Ti и грубый нитрид Ti, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Ti, если он содержится, составляло 0,0500% или меньше, 0,0400% или меньше, или 0,0300% или меньше.
[0049]
Mg: 0-0,0200%
Mg является элементом, который связывается с серой, образуя тонкодисперсный сульфид (MgS). MgS мелко диспергирует MnS. В дополнение к этому, тонко диспергированный MnS служит ядром перлитного превращения, ускоряя его, подавляет формирование структуры доэвтектоидного феррита или доэвтектоидного цементита, формирующейся в части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Mg составляло 0,0005% или больше, 0,0010% или больше, или 0,0050% или больше. С другой стороны, когда содержание Mg превышает 0,0200%, может формироваться грубый оксид Mg, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Mg, если он содержится, составляло 0,0200% или меньше, 0,0150% или меньше, или 0,0100% или меньше.
[0050]
Ca: 0-0,0200%
Ca является элементом, который имеет прочную силу связи с серой и образует сульфид (CaS). CaS тонко диспергирует MnS. Тонко диспергированный MnS служит ядром перлитного превращения, ускоряя его, подавляет формирование структуры доэвтектоидного феррита или доэвтектоидного цементита, формирующейся в части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Са составляло 0,0005% или больше, 0,0010% или больше, или 0,0050% или больше. С другой стороны, когда содержание Ca превышает 0,0200%, может формироваться грубый оксид Ca, и усталостное повреждение может происходить благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Са, если он содержится, составляло 0,0200% или меньше, 0,0150% или меньше, или 0,0100% или меньше.
[0051]
REM: 0-0,0500%
2
2
2
2
2
2
REM является элементом для раскисления и десульфуризации и формирует оксисульфид REM (REMOS), служащий ядром для формирования включения на основе сульфида Mn, когда REM содержится. Кроме того, поскольку точка плавления оксисульфида (REMOS) является высокой, удлинение включений на основе сульфида Mn после горячей прокатки подавляется. В результате, когда REM содержится, MnS тонко диспергируется и служит ядром перлитного превращения, и перлитное превращение ускоряется. В результате формирование структуры доэвтектоидного феррита или доэвтектоидного цементита в части шейки рельса подавляется, разность в твердости в перлитной структуре уменьшается, и стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса улучшается. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание REM составляло 0,0005% или больше, 0,0010% или больше, или 0,0050% или больше. С другой стороны, когда содержание REM превышает 0,0500%, может формироваться грубый оксисульфид REM (REMOS), и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание REM, если он содержится, составляло 0,0500% или меньше, 0,0400% или меньше, или 0,0300% или меньше.
[0052]
Здесь REM представляет собой редкоземельный металл, такой как Ce, La, Pr или Nd. Вышеупомянутое содержание ограничивает полное содержание всех редкоземельных металлов. Когда сумма количеств всех элементов REM находится в вышеупомянутом диапазоне, те же самые эффекты могут быть получены, когда REM включаются в форме единственного элемента или в форме множества элементов.
[0053]
Zr: 0-0,0200%
2
2
2
Zr связывается с O и образует включения ZrO. Поскольку включения ZrO имеют превосходные характеристики согласования решетки с γ-Fe, включения ZrO служат зародышами высокоуглеродистой рельсовой стали, в которой γ-Fe является затвердевшей первичной фазой, и увеличивают долю равноосных кристаллов в структуре отверждения, и таким образом подавляют формирование зоны сегрегации в центральной части блюма или сляба, подавляют формирование структуры мартенсита или доэвтектоидного цементита в части шейки рельса, уменьшают разность в твердости в перлитной структуре, и улучшают стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Zr составляло 0,0001% или больше, 0,0010% или больше, или 0,0050% или больше. С другой стороны, когда содержание Zr превышает 0,0200%, может быть сформировано большое количество грубых включений на основе Zr, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса благодаря концентрации напряжений. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Zr, если он содержится, составляло 0,0200%, 0,0150% или 0,0100%.
[0054]
N: 0-0,0200%
N сегрегируется на границе аустенитного зерна, и таким образом способствует перлитному превращению от границы аустенитного зерна, подавляет формирование структуры доэвтектоидного феррита или доэвтектоидного цементита в части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. В дополнение к этому, когда N включается вместе с V, ускоряется выделение карбонитридов V в процессе охлаждения после горячей прокатки, твердость (прочность) перлитной структуры увеличивается, и стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса улучшается. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание N составляло 0,0060% или больше, 0,0080% или больше, или 0,0100% или больше. С другой стороны, когда содержание N превышает 0,0200%, может быть трудно твердорастворить N в стали. В этом случае могут образовываться пузырьки, служащие источником усталостного повреждения, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание N, если он содержится, составляло 0,0200% или меньше, 0,0180% или меньше, или 0,0150% или меньше.
