СТАЛЬНОЙ РЕЛЬС И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
STEEL RAIL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к стальному рельсу, который представляет собой стальной рельс, применяемый для железнодорожной перевозки грузов в целях одновременного повышения износостойкости и ударной вязкости головной части.
Испрашивается приоритет Японской Патентной Заявки № 2010-130164, поданной 07 июня 2010 года, содержание которой включено настоящей ссылкой.
Уровень техники
[0002] При экономическом развитии территорий с неблагоприятными природными условиями эксплуатации, которые до сих пор не разрабатывались, расширяется добыча таких природных ресурсов, как уголь. Поэтому условия окружающей среды для рельсового пути, предназначенного для железнодорожной перевозки полезных ископаемых, становятся значительно более суровыми, и тем самым существует потребность в том, чтобы износостойкость и ударная вязкость рельса в областях с холодным климатом и тому подобных были по меньшей мере столь же высокими, как достигнутые к настоящему времени. На этом основании существует потребность в разработке рельса, имеющего износостойкость и высокую ударную вязкость, по меньшей мере настолько же высокие, как высокопрочный рельс, применяемый в настоящее время.
[0003] Для повышения износостойкости рельсовой стали были разработаны рельсы, как описанные ниже. Основными характеристиками таких рельсов является то, что для повышения износостойкости было увеличено содержание углерода, было повышено объемное содержание цементитной фазы в перлитных ламелях, и, более того, контролировалась твердость (например, со ссылкой на Патентные Документы 1 и 2).
[0004] В способе, раскрытом в Патентном Документе 1, с использованием заэвтектоидной стали (с содержанием С выше, чем от 0,85% до 1,20%) повышают объемную долю цементита в ламелях в перлитной структуре, создавая тем самым рельс, имеющий превосходную износостойкость.
[0005] В дополнение, в способе, представленном в Патентном Документе 2, при использовании заэвтектоидной стали (с содержанием С выше, чем от 0,85% до 1,20%) повышают объемную долю цементита в ламелях в перлитной структуре, и одновременно контролируют твердость, тем самым создавая рельс, имеющий превосходную износостойкость.
[0006] В способах, раскрытых в Патентных Документах 1 и 2, объемную долю цементитной фазы в перлитной структуре увеличивают повышением содержания углерода в стали, и тем самым достигается возрастание износостойкости до определенного уровня. Однако в таких случаях ударная вязкость самой перлитной структуры значительно ухудшается, и тем самым возникает проблема того, что может произойти разрушение рельса.
[0007] На этом основании было желательным создание стального рельса, имеющего превосходную износостойкость и ударную вязкость, полученные повышением износостойкости перлитной структуры и одновременным увеличением ударной вязкости.
[0008] В общем, для повышения ударной вязкости перлитной стали отмечено, что является эффективным измельчение (повышение мелкозернистости) перлитной структуры, более конкретно, измельчение зерен аустенитной структуры перед перлитным превращением, или уменьшение величины перлитного блока. Для достижения мелкозернистой аустенитной структуры производят снижение температуры прокатки и увеличение степени обжатия во время горячей прокатки, и, кроме того, термическую обработку низкотемпературным повторным нагревом после прокатки рельса. В дополнение, для достижения мелкозернистой перлитной структуры выполняют ускорение перлитного превращения изнутри аустенитных зерен с использованием зародышей преобразования, или тому подобных.
[0009] Однако, при изготовлении рельсов, с позиции обеспечения формуемости во время горячей прокатки, существуют ограничения на снижение температуры прокатки и повышение степени обжатия при прокатке, и тем самым становится затруднительным достижение измельчения аустенитных зерен. В дополнение, в отношении перлитного превращения изнутри аустенитных зерен с использованием зародышей преобразования, существуют проблемы того, что контроль количества зародышей преобразования является затруднительным, перлитное превращение изнутри зерен не стабилизировано, и тому подобные, что препятствует достижению достаточно мелкозернистой перлитной структуры.
[0010] С учетом этих проблем, чтобы коренным образом улучшить ударную вязкость рельса, имеющего перлитную структуру, был использован способ, в котором выполняют низкотемпературный повторный нагрев после прокатки рельса, и после этого инициируют перлитное превращение путем ускоренного охлаждения, в результате чего обеспечивают измельчение перлитной структуры. Однако в последние годы имело место постепенное повышение содержания углерода в рельсах, чтобы улучшить износостойкость. В этом случае возникает такая проблема, что во время термической обработки низкотемпературным повторным нагревом в аустенитных зернах остаются растворенные крупнозернистые карбиды, и тем самым после ускоренного охлаждения ухудшается пластичность или ударная вязкость перлитной структуры. В дополнение, поскольку выполняется повторный нагрев, существуют проблемы экономического характера, такие как высокая стоимость изготовления и низкая производительность.
[0011] В этой ситуации существует потребность в разработке способа изготовления рельса из высокоуглеродистой стали путем обеспечения формуемости во время горячей прокатки и измельчения перлитной структуры после горячей прокатки. Для разрешения этих проблем были разработаны способы изготовления рельса из высокоуглеродистой стали, как описанные ниже. Основные характеристики таких рельсов состоят в том, что для повышения мелкозернистости перлитной структуры используют способность аустенитных зерен высокоуглеродистой стали к более легкой рекристаллизации при относительно низкой температуре и при малой степени обжатия при прокатке. Соответственно этому, высокоупорядоченные мелкие зерна получаются путем непрерывной прокатки с малой степенью обжатия при прокатке, тем самым повышая пластичность или ударную вязкость перлитной стали (например, со ссылкой на Патентные Документы 3, 4 и 5).