[0055]
Al: 0-1,00%
Al является элементом, который функционирует как раскислитель. В дополнение к этому, Al является элементом, который сдвигает температуру эвтектоидного превращения в сторону повышения, и является элементом, который способствует увеличению твердости (прочности) перлитной структуры, увеличивает твердость мягкой перлитной структуры части шейки рельса, уменьшает разность в твердости в перлитной структуре и улучшает стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. Для того чтобы получить эти эффекты, предпочтительно, чтобы содержание Al составляло 0,0100% или больше, 0,0500% или больше, или 0,1000% или больше. С другой стороны, когда содержание Al превышает 1,00%, может быть трудно твердорастворить Al в стали. В этом случае могут образовываться грубые включения на основе глинозема, усталостные трещины могут инициироваться от этих грубых включений, и усталостное повреждение может происходить в части шейки рельса. Кроме того, в этом случае оксид может формироваться во время сварки рельса, и свариваемость может значительно ухудшиться. По этой причине предпочтительно, чтобы содержание Al, если он содержится, составляло 1,00% или меньше, 0,80% или меньше, или 0,60% или меньше.
[0056]
(2) Металлографическая структура
Далее будет подробно описана причина ограничения в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления 90% площади или более металлографической структуры в поперечном сечении части шейки перлитной структурой. В связи с этим, «металлографическая структура в поперечном сечении части шейки рельса» означает металлографическую структуру в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса в поперечном сечении части шейки.
[0057]
Сначала будет описана причина ограничения 90% площади или больше перлитной структурой.
Перлитная структура представляет собой структуру, выгодную для улучшения стойкости к усталостному повреждению, поскольку прочность (твердость) может быть легко получена, даже если количество легирующих элементов является малым. Кроме того, прочностью (твердостью) перлитной структуры можно легко управлять. Следовательно, для того чтобы улучшить стойкость к усталостному повреждению поперечного сечения части шейки рельса, количество перлитной структуры было ограничено предопределенным количеством или больше.
[0058]
В дополнение к этому, область, в которой металлографическая структура регулируется в поперечном сечении части шейки рельса, является частью, которая требует стойкости к усталостному повреждению в части шейки рельса. Фиг. 5 показывает участок части шейки, требующий перлитной структуры. По меньшей мере 90% площади или больше металлографической структуры в диапазоне±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса может быть перлитной структурой.
[0059]
Желательно, чтобы металлографическая структура в поперечном сечении части шейки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления была перлитной структурой, как было описано выше, но в зависимости от компонентной системы рельса или способа производства термической обработки структура проэвтектоидного феррита, структура проэвтектоидного цементита, структура бейнита или структура мартенсита могут быть смешаны в перлитной структуре в небольшом количестве, составляющем 10% или меньше по площади. Однако, даже когда эти структуры смешиваются, если количество смешивания является небольшим, эти структуры не влияют значительно на твердость части шейки рельса, и не оказывают значительного негативного влияния на стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса. По этой причине в качестве структуры части шейки рельса, имеющей превосходную стойкость к усталостному повреждению, можно смешивать структуру доэвтектоидного феррита, структуру проэвтектоидного цементита, структуру бейнита и структуру мартенсита в небольшом количестве, составляющем 10% площади или меньше. Другими словами, 90% площади или больше металлографической структуры в поперечном сечении части шейки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления могут быть перлитной структурой. Для того, чтобы в достаточной степени улучшить стойкость к усталостному повреждению, желательно, чтобы 92% площади или больше, 95% площади или больше, или 98% площади или больше металлографической структуры в поперечном сечении части шейки были перлитной структурой.
[0060]
Способ наблюдения и количественного определения структуры в поперечном сечении части шейки рельса является следующим.
[Способ наблюдения и количественного определения структуры в поперечном сечении части шейки рельса]
• Способ наблюдения
Устройство: оптический микроскоп
Сбор образцов для наблюдения: образец вырезался из поперечного сечения в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса (см. Фиг. 5).
Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазным абразивом со средним размером зерна 1 мкм, после чего выполнялось травление ниталем.
Увеличение наблюдения: 200
• Положение наблюдения
Положение: положение в 1,0 мм от наружной поверхности части шейки рельса и положение центра толщины части шейки
• Количественное определение структуры
Количество наблюдений: пять или более полей зрения в каждом из положения в 1,0 мм от наружной поверхности и положения центра толщины части шейки
Количественное определение: среднее значение долей площади (всего 10 или более полей зрения) перлита в положении 1,0 мм от наружной поверхности (пять или более полей зрения) и в положении центра толщины части шейки (пять или более полей зрения) определялось как доля перлита в металлографической структуре в поперечном сечении части шейки рельса.
[0061]
(3) Причина ограничения минимального значения твердости поперечного сечения части шейки
Далее будет описана причина ограничения в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления минимального значения твердости в поперечном сечении части шейки рельса диапазоном HV 300 или больше. В связи с этим, «минимальное значение твердости в поперечном сечении части шейки рельса» означает минимальное значение твердости в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса в поперечном сечении части шейки.