[0012] В способе, раскрытом в Патентном Документе 3, при окончательной прокатке стального рельса, содержащего высокоуглеродистую сталь, выполняют три или более непрерывных прохода горячей прокатки с предварительно заданным интервалом времени между проходами прокатки, тем самым формируя рельс с высокой пластичностью и высокой ударной вязкостью.
[0013] В дополнение, в способе, представленном в Патентном Документе 4, при окончательной прокатке стального рельса, имеющего высокоуглеродистую сталь, выполняют два или более непрерывных прохода прокатки с предварительно заданным интервалом времени между проходами горячей прокатки, и, кроме того, после проведения непрерывной прокатки, выполняют ускоренное охлаждение после горячей прокатки, тем самым получая рельс с высокой износостойкостью и высокой ударной вязкостью.
[0014] Кроме того, в способе, раскрытом в Патентном Документе 5, при окончательной прокатке стального рельса, состоящим из высокоуглеродистой стали, охлаждение выполняют между проходами горячей прокатки, и после проведения непрерывной прокатки выполняют ускоренное охлаждение после горячей прокатки, тем самым получая рельс с высокой износостойкостью и высокой ударной вязкостью.
[0015] В способах, представленных в Патентных Документах 3-5, измельчения аустенитной структуры до определенного уровня достигают температурой во время непрерывной горячей прокатки и комбинацией числа проходов прокатки и времени между проходами, и тем самым констатируют небольшое повышение ударной вязкости. Однако не исследуются эффекты в отношении трещин, которые возникают от включений, присутствующих в стали, как инициатора образования трещин, или которые образуются от перлитной структуры как, как инициатора образования трещин, отличного от включений, и ударная вязкость существенным образом не повышается.
Список цитированной литературы
Патентная Литература
[0016] [Патентный Документ 1] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н8-144016
[Патентный Документ 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н8-246100
[Патентный Документ 3] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № Н7-173530
[Патентный Документ 4] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № 2001-234238
[Патентный Документ 5] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № 2002-226915
Сущность изобретения
Техническая проблема
[0017] Настоящее изобретение было выполнено с принятием во внимание вышеуказанных обстоятельств, и его цель состоит в создании стального рельса, имеющего головную часть с одновременно повышенными износостойкостью и ударной вязкостью, необходимыми для рельса, предназначенного для железнодорожной перевозки грузов в суровых условиях окружающей рельсовый путь среды.
Разрешение проблемы
[0018] Для достижения цели в разрешении проблемы, в настоящем изобретении использованы следующие подходы.
(1) То есть, согласно одному аспекту настоящего изобретения, представлен стальной рельс, включающий: в % по массе, более чем 0,85% до 1,20% С; от 0,05% до 2,00% Si; от 0,05% до 0,50% Mn; от 0,05% до 0,60% Cr; Р≤0,0150%; и остальное количество, составленное Fe и неизбежными загрязняющими примесями, в котором 97% или более поверхностной части головки, которая находится в области от поверхности угловой части головки и верхней части головки как исходной точки до глубины 10 мм, имеет перлитную структуру, твердость по Виккерсу HV перлитной структуры составляет от 320 до 500, и значение CMn/FMn, которое представляет собой величину, полученную делением CMn [ат.%, атомных процентов], то есть концентрации Mn в цементитной фазе в перлитной структуре, на FMn [ат.%, атомных процентов], то есть, концентрацию Mn в ферритной фазе, является равным или большим 1,0, и равным или меньшим 5,0.
Здесь HV представляет твердость по Виккерсу, согласно Японскому промышленному стандарту JIS Z2244. В дополнение, «ат.%» представляет процентную долю атомов элемента в составе.
[0019] (2) В аспекте, описанном в пункте (1), дополнительно включены элементы одного вида или двух или более видов, выбранные из группы: в % по массе, от 0,01% до 0,50% Mo; от 0,005% до 0,50% V; от 0,001% до 0,050% Nb; от 0,01% до 1,00% Co; от 0,0001% до 0,0050% B; от 0,01% до 1,00% Cu; от 0,01% до 1,00% Ni; от 0,0050% до 0,0500% Ti; от 0,0005% до 0,0200% Mg; от 0,0005% до 0,0200% Ca; от 0,0001% до 0,0100% Zr; от 0,0040% до 1,00% Al; и от 0,0060% до 0,0200% N.
[0020] (3) Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, представлен способ изготовления стального рельса, который представляет собой способ изготовления стального рельса, описанного в пунктах (1) или (2). В способе может быть использован порядок действий, включающий этапы, в которых: выполняют первое ускоренное охлаждение на головной части стального рельса при температуре, равной или более высокой, чем точка Ar1, непосредственно после горячей прокатки, или головной части стального рельса, повторно нагретой до температуры, равной или более высокой, чем точка Ас1+30°С, в целях термической обработки, со скоростью охлаждения от 4 до 15°С/с от температурного диапазона, равного или большего 750°С; прекращают первое ускоренное охлаждение в момент времени, когда температура головной части стального рельса достигает величины от 600°С до 450°С; регулируют величину максимального повышения температуры, включающего теплоту превращения и рекуперированное тепло, на уровне, равном или меньшем 50°С от температуры при прекращении ускоренного охлаждения; после этого выполняют второе ускоренное охлаждение со скоростью охлаждения от 0,5 до 2,0°С/с; и прекращают второе ускоренное охлаждение в момент времени, когда температура головной части стального рельса достигает 400°С или менее.
Преимущественные результаты изобретения
[0021] Согласно аспектам, описанным в пунктах (1)-(3), регулированием структуры, твердости и, кроме того, значением CMn/FMn для головной части стального рельса с высокоуглеродистой перлитной структурой, в пределах предварительно заданных диапазонов, можно одновременно повысить износостойкость и ударную вязкость рельса для железнодорожной перевозки тяжелых грузов.
Краткое описание чертежей
[0022] ФИГ. 1 представляет график, показывающий взаимосвязь между добавкой Mn и ударной вязкостью перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%.
ФИГ. 2 представляет график, показывающий взаимосвязь между значением CMn/FMn и ударной вязкостью перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%.
ФИГ. 3(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения (скорость охлаждения первого ускоренного охлаждения) после горячей прокатки или после повторного нагрева перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и значением CMn/FMn. ФИГ. 3(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и ударной вязкостью.
ФИГ. 4(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между величиной максимального повышения температуры после ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и значением CMn/FMn. ФИГ. 4(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между величиной максимального повышения температуры после ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и ударной вязкостью.
ФИГ. 5(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения (скорость охлаждения второго ускоренного охлаждения) после повышения температуры перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и значением CMn/FMn. ФИГ. 5(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после повышения температуры перлитной стали, имеющей содержание углерода 1,00%, и ударной вязкостью.
ФИГ. 6 представляет пояснительное изображение головной части стального рельса, полученного способом изготовления стального рельса согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 7 представляет диаграмму, показывающую головную часть стального рельса, и представляет собой пояснительное изображение, показывающее положение отбора образцов для испытаний износа, показанных в Таблицах от 1-1 до 3-2.
ФИГ. 8 представляет вид сбоку, показывающий обобщение испытаний на износ, показанных в Таблицах от 1-1 до 3-2.
ФИГ. 9 представляет диаграмму, показывающую головную часть стального рельса, и представляет собой пояснительное изображение, показывающее положение отбора образцов для испытаний на удар, показанных в Таблицах от 1-1 до 3-2.
ФИГ. 10 представляет график, показывающий взаимосвязь между содержанием углерода и величиной износа стальных рельсов (с кодовыми номерами А1-А47) согласно настоящему изобретению и сравнительных стальных рельсов (с кодовыми номерами а1, а3, а4, а5, а7, а8 и а12), показанных в Таблицах от 1-1 до 2.
ФИГ. 11 представляет график, показывающий взаимосвязь между содержанием углерода и ударной вязкостью стальных рельсов (с кодовыми номерами А1-А47) согласно настоящему изобретению и сравнительных стальных рельсов (с кодовыми номерами а2, а4, а6, и а9-а12), показанных в Таблицах от 1-1 до 2.
ФИГ. 12 представляет график, показывающий взаимосвязь между содержанием углерода и величиной износа рельсовых сталей (с кодовыми номерами В1-В25), полученных способом изготовления стального рельса согласно варианту исполнения, и рельсовых сталей (с кодовыми номерами b1, b3, b5-b8, b12 и b13), полученных сравнительным способом изготовления, показанных в Таблицах 3-1 и 3-2.
ФИГ. 13 представляет график, показывающий взаимосвязь между содержанием углерода и ударной вязкостью рельсовых сталей (с кодовыми номерами В1-В25), полученных способом изготовления стального рельса согласно варианту исполнения, и рельсовых сталей (с кодовыми номерами b2-b6 и b9-b12), полученных сравнительным способом изготовления, показанных в Таблицах 3-1 и 3-2.
Описание вариантов исполнения
[0023] Далее будет подробно описан стальной рельс, имеющий превосходные износостойкость и ударную вязкость, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Здесь настоящее изобретение не ограничивается нижеследующим описанием, и квалифицированным специалистам в этой области технологии будет без труда понятно, что формы и подробности его могут быть модифицированы в разнообразные формы без выхода за пределы смысла и области настоящего изобретения. Поэтому настоящее изобретение не трактуется как ограниченное содержанием описанных впоследствии вариантов осуществления. Далее обозначения «% по массе», представляющие состав, представлено просто как %.
[0024] Прежде всего, авторы настоящего изобретения исследовали систему компонентов стали, которые оказывали неблагоприятное влияние на ударную вязкость рельса. С использованием сталей, в которых в качестве основы присутствовала сталь, имеющая содержание углерода 1,00% С, и изменялось содержание Р, были проведены эксперименты с горячей прокаткой и термической обработкой в условиях, моделирующих горячую прокатку соответствующего рельса. В дополнение, проведением испытания на удар исследовали влияние содержания Р на значение ударной вязкости.
[0025] В результате было подтверждено, что, когда содержание Р в рельсовой стали, имеющей перлитную структуру с твердостью HV от 320 до 500, снижено до 0,0150% или менее, значение ударной вязкости повышается.
[0026] Затем авторы настоящего изобретения выяснили факторы, от которых зависят значения ударной вязкости, чтобы дополнительно повысить значение ударной вязкости рельса, то есть для увеличения ударной вязкости. Чтобы исследовать причину растрескивания рельсовой стали, имеющей перлитную структуру, в которой слоистая структура составлена ферритной фазой и цементитной фазой, были подробно обследованы образцы, подвергнутые испытанию на удар по Шарпи. В результате, во многих случаях, не было подтверждено, что включения и тому подобные являются исходными точками возникновения трещины, и ее происхождение было обусловлено перлитной структурой.