[0062]
Когда минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки составляет менее HV 300, при использовании на высоконагруженных железных дорогах усталостная трещина инициируется от части шейки, усталостная прочность не может быть обеспечена, и стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса ухудшается. По этой причине минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки ограничивается диапазоном HV 300 или больше. В связи с этим, чтобы устойчиво гарантировать стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса, желательно, чтобы минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки составляло HV 320 или больше, HV 340 или больше, или HV 360 или больше. Максимальное значение твердости поперечного сечения части шейки особенно не ограничивается, если удовлетворяется требование для разности в твердости, которое будет описано позже, но, чтобы предотвратить ухудшение ударной вязкости части шейки рельса, желательно, чтобы минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки составляло HV 450 или меньше, HV 420 или меньше, или HV 400 или меньше.
[0063]
(4) Причина ограничения разности между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса
Далее будет описана причина ограничения в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления разности между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса диапазоном HV 40 или меньше. В связи с этим, «разность между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса» означает разность между максимальным значением и минимальным значением твердости в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса в поперечном сечении части шейки.
[0064]
Когда разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки превышает HV 40, на высоконагруженных железных дорогах напряжение, прикладываемое к части шейки рельса, концентрируется в части, в которой твердость является значительно неоднородной, и инициируются трещины, так что стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса ухудшается. По этой причине разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки рельса ограничивается диапазоном HV 40 или меньше.
[0065]
Кроме того, чтобы еще больше улучшить стойкость к усталостному повреждению части шейки рельса, желательно, чтобы разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки рельса была ограничена диапазоном HV 30 или меньше, HV 20 или меньше, или HV 15 или меньше. В связи с этим, нет необходимости ограничивать значение нижнего предела разности между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки рельса, и значение нижнего предела может быть установлено равным HV 0, но разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки рельса обычно устанавливается равной HV 10 или больше.
[0066]
Твердость поперечного сечения части шейки рельса измеряется при следующих условиях.
[Способ измерения твердости поперечного сечения части шейки рельса, условия измерения и способ определения твердости]
Устройство и способ измерения
Устройство: твердомер Виккерса (нагрузка 98 Н)
Взятие тестового образца для измерения: образец вырезался из поперечного сечения части шейки рельса
Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазными абразивными частицами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: твердость измерялась в соответствии со стандартом JIS Z 2244: 2009
Положение измерения
Положение измерения находилось в поперечном сечении в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса (см. Фиг. 1).
Углубления непрерывно делались в направлении толщины части шейки в ряд с шагом 1,0 мм, при этом исходной точкой непрерывного вдавливания является положение на глубине 1,0 мм от внешней поверхности части шейки, и измерялась твердость. Измерение твердости выполнялось по меньшей мере на пяти линиях.
В связи с этим, для устранения взаимного влияния углублений между линиями измерения предусматривался интервал 1,0 мм или больше.
Способ определения твердости
Минимальное значение и максимальное значение измеренной твердости определялись как минимальное значение и максимальное значение твердости поперечного сечения шейки рельса.
[0067]
(5) Способ управления твердостью поперечного сечения части шейки рельса
Твердостью поперечного сечения части шейки рельса можно управлять путем регулирования, например, условий горячей прокатки и условий регулируемого охлаждения для части головки и части шейки после горячей прокатки.
[0068]
Если рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя описанные выше состав, металлографические структуры и твердость, эффекты могут быть получены независимо от способа производства. Однако, например, рельс может быть получен путем плавления рельсовой стали, имеющей вышеописанный состав, в обычно используемой плавильной печи, такой как конвертер или электрическая печь, разливки жидкой стали методом изготовления слитков и блюминга или методом непрерывной разливки, выполнения горячей прокатки полученного блюма или сляба, и выполнения регулируемого охлаждения поверхности части шейки рельса, чтобы управлять твердостью поперечного сечения части шейки рельса.
[0069]
Например, в способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления расплавленная сталь после регулировки состава отливается, чтобы получить блюм, и блюм нагревается до 1250-1300°C и подвергается горячей прокатке в форму рельса. Затем рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть получен путем выполнения либо контролируемого охлаждения поверхности части шейки рельса после горячей прокатки, либо контролируемого охлаждения поверхности части шейки рельса после горячей прокатки, естественного охлаждения, а затем повторного нагревания.
[0070]
В ряде процессов производственными условиями, такими как условия горячей прокатки, условия контролируемого охлаждения после горячей прокатки, условия повторного нагревания после горячей прокатки и условия контролируемого охлаждения после повторного нагревания, можно управлять для регулирования твердости поперечного сечения части шейки. В связи с этим, производственные температурные условия, которые будут описаны ниже, должны применяться ко всей поверхности части шейки рельса (наружной поверхности части шейки рельса). Даже когда эти производственные температурные условия применяются к поверхности части головки рельса, считается, что термическая предыстория и т.п. поверхности шейки рельса не контролируются надлежащим образом. Часть головки рельса и часть шейки рельса имеют различные толщины, и таким образом имеют, например, разную степень повторного нагревания и т.п. во время охлаждения. По этой причине поверхности части головки рельса и части шейки рельса неизбежно имеют различные термические предыстории.