[0027] Кроме того, авторы настоящего изобретения подробно изучили перлитную структуру, которая становится источником трещины. В результате было подтверждено, что растрескивание происходит в цементитной фазе в перлитной структуре как в исходной точке образования трещины.
[0028] Здесь авторы настоящего изобретения исследовали взаимосвязь между возникновением растрескивания цементитной фазы и компонентами. Стали, имеющие перлитную структуру, которая содержит в качестве основы сталь, которая имеет содержание Р, равное или меньшее 0,0150%, и содержание углерода 1,00%, и в которой изменяется содержание добавленного Mn, были расплавлены для испытания, и были проведены эксперименты с испытательной прокаткой в условиях, моделирующих горячую прокатку соответственно производству рельсов, и термической обработкой. В дополнение, выполнением испытания на удар исследовали влияние добавки Mn на значение ударной вязкости.
[0029] ФИГ. 1 представляет график, показывающий взаимосвязь между добавлением Mn и значением ударной вязкости. Было подтверждено, что, когда добавку Mn сокращали, значение ударной вязкости повышалось, и когда добавка Mn была равной или меньшей 0,50%, значение ударной вязкости значительно возрастало. Более того, в результате обследования перлитной структуры в исходной точке было подтверждено, что, когда добавка Mn является равной или меньшей 0,50%, число трещин в цементитной фазе сокращалось.
[0030] Затем авторы настоящего изобретения исследовали содержание Mn в ферритной фазе и цементитной фазе в перлитной структуре. В результате было подтверждено, что, когда добавка Mn в перлитной структуре снижалась, в наибольшей степени сокращалось содержание Mn в цементитной фазе.
[0031] Из этих результатов стало очевидным, что ударная вязкость перлитной структуры коррелировала с добавлением Mn, и когда добавление Mn сокращалось, содержание Mn в цементитной фазе уменьшалось, растрескивание в цементитной фазе как исходной точке подавлялось, и, следовательно, ударная вязкость перлитной структуры возрастала.
[0032] Mn растворяется в перлитной структуре с образованием твердого раствора в цементитной и ферритной фазах. Когда концентрация Mn в цементитной фазе, которая становится исходной точкой трещины, устраняется, увеличивается концентрация Mn в ферритной фазе. Здесь авторы настоящего изобретения обстоятельно исследовали взаимосвязь между балансом концентраций Mn в обеих фазах и ударной вязкостью в случае, где добавление Mn было сокращено.
[0033] В лаборатории были получены в виде слитков стали, имеющие перлитную структуру, которая имеет содержание Р, равное или меньшее 0,0150%, добавку Mn 0,30%, и содержание углерода 1,00%, и были проведены эксперименты с испытательной прокаткой в условиях, моделирующих горячую прокатку соответственно производству рельсов и термическую обработку, при разнообразных условиях. В дополнение, выполнением исследования содержания Mn в ферритной фазе и цементитной фазе и испытания на удар изучили взаимосвязь между значением ударной вязкости и содержанием Mn в ферритной фазе и цементитной фазе.
ФИГ. 2 показывает взаимосвязь между значением CMn/FMn и значением ударной вязкости. Было подтверждено, что в случае перлитных структур, имеющих одинаковые добавки Mn, когда сокращалось значение CMn/FMn, значение ударной вязкости возрастало, и значение ударной вязкости существенно увеличивалось, когда значение CMn/FMn было равным или меньшим 5,0.
[0034] Из этих результатов стало ясно, что регулированием добавки Mn в перлитной структуре до уровня, равного или меньшего 0,50%, и регулированием значения CMn/FMn до величины, равной или меньшей 5,0, значительно сокращалось растрескивание в цементитной фазе как исходной точке, где наносился удар, и в результате повышалась ударная вязкость перлитной структуры.
[0035] Кроме того, авторы настоящего изобретения исследовали способ регулирования значения CMn/FMn в случае, где добавление Mn в перлитной структуре было установлено на уровне, равном или меньшем 0,50%. В лаборатории были получены в виде слитков стали, имеющие перлитную структуру, в которой содержание Р было равным или меньшим 0,0150%, добавка Mn составляла 0,30%, и содержание углерода было 1,00%, и при разнообразных условиях были проведены эксперименты с испытательной прокаткой, моделирующей горячую прокатку рельсов и термическую обработку. В дополнение, выполнением исследования значений CMn/FMn и испытаниями на удар изучили влияние условий термической обработки на взаимосвязь между значением CMn/FMn и значением ударной вязкости.
[0036] ФИГ. 3(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева и значением CMn/FMn.
ФИГ. 3(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева и значением ударной вязкости.
[0037] ФИГ. 4(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между величиной максимального повышения температуры после ускоренного охлаждения и значением CMn/FMn.
ФИГ. 4(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между величиной максимального повышения температуры после ускоренного охлаждения и ударной вязкостью.
[0038] ФИГ. 5(А) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после повышения температуры и значением CMn/FMn.
ФИГ. 5(В) представляет график, показывающий взаимосвязь между скоростью ускоренного охлаждения после повышения температуры и ударной вязкостью.
В дополнение, условия изготовления основы рельсовых сталей, показанных на фиг. 3-5, были такими, как приведено ниже, и в том, что касается условий изготовления основы, изготовление выполняли изменением только оцениваемых условий.
[Условия охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева]
Исходная температура охлаждения: 800°С, скорость охлаждения: 7°С/с,
температура прекращения охлаждения: 500°С, величина максимального повышения температуры: 30°С
[Условия охлаждения после повышения температуры]
Исходная температура охлаждения: 530°С, скорость охлаждения: 1,0°С/с,
температура прекращения охлаждения: 350°С
[0039] Например, в отношении взаимосвязи между скоростью охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева и значением CMn/FMn, показанной на ФИГ. 3, было проведено изготовление в условиях, в которых изменяли только скорость охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева, при базовых условиях изготовления.
[0040] В результате стало ясно, что значение CMn/FMn значительно изменялось под влиянием (1) скорости ускоренного охлаждения после горячей прокатки или после повторного нагрева, (2) величины максимального повышения температуры после ускоренного охлаждения, и (3) скорости ускоренного охлаждения после повышения температуры. В дополнение, было найдено, что регулированием скорости охлаждения и величины повышения температуры в постоянных диапазонах подавлялось увеличение концентрации Mn в цементитной фазе, снижалось значение CMn/FMn, и вследствие этого подавлялось растрескивание в цементитной фазе в перлитной структуре как исходной точке, приводя к значительному повышению значения ударной вязкости.
[0041] То есть, согласно этому варианту исполнения, регулированием структуры, твердости, добавлением Mn и значением CMn/FMn головной части стального рельса, который имеет высокоуглеродистую перлитную структуру, в постоянных диапазонах, и выполнением надлежащих термических обработок на головной части рельса можно одновременно повысить износостойкость и ударную вязкость рельса для железнодорожной перевозки грузов.
[0042] Далее будет подробно описано обоснование ограничения в настоящем изобретении.
[0043] (1) Обоснование ограничения химических компонентов стали
Будет подробно описано обоснование того, что химические компоненты стали в стальном рельсе согласно этому варианту исполнения ограничены вышеописанными численными диапазонами.
[0044] Углерод (С) представляет собой элемент, эффективно действующий для ускорения перлитного превращения и обеспечения износостойкости. Когда содержание С составляет менее 0,85%, в этой системе компонентов могут не поддерживаться необходимые для рельса минимальная прочность или износостойкость. В дополнение, когда содержание С превышает 1,20%, образуется большое количество крупнозернистой проэвтектоидной цементитной структуры, и тем самым ухудшаются износостойкость или ударная вязкость. Поэтому содержание С ограничивается величиной не выше, чем от 0,85% до 1,20%. В дополнение, для повышения износостойкости и ударной вязкости более предпочтительно, чтобы содержание С составляло от 0,90% до 1,10%.
[0045] Si представляет собой важный компонент в качестве раскисляющего материала. В дополнение, Si повышает твердость (прочность) головной части рельса благодаря упрочнению твердого раствора ферритной фазы в перлитной структуре и тем самым повышает износостойкость. Кроме того, Si представляет собой элемент, который подавляет образование проэвтектоидной цементитной структуры в заэвтектоидной стали и тем самым препятствует ухудшению ударной вязкости. Однако, когда содержание Si составляет меньше 0,05%, можно ожидать неполного проявления этих эффектов. В дополнение, когда содержание Si превышает 2,00%, то во время горячей прокатки образуются многочисленные поверхностные дефекты или оксиды, приводя к ухудшению свариваемости. Более того, значительно повышается закаливаемость, и тем самым более вероятным становится образование мартенситной структуры, которая является неблагоприятной для износостойкости или ударной вязкости рельса. Поэтому добавка Si ограничивается значением от 0,05% до 2,00%. В дополнение, чтобы повысить твердость (прочность) головной части рельса и подавить образование мартенситной структуры, которая является вредной для износостойкости или ударной вязкости, более предпочтительно, чтобы содержание Si составляло от 0,10% до 1,30%.
[0046] Mn представляет собой элемент, который повышает закаливаемость и тем самым сокращает промежутки между перлитными ламелями, тем самым обеспечивая твердость перлитной структуры и повышение износостойкости. Однако, когда содержание Mn составляет менее 0,05%, эти эффекты малы, и затруднительно обеспечить износостойкость, которая необходима для рельса. В дополнение, когда содержание Mn превышает 0,50%, возрастает концентрация Mn в цементитной фазе в перлитной структуре, усиливается растрескивание в цементитной фазе как исходной точке трещины, приводя к значительному ухудшению ударной вязкости перлитной структуры. Поэтому добавка Mn ограничивается величиной от 0,05% до 0,50%. В дополнение, чтобы снизить растрескивание в цементитной фазе и твердость перлитной структуры, более предпочтительно, чтобы содержание Mn составляло от 0,10% до 0,45%.