[0071]
Подходящие условия горячей прокатки и условия повторного нагревания
Для того, чтобы гарантировать твердость поперечного сечения части шейки рельса, окончательная температура прокатки в части шейки устанавливается равной 750-1000°C (температура наружной поверхности части шейки рельса), так, чтобы можно было обеспечить минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки.
[0072]
В качестве способа горячей прокатки блюм или сляб подвергаются черновой прокатке с помощью способа, описанного, например, в Патентном документе 6 и т.п. После этого промежуточная прокатка выполняется за несколько проходов с использованием реверсивного стана, а затем чистовая прокатка выполняется за два или более проходов с использованием непрерывного стана, что является желательным способом.
[0073]
В дополнение к этому, когда рельс временно охлаждается после горячей прокатки, а затем подвергается повторному нагреванию, в качестве условий повторного нагревания, например, повторное нагревание выполняется таким образом, что температура повторного нагревания части шейки рельса находится в диапазоне 800-1100°C (температура наружной поверхности части шейки рельса), так, чтобы можно было обеспечить минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки.
[0074]
Подходящие условия контролируемого охлаждения после горячей прокатки и условия контролируемого охлаждения после повторного нагревания
Методика выполнения контролируемого охлаждения части шейки рельса особенно не ограничивается. Для того, чтобы придать стойкость к усталостному повреждению и управлять твердостью поперечного сечения, контролируемое охлаждение части шейки рельса выполняется во время термической обработки с использованием обдува воздухом, охлаждения туманом, охлаждения обдувом смесью воды/воздуха или их комбинации. В связи с этим, скоростью охлаждения и диапазоном температуры охлаждения при контролируемом охлаждении управляют на основе температуры наружной поверхности части шейки рельса, как было описано выше.
[0075]
Контролируемое охлаждение выполняется с целью увеличения однородности твердости поперечного сечения части шейки рельса. В части шейки присутствует зона сегрегации, и твердость может быть неоднородной. Следовательно, при контролируемом охлаждении, чтобы подавить повышение твердости зоны сегрегации, ускоренное охлаждение временно останавливается после ускоренного охлаждение первой стадии, температура сохраняется за счет использования повышения температуры, вызванного внутренним повторным нагреванием, и небольшого ускоренного охлаждения, и повышение твердости части сегрегации подавляется. В частности, небольшое ускоренное охлаждение (контролируемое охлаждение) выполняется путем распыления охлаждающей среды, так что повышение температуры наружной поверхности части шейки, вызванное повторным нагреванием, и снижение температуры наружной поверхности части шейки за счет распыления охлаждающей среды уравновешиваются, чтобы температура наружной поверхности части шейки оставалась по существу постоянной. После конца выдержки температуры выполняется ускоренное охлаждение второй стадии для того, чтобы гарантировать твердость. Подходящий диапазон условий охлаждения показан ниже. В связи с этим, средняя скорость ускоренного охлаждения представляет собой значение, получаемое путем усреднения скорости охлаждения во время распыления охлаждающей среды, а именно путем деления разности между начальной температурой распыления охлаждающей среды и конечной температурой распыления охлаждающей среды на время распыления охлаждающей среды.
[0076]
(1) Когда контролируемое охлаждение выполняется после горячей прокатки
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения первой стадии: 0,5-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 580-680°C
Выдержка температуры: 20-200 с в диапазоне 580-680°C (небольшое ускоренное охлаждение)
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения второй стадии: 2,0-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 500°C или меньше
[0077]
(2) Когда контролируемое охлаждение выполняется после повторного нагревания
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения первой стадии: 1,0-6,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 580-680°C
Выдержка температуры: 20-200 с в диапазоне 580-680°C (небольшое ускоренное охлаждение)
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения второй стадии: 2,0-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 500°C или меньше
[0078]
Контролируемое охлаждение части шейки выполнялось путем разбрызгивания охлаждающей среды, такой как воздух или охлаждающая вода, либо на поверхность части шейки рельса, либо на поверхность части головки, либо на обе поверхности. В дополнение к этому, выдержкой температуры можно управлять, повторяя небольшое ускоренное охлаждение в зависимости от величины повышения температуры за счет повторного нагревания.