[0047] Cr представляет собой элемент, который повышает температуру равновесного преобразования и тем самым сокращает промежутки между перлитными ламелями в перлитной структуре, благодаря чему содействует повышению твердости (прочности). Одновременно Cr упрочняет цементитную фазу и тем самым повышает твердость (прочность) перлитной структуры, в результате чего улучшает износостойкость перлитной структуры. Однако, когда содержание Cr составляет менее 0,05%, эти эффекты малы, и влияние повышения твердости рельсовой стали может проявляться не полностью. В дополнение, когда выполняют избыточное добавление для доведения содержания Cr до уровня выше 0,60%, с большей вероятностью образуется бейнитная структура, которая является вредной для износостойкости рельса. В дополнение, повышается закаливаемость, и тем самым более вероятно образование мартенситной структуры, которая неблагоприятна для износостойкости или ударной вязкости рельса. Поэтому добавление Cr ограничивается значением от 0,05% до 0,60%. В дополнение, чтобы повысить твердость рельсовой стали и подавить образование бейнитной структуры или мартенситной структуры, которая является вредной для износостойкости или ударной вязкости, более предпочтительно, чтобы содержание Cr составляло от 0,10% до 0,40%.
[0048] Фосфор (Р) представляет собой элемент, который неизбежно содержится в стали. Существует корреляция между содержанием Р и ударной вязкостью. Когда содержание Р повышается, перлитная структура становится хрупкой вследствие охрупчивания ферритной фазы, и тем самым более вероятно образование хрупкого излома, то есть, повреждения рельса. Поэтому, чтобы повысить ударную вязкость, предпочтительно, чтобы содержание Р было низким. В результате проверки корреляции между значением ударной вязкости и содержанием Р в лаборатории было подтверждено, что, когда содержание Р снижается до 0,0150% или менее, подавляется охрупчивание ферритной фазы, которая является исходной точкой трещины, и тем самым существенно повышается значение ударной вязкости. Согласно этому результату, содержание Р ограничивается величиной, равной или меньшей 0,0150%. В дополнение, нижний предел содержания Р не ограничен. Однако по соображениям эффективности дефосфорации в процессе рафинирования представляется, что в ходе реального производства пределом содержания Р является значение около 0,0020%.
[0049] В дополнение, обработка для снижения содержания Р обусловливает не только возрастание стоимости рафинирования, но и снижает производительность. Здесь, из соображений рентабельности, и чтобы стабильно повышать значение ударной вязкости, предпочтительно, чтобы содержание Р было от 0,0030% до 0,0100%.
[0050] В дополнение, в рельс, изготовляемый с вышеописанным компонентным составом, могут быть добавлены элементы Mo, V, Nb, Co, B, Cu, Ni, Ti, Ca, Mg, Zr, Al и N как необходимые в целях повышения твердости (прочности) перлитной структуры, то есть повышения износостойкости, кроме того, повышения ударной вязкости, предотвращения размягчения подвергаемой термическому воздействию зоны при сварке, и регулирования распределения твердости по поперечному сечению внутри головной части рельса.
[0051] Здесь молибден (Mo) повышает температуру равновесного преобразования перлита и главным образом делает более мелкими промежутки между перлитными ламелями, тем самым увеличивая твердость перлитной структуры. V и Nb подавляют рост аустенитных зерен вследствие карбидов и нитридов, образующихся во время горячей прокатки и процесса охлаждения после этого, и повышают ударную вязкость и твердость перлитной структуры в результате дисперсионного упрочнения. В дополнение, V и Nb стабильно образуют карбиды и нитриды во время повторного нагрева и тем самым предотвращают размягчение подвергаемой термическому воздействию зоны в сварном соединении. Кобальт (Co) повышает мелкозернистость ламеллярной структуры или размер ферритных зерен на поверхности износа, тем самым увеличивая износостойкость перлитной структуры. Бор (В) уменьшает зависимость температуры перлитного превращения от скорости охлаждения, тем самым делая более однородным распределение твердости в головной части рельса. Cu растворяется с образованием твердого раствора в феррите в перлитной структуре, тем самым повышая твердость перлитной структуры. Ni повышает ударную вязкость и твердость перлитной структуры и одновременно предотвращает размягчение подвергаемой термическому воздействию зоны в сварном соединении. Ti повышает мелкозернистость структуры в подвергаемой термическому воздействию зоне и тем самым предотвращает охрупчивание в участке сварного соединения. Ca и Mg повышают мелкозернистость аустенитных зерен во время прокатки рельса и одновременно ускоряет перлитное превращение, тем самым повышая ударную вязкость перлитной структуры. Zr увеличивает скорость равноосной кристаллизации отверждаемой структуры и подавляет формирование ликвационной зоны в центральной части сляба или блюма, тем самым сокращая толщину проэвтектоидной цементитной структуры и повышая ударную вязкость перлитной структуры. Al сдвигает температуру эвтектоидного преобразования в сторону более высокой температуры и тем самым повышает твердость перлитной структуры. Азот (N) ускоряет перлитное превращение благодаря ликвации на границах аустенитных зерен и сокращает размер перлитных блоков, тем самым повышая ударную вязкость. Эффекты каждого из элементов описаны выше и являются основной целью их добавления.
[0052] Теперь будет подробнее описано обоснование для ограничения таких компонентов.
Молибден (Mo) представляет собой элемент, который повышает температуру равновесного преобразования перлита, подобно Cr, и поэтому делает более мелкими промежутки между ламелями в перлитной структуре, тем самым повышая твердость перлитной структуры и увеличивая износостойкость рельса. Однако, когда содержание Mo составляет менее 0,01%, эти эффекты малы, и влияние на повышение твердости рельсовой стали вообще не проявляется. В дополнение, когда проводят избыточное добавление для доведения содержания Mo до уровня выше 0,50%, значительно снижается скорость превращения, и тем самым более вероятно образование бейнитной структуры, которая неблагоприятна для износостойкости рельса. В дополнение, в перлитной структуре образуется мартенситная структура, которая является вредной для ударной вязкости рельса. Поэтому добавление Mo ограничено значением от 0,01% до 0,50%.
[0053] V представляет собой элемент, который осаждает карбиды ванадия (V) или нитриды ванадия (V) во время типичной горячей прокатки или термической обработки, выполняемой при высокой температуре, и повышает мелкозернистость аустенитных зерен благодаря пиннинговому эффекту, тем самым повышая ударную вязкость перлитной структуры. Более того, V представляет собой элемент, который повышает твердость (прочность) перлитной структуры в результате дисперсионного упрочнения посредством карбидов ванадия (V) и нитридов ванадия (V), образующихся во время процесса охлаждения после горячей прокатки, тем самым повышая износостойкость перлитной структуры. В дополнение, V представляет собой элемент, который генерирует карбиды ванадия (V) или нитриды ванадия (V) в относительно широком диапазоне температур в подвергаемой термическому воздействию зоне, которую повторно нагревают в температурном диапазоне, равном или меньшем, чем точка Ас1, и тем самым является эффективным в предотвращении размягчения подвергаемой термическому воздействию зоны в сварном соединении. Однако, когда содержание V составляет менее 0,005%, эти эффекты могут не проявляться в достаточной мере, и повышение ударной вязкости или твердости (прочности) перлитной структуры не подтверждается. В дополнение, когда содержание V превышает 0,50%, происходит чрезмерное дисперсионное упрочнение карбидами ванадия (V) или нитридами ванадия (V), и тем самым перлитная структура становится хрупкой, чем ухудшает ударную вязкость рельса. Соответственно этому, добавление V ограничено пределами от 0,005% до 0,50%.
[0054] Подобно V, Nb представляет собой элемент, который повышает мелкозернистость аустенитных зерен благодаря пиннинговому эффекту карбидов ниобия (Nb) или нитридов ниобия (Nb) в ситуации, где типичную горячую прокатку или термическую обработку проводят при высокой температуре, и тем самым увеличивает ударную вязкость перлитной структуры. Более того, Nb представляет собой элемент, который повышает твердость (прочность) перлитной структуры в результате дисперсионного упрочнения перлитной структуры карбидами ниобия (Nb) и нитридами ниобия (Nb), образующимися во время процесса охлаждения после горячей прокатки, тем самым повышая износостойкость перлитной структуры. В дополнение, Nb представляет собой элемент, который стабильно генерирует карбиды ниобия (Nb) или нитриды ниобия (Nb) от низкотемпературного диапазона до высокотемпературного диапазона в подвергаемой термическому воздействию зоне, которую повторно нагревают в диапазоне температур, равном или меньшем, чем точка Ас1, и тем самым является эффективным в предотвращении размягчения подвергаемой термическому воздействию зоны в сварном соединении. Однако, когда содержание Nb составляет менее 0,001%, эти эффекты могут не проявляться, и повышение ударной вязкости или твердости (прочности) перлитной структуры не подтверждается. В дополнение, когда содержание Nb превышает 0,050%, происходит чрезмерное дисперсионное упрочнение карбидами ниобия (Nb) или нитридами ниобия (Nb), и тем самым перлитная структура становится хрупкой, в результате этого ухудшая ударную вязкость рельса. Соответственно этому, добавление Nb ограничено величиной от 0,001% до 0,050%.
[0055] Кобальт (Co) представляет собой элемент, который растворяется с образованием твердого раствора в феррите в перлитной структуре и дополнительно повышает мелкозернистость феррита в перлитной структуре, тем самым увеличивая износостойкость. Однако, когда содержание Со составляет менее 0,01%, измельчение феррита в перлитной структуре может не достигаться, и тем самым эффект повышения износостойкости может не проявляться. В дополнение, когда содержание Со превышает 1,00%, эти эффекты насыщаются, и тем самым измельчение феррита в перлитной структуре соответственно добавленному содержанию может не достигаться. В дополнение, снижается рентабельность вследствие возрастания расходов, обусловленных добавлением сплавов. Поэтому добавление Со ограничено значениями от 0,01% до 1,00%.
23
6
[0056] Бор (В) представляет собой элемент, который формирует борокарбиды железа (Fe(CB)) на границах аустенитных зерен, ускоряет перлитное превращение и тем самым уменьшает зависимость температуры перлитного превращения от скорости охлаждения. Соответственно этому, бор (В) придает более однородное распределение твердости от поверхности головки внутрь и тем самым удлиняет эксплуатационный срок службы рельса. Однако, когда содержание В составляет менее 0,0001%, эти эффекты являются недостаточными, и улучшение распределения твердости в головной части рельса не подтверждается. В дополнение, когда содержание В превышает 0,0050%, образуются крупнозернистые борокарбиды железа, и тем самым усиливается вероятность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому добавление бора (В) ограничено пределами от 0,0001% до 0,0050%.
[0057] Cu представляет собой элемент, который растворяется с образованием твердого раствора в феррите в перлитной структуре и повышает твердость (прочность) перлитной структуры в результате упрочнения твердого раствора, тем самым увеличивая износостойкость перлитной структуры. Однако, когда содержание Cu составляет менее 0,01%, эти эффекты могут не проявляться. В дополнение, когда содержание Cu превышает 1,00%, то вследствие значительного возрастания закаливаемости образуется мартенситная структура, которая является вредной для ударной вязкости перлитной структуры, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому добавление Cu ограничено значениями от 0,01% до 1,00%.