В связи с этим, часть, которая подвергается контролируемому охлаждению, является частью шейки рельса, но когда выполняется охлаждение рельса в стоячем положении (головка находится сверху), охлаждающая среда может впрыскиваться на поверхность части головки рельса и стекать на поверхность части шейки рельса, охлаждая ее. Следовательно, как было описано выше, прямое охлаждение поверхности части шейки рельса не обязательно. Однако, само собой разумеется, что даже когда охлаждающая среда впрыскивается на поверхность части головки рельса, целью регулирования является температура наружной поверхности части шейки.
[0079]
Подходящие материалы и условия производства для части головки и части подошвы рельса
Материал части головки и части подошвы рельса особенно не ограничивается. Желательно иметь структуру, в которой даже при небольшом количестве легирующих элементов можно легко получить прочность (твердость) и обеспечить износостойкость или стойкость к усталостному повреждению.
Желательно, чтобы часть головки рельса имела перлитную структуру с твердостью HV 340 или больше, чтобы гарантировать износостойкость.
Желательно, чтобы часть подошвы рельса также имела металлографическую структуру, имеющую твердость HV 300 или больше, чтобы гарантировать стойкость к усталостному повреждению. Поскольку нет необходимости гарантировать износостойкость в части подошвы, часть подошвы не ограничивается перлитной структурой, и может включать в себя такую металлографическую структуру, как бейнит, имеющий превосходный баланс между прочностью и податливостью.
В дополнение к этому, чтобы гарантировать твердость, желательно выполнять термическую обработку части головки рельса после горячей прокатки или повторного нагревания. Твердость части головки рельса может быть обеспечена путем выполнения ускоренного охлаждения с использованием способов, описанных в Патентном документе 1, Патентном документе 7 и т.п. Для того, чтобы гарантировать твердость части подошвы рельса, достичь баланса между частью подошвы рельса и частью головки во время термической обработки и подавить изгиб, желательно выполнять то же самое ускоренное охлаждение, что и для части головки рельса.
[0080]
Рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть произведен путем комбинирования и использования способа управления твердостью части головки рельса и новых закономерностей, полученных авторами настоящего изобретения.
[Примеры]
[0081]
Далее будут описаны примеры настоящего изобретения.
Таблица 1 показывает химические составы (составы стали) рельсов в примерах настоящего изобретения. В Таблице 1 остаток химического состава представляет собой железо и примеси, и количество элемента, который не добавляется преднамеренно, указывается как «-».
Таблица 3 показывает долю перлита (% площади) в поперечном сечении части шейки, минимальное значение (HV) твердости поперечного сечения части шейки, а также разность (HV) между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки. Кроме того, Таблица 3 также показывает результаты усталостных испытаний, выполненных с использованием способа, показанного на Фиг. 2. Когда доля перлита в поперечном сечении части шейки описывается как 90%, доля площади перлитной структуры в поперечном сечении части шейки рельса составляет 90%, и одна, две или более из структуры доэвтектоидного феррита, структуры доэвтектоидного цементита, структуры бейнита и структуры мартенсита смешиваются в небольшом количестве, составляя в целом 10% доли площади.
[0082]
С другой стороны, Таблица 2 показывает химические составы рельсов в сравнительных примерах. В Таблице 2 остаток химического состава представляет собой железо и примеси, и количество элемента, который не добавляется преднамеренно, указывается как «-».
Таблица 4 показывает долю перлита (% площади) в поперечном сечении части шейки, минимальное значение (HV) твердости поперечного сечения части шейки, а также разность (HV) между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки. Кроме того, Таблица 4 также показывает результаты усталостных испытаний, выполненных с использованием способа, показанного на Фиг. 2. Когда доля перлита в поперечном сечении части шейки описывается как 86%, доля площади перлитной структуры в поперечном сечении части шейки рельса составляет 86%, и одна, две или более из структуры доэвтектоидного феррита, структуры доэвтектоидного цементита, структуры бейнита и структуры мартенсита смешиваются в небольшом количестве, составляя в целом 14% доли площади.
[0083]
В связи с этим, ниже описываются схема процессов производства и производственных условий для рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, показанных в Таблицах 1-4.
[0084]
[Процесс производства рельсов по настоящему изобретению]
Основные условия (прямое контролируемое охлаждение выполняется без охлаждения и повторного нагревания после горячей прокатки)
Расплавленная сталь -> регулирование состава -> разливка (блюм) -> повторное нагревание (1250-1300°C) -> горячая прокатка -> контролируемое охлаждение
Условия повторного нагревания
Расплавленная сталь -> регулирование состава -> разливка -> повторное нагревание -> горячая прокатка -> естественное охлаждение -> повторное нагревание (рельса) -> контролируемое охлаждение
[0085]
В дополнение к этому, схема производственных условий для рельсов настоящего изобретения, перечисленных в Таблицах 1 и 3, показана ниже. Что касается производственных условий для сравнительных рельсов, показанных в Таблицах 2 и 4, Сравнительные примеры D - K были произведены при основных условиях (контролируемое охлаждение после горячей прокатки) для рельсов настоящего изобретения, а Сравнительные примеры А - C были произведены при условиях, в которых одно условие отклонялось от производственных условий для рельсов настоящего изобретения.
[0086]
[Производственные условия для рельсов по настоящему изобретению]
Основные условия (контролируемое охлаждение после горячей прокатки)
Условия горячей прокатки
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Температура окончательной прокатки: 750-1000°C
Условия контролируемого охлаждения
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения первой стадии: 0,5-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 580-680°C
Выдержка температуры: 20-200 с в диапазоне 580-680°C (небольшое ускоренное охлаждение)
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения второй стадии: 2,0-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 500°C или меньше
Условия повторного нагревания (контролируемое охлаждение после повторного нагревания)
Условия нагревания
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Температура нагрева 800-1100°C
Условия контролируемого охлаждения
Контролируемая часть: наружная поверхность части шейки рельса
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения первой стадии: 1,0-6,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 580-680°C
Выдержка при температуре: 20-200 с в диапазоне 580-680°C
(небольшое ускоренное охлаждение)
Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения второй стадии: 2,0-5,0°C/с
Диапазон температур остановки охлаждения: 500°C или меньше
[0087]
В связи с этим, детали рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, перечисленных в Таблицах 1-4, показаны ниже.
[0088]
(1) Рельсы по настоящему изобретению (37 образцов)
Примеры настоящего изобретения 1-37 представляли собой рельсы, в которых значения химического состава, доля перлита в поперечном сечении части шейки, минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки и разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки находились в диапазонах, описанных в настоящем изобретении.
Примеры настоящего изобретения 1-18 и 23-37 представляли собой рельсы, произведенные при основных условиях (прямое контролируемое охлаждение выполнялось после горячей прокатки), а Примеры настоящего изобретения 19-22 представляли собой рельсы, произведенные при условиях повторного нагревания.
[0089]
(2) Сравнительные рельсы (11 образцов)
Сравнительные примеры А - C (3 образца) представляли собой рельсы, в которых одно из доли перлита в поперечном сечении части шейки, минимального значения твердости поперечного сечения части шейки и разности между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки находилось вне диапазонов, описанных в настоящем изобретении.
Что касается условий производства рельса в Сравнительном примере A, средняя скорость охлаждения при ускоренном охлаждении первой стадии составляла 0,2°C/с, а другие условия были такими же, как и для рельсов по настоящему изобретению. Что касается условий производства рельса в Сравнительном примере B, окончательная температура горячей прокатки составляла 700°C, а другие условия были такими же, как и для рельсов по настоящему изобретению. Что касается условий производства рельса в Сравнительном примере C, время выдержки температуры составляло 10 с, а другие условия были такими же, как и для рельсов по настоящему изобретению. В дополнение к этому, все рельсы в Сравнительных примерах А - C подвергались прямому контролируемому охлаждению после горячей прокатки.
Сравнительные примеры D - K (8 образцов) представляли собой рельсы, в которых содержание одного элемента из C, Si, Mn, P и S находилось вне диапазонов, описанных в настоящем изобретении. Все рельсы в Сравнительных примерах D - K подвергались прямому контролируемому охлаждению после горячей прокатки.
[0090]
Способ наблюдения структуры в поперечном сечении части шейки рельса описывается ниже.
[Способ наблюдения структуры в поперечном сечении части шейки рельса]
Способ наблюдения
Устройство: оптический микроскоп
Сбор образцов для наблюдения: образец вырезался из поперечного сечения в диапазоне±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса (см. Фиг. 5).
Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазным абразивом со средним размером зерна 1 мкм, после чего выполнялось травление ниталем.
Увеличение наблюдения: 200
Положение наблюдения
Положение: положение в 1,0 мм от наружной поверхности части шейки рельса и положение центра толщины части шейки
Количественное определение структуры
Количество наблюдений: пять или более полей зрения в каждом из положения 1,0 мм от наружной поверхности части шейки рельса и положения центра толщины части шейки
Количественное определение: среднее значение долей площади (всего 10 или более полей зрения) перлита в положении 1,0 мм от наружной поверхности части шейки рельса (четыре или более полей зрения) и в положении центра толщины части шейки (пять или более полей зрения) определялось как доля перлита в металлографической структуре в поперечном сечении части шейки рельса.
[0091]
Способ измерения твердости в поперечном сечении части шейки рельса и условия измерения описаны ниже.
[Способ измерения твердости поперечного сечения части шейки рельса, условия измерения и способ определения твердости]
Устройство и способ измерения
Устройство: твердомер Виккерса (нагрузка 98 Н)
Взятие тестового образца для измерения: образец вырезался из поперечного сечения части шейки рельса
Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазными абразивными частицами, имеющими средний размер зерна 1 мкм
Способ измерения: твердость измерялась в соответствии со стандартом JIS Z 2244: 2009
Положение измерения
Положение измерения находилось в поперечном сечении в диапазоне ±15 мм в направлении вверх-вниз от средней линии между нижней частью рельса и верхней частью рельса (см. Фиг. 1).