3
[0058] Ni представляет собой элемент, который повышает ударную вязкость перлитной структуры и одновременно увеличивает твердость (прочность) ее в результате упрочнения твердого раствора, тем самым усиливая износостойкость перлитной структуры. Более того, Ni представляет собой элемент, который образует тонкодисперсные включения в виде интерметаллического соединения NiTi с титаном (Ti) в зоне термического воздействия при сварке, и подавляет размягчение в результате дисперсионного упрочнения. В дополнение, Ni представляет собой элемент, который подавляет охрупчивание по границам зерен стали, имеющей добавку меди (Cu). Однако, когда содержание Ni составляет менее 0,01%, эти эффекты значительно ослабевают. В дополнение, когда содержание Ni превышает 1,00%, образуется мартенситная структура в перлитной структуре вследствие существенного возрастания закаливаемости, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание Ni ограничивается величинами от 0,01% до 1,00%.
[0059] Ti представляет собой элемент, который осаждается в виде карбидов титана (Ti) или нитридов титана (Ti) в случае, где типичную горячую прокатку или термическую обработку выполняют при высокой температуре, и повышает мелкозернистость аустенитных зерен вследствие пиннингового эффекта, тем самым будучи эффективным для усиления ударной вязкости перлитной структуры. Более того, Ti представляет собой элемент, который повышает твердость (прочность) перлитной структуры благодаря дисперсионному твердению под действием карбидов титана (Ti) или нитридов титана (Ti), образующихся во время процесса охлаждения после горячей прокатки, тем самым повышая износостойкость перлитной структуры. В дополнение, Ti представляет собой компонент, который увеличивает мелкозернистость структуры в зоне термического воздействия, нагреваемой до аустенитной области, с использованием свойств карбидов титана (Ti) и нитридов титана (Ti), которые осаждаются во время повторного нагрева для сварки, без растворения, и тем самым является эффективным в предотвращении охрупчивания участка сварного соединения. Однако, когда содержание Ti является меньшим, чем 0,0050%, эти эффекты малы. В дополнение, когда содержание Ti превышает 0,0500%, образуются крупнозернистые карбиды титана (Ti) и нитриды титана (Ti), и тем самым повышается вероятность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание Ti ограничено значениями от 0,0050% до 0,0500%.
[0060] Mg представляет собой элемент, который связывается с О, S, Al, или тому подобными, и образует тонкодисперсные оксиды, подавляет рост кристаллических зерен во время повторного нагрева после прокатки рельса и тем самым увеличивает мелкозернистость аустенитных зерен, в результате чего повышает ударную вязкость перлитной структуры. Более того, Mg содействует протеканию перлитного превращения, поскольку MgS обусловливает тонкое распределение MnS и тем самым образование затравок феррита или цементита на периферии MnS. В результате сокращается размер блоков перлита, тем самым увеличивая ударную вязкость перлитной структуры. Однако, когда содержание Mg составляет менее 0,0005%, эти эффекты слабы. Когда содержание Mg превышает 0,0200%, образуются крупнозернистые оксиды магния (Mg), и тем самым возрастает опасность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание Mg ограничено величинами от 0,0005% до 0,0200%.
[0061] Кальций (Са) прочно связывается с S и образует такой сульфид, как CaS. CaS обусловливает тонкое распределение MnS и тем самым содействует образованию зоны разбавления Mn на периферии MnS, чем способствует протеканию перлитного превращения. В результате сокращается размер блоков перлита, так что может быть повышена ударная вязкость перлитной структуры. Однако, когда содержание Са составляет менее 0,0005%, эти эффекты проявляются мало. Когда содержание Са превышает 0,0200%, образуются крупнозернистые оксиды кальция (Са), и тем самым повышается опасность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание Са ограничено пределами от 0,0005% до 0,0200%.
2
2
2
[0062] Zr повышает скорость равноосной кристаллизации отверждаемой структуры, поскольку включение ZrO имеет хорошее согласование кристаллической решетки с γ-Fe, и тем самым включение ZrO становится затравкой затвердевания высокоуглеродистой рельсовой стали, которое представляет собой затвердевание γ-фазы. В результате подавляется формирование ликвационной зоны в центральной части сляба или блюма, тем самым подавляя образование мартенситной или проэвтектоидной цементитной структуры, возникающей в зоне сегрегации в рельсе. Однако, когда содержание Zr составляет меньше 0,0001%, число включений на основе ZrO мало, и тем самым существенное действие в качестве затравки затвердевания не проявляется. В результате в зоне сегрегации образуется мартенситная или проэвтектоидная цементитная структура, и тем самым ухудшается ударная вязкость рельса. В дополнение, когда содержание Zr превышает 0,2000%, образуется большое количество крупнозернистых включений на основе Zr, и тем самым повышается вероятность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание Zr ограничено значениями от 0,0001% до 0,2000%.
[0063] Al представляет собой компонент, эффективный в качестве раскисляющего материала. В дополнение, Al представляет собой элемент, который смещает температуру эвтектоидного превращения в сторону более высокой температуры и тем самым содействует повышению твердости (прочности) перлитной структуры, чем увеличивает износостойкость перлитной структуры. Однако, когда содержание Al составляет менее 0,0040%, эти эффекты проявляются слабо. В дополнение, когда содержание Al превышает 1,00%, то становится затруднительным растворение Al в стали с образованием твердого