Углубления непрерывно делались в направлении толщины части шейки в ряд с шагом 1,0 мм, при этом исходной точкой непрерывного вдавливания является положение на глубине 1,0 мм от внешней поверхности части шейки, и измерялась твердость. Измерение твердости выполнялось по меньшей мере на пяти линиях.
В связи с этим, для устранения взаимного влияния углублений между линиями измерения предусматривался интервал 1,0 мм или больше.
Способ определения твердости
Минимальное значение и максимальное значение измеренной твердости определялись как минимальное значение и максимальное значение твердости поперечного сечения шейки рельса.
[0092]
В дополнение к этому, условия усталостных испытаний рельса описаны ниже.
[Усталостные испытания рельса (см. Фиг. 2)]
Метод испытаний: изгиб фактического рельса в трех точках (охватываемая длина: 650 мм)
Режим нагрузки: колебания в диапазоне 2-20 т.
Частота колебаний приложенной нагрузки: 5 Гц
Положение теста: к части головки рельса прикладывалась эксцентрическая нагрузка. Положение приложения нагрузки было установлено в положение, смещенное на одну треть ширины части головки рельса от центра части головки рельса в направлении ширины рельса (см. Фиг. 2) (напряжение растяжения прикладывалось к части шейки рельса для того, чтобы воспроизвести криволинейный путь).
Измерение напряжения: напряжение измерялось тензометром, присоединенным к части шейки рельса
Количество повторений колебаний нагрузки: максимум до 3 миллионов повторений (без инициирования трещины) или до инициирования трещины.
Определение трещины: тест периодически останавливался, и на поверхности части шейки рельса проводился контроль магнитных частиц для подтверждения наличия или отсутствия трещины на поверхности части шейки рельса
Определение прохождения: рельс, в котором количество повторений колебания нагрузки до возникновения трещины составляло 2 миллиона или больше, или трещина не образовывалась до конца испытания (количество повторений колебания нагрузки составило 3 миллиона), определялся как рельс, имеющий превосходное сопротивление усталостному разрушению
[0093]
Результаты испытаний оценивались следующим образом.
Приемлемый материал
Оценка S: никаких трещин не появилось вплоть до 3 миллионов повторений в конце теста.
Оценка A: количество повторений на момент появления трещины составило 2,5 миллиона или больше и меньше чем 3 миллиона.
Оценка В: количество повторений на момент появления трещины составило 2,3 миллиона или больше и меньше чем 2,5 миллиона.
Оценка С: количество повторений на момент появления трещины составило 2 миллиона или больше и меньше чем 2,3 миллиона.
Неприемлемый материал
Оценка X: количество повторений на момент появления трещины составило менее 2 миллионов.
Результаты оценки примеров настоящего изобретения показаны в Таблице 3, а результаты оценки сравнительных примеров показаны в Таблице 4.
[0094]
[Таблица 1]
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Co
B
Cu
Ni
V
Nb
Ti
Mg
Ca
REM
Zr
N
Al
1
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
Пример по изобретению
0,80
0,40
1,20
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3
Пример по изобретению
1,00
0,60
0,85
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4
Пример по изобретению
1,10
1,00
0,45
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
5
Пример по изобретению
1,20
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
6
Пример по изобретению
0,75
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
7
Пример по изобретению
0,90
2,00
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
8
Пример по изобретению
0,90
0,10
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
9
Пример по изобретению
0,90
0,50
2,00
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
10
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,10
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
11
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,025
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
12
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,025
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
13
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
14
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
15
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
16
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
17
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
18
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
19
Пример по изобретению
1,00
0,60
0,85
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
20
Пример по изобретению
1,00
0,60
0,85
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
21
Пример по изобретению
1,00
0,60
0,85
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
22
Пример по изобретению
1,00
0,60
0,85
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
23
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
2,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
24
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
0,50
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
25
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
1,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
26
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
0,0050
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
27
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
1,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
28
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
1,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
29
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
0,500
-
-
-
-
-
-
-
-
30
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
0,050
-
-
-
-
-
-
-
31
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
0,050
-
-
-
-
-
-
32
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,020
-
-
-
-
-
33
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,020
-
-
-
-
34
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,050
-
-
-
35
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,020
-
-
36
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,020
-
37
Пример по изобретению
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1,000
[0095]
[Таблица 2]
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Co
B
Cu
Ni
V
Nb
Ti
Mg
Ca
REM
Zr
N
Al
A
Сравнительный пример
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
B
Сравнительный пример
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
C
Сравнительный пример
0,90
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
D
Сравнительный пример
<u>1,24</u>
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
E
Сравнительный пример
<u>0,71</u>
0,50
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
F
Сравнительный пример
0,90
<u>2,04</u>
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
G
Сравнительный пример
0,90
<u>0,06</u>
0,70
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
H
Сравнительный пример
0,90
0,50
<u>2,04</u>
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
I
Сравнительный пример
0,90
0,50
<u>0,06</u>
0,015
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
J
Сравнительный пример
0,90
0,50
0,70
<u>0,030</u>
0,012
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
K
Сравнительный пример
0,90
0,50
0,70
0,015
<u>0,029</u>
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[0096]
[Таблица 3]
Доля перлита в поперечном сечении части шейки (%)
Минимальное значение твердости в поперечном сечении части шейки (HV)
Разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки (HV)
Оценка свойства усталостного повреждения
1
96
350
32
B
2
96
320
32
B
3
95
370
33
B
4
95
380
34
B
5
93
430
36
C
6
92
340
36
C
7
92
410
37
C
8
92
340
38
C
9
91
440
39
C
10
92
340
37
C
11
96
345
39
C
12
96
345
37
C
13
90
345
36
C
14
96
300
32
C
15
96
355
40
C
16
96
345
20
S
17
96
340
15
S
18
96
340
10
S
19
95
370
33
B
20
95
365
18
S
21
95
360
13
S
22
95
360
10
S
23
96
440
19
S
24
96
420
25
A
25
96
360
28
A
26
96
340
15
S
27
96
410
27
A
28
96
395
24
A
29
96
375
27
A
30
96
380
25
A
31
96
400
26
A
32
97
350
13
S
33
99
355
16
S
34
96
345
28
A
35
98
360
17
S
36
98
360
16
S
37
98
380
23
A
[0097]
[Таблица 4]
Доля перлита в поперечном сечении части шейки (%)
Минимальное значение твердости в поперечном сечении части шейки (HV)
Разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки (HV)
Оценка свойства усталостного повреждения
A
<u>86</u>
<u>280</u>
<u>50</u>
X
B
96
<u>295</u>
31
X
C
96
345
<u>45</u>
X
D
<u>80</u>
350
<u>50</u>
X
E
<u>85</u>
<u>270</u>
<u>48</u>
X
F
<u>75</u>
480
<u>70</u>
X
G
<u>85</u>
320
<u>55</u>
X
H
<u>78</u>
460
<u>85</u>
X
I
<u>85</u>
<u>285</u>
<u>50</u>
X
J
96
370
<u>48</u>
X
K
96
345
<u>45</u>
X
[0098]
Как показано в Таблицах 1-4, рельсы по настоящему изобретению (Примеры по изобретению 1-37) были оценены как рельсы, в которых подавлено появление усталостного повреждения в части шейки, и которые имеют превосходную стойкость к усталостному разрушению.
В частности, в рельсах по настоящему изобретению (Примеры по изобретению 1-12) содержание C, Si, Mn, P и S в стали было более благоприятным в ограниченных диапазонах, а доля перлита в поперечном сечении части шейки, минимальное значение твердости поперечного сечения части шейки и разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки дополнительно контролировались по сравнению со сравнительными рельсами (Сравнительные примеры D - K), так что усталостная прочность части шейки рельса была улучшена, и стойкость рельса к усталостному повреждению была улучшена.
Кроме того, в рельсах по настоящему изобретению (Примеры по изобретению 13-22) по сравнению со сравнительными рельсами (Сравнительные примеры А - C) условиями горячей прокатки и условиями термической обработки части шейки рельса управляли более подходящим образом для управления долей перлита в поперечном сечении части шейки, минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки и разностью между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки, так что усталостная прочность части шейки рельса была улучшена, и стойкость рельса к усталостному повреждению была улучшена.
В дополнение к этому, в рельсах по настоящему изобретению (Примеры по изобретению 16-18 и 20-22) условиями контролируемого охлаждения для части шейки рельса дополнительно управляли подходящим образом так, чтобы дополнительно уменьшить разность между максимальным значением и минимальным значением твердости поперечного сечения части шейки. В результате усталостная прочность части шейки рельса была улучшена, и стойкость рельса к усталостному повреждению была дополнительно улучшена.
[0099]
С другой стороны, в рельсах в Сравнительных примерах А - K одно или более из химического состава, металлографической структуры в поперечном сечении части шейки рельса, минимального значения твердости в поперечном сечении части шейки рельса и разности между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса были неподходящими, и стойкость к усталостному повреждению была ухудшена.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0100]
В соответствии с настоящим изобретением может быть обеспечен рельс, в котором регулируются состав рельсовой стали и металлографическая структура части шейки рельса, а также минимальное значение твердости части шейки рельса и разность между максимальным значением и минимальным значением твердости в поперечном сечении части шейки рельса подавляются, так что концентрация напряжений в поперечном сечении части шейки рельса подавляется, и стойкость к усталостному повреждению, требуемая для части шейки рельса, используемого в криволинейных путях грузовых железных дорог, является превосходной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
[0101]
1: Часть шейки рельса
2: Часть головки рельса
3: Часть подошвы рельса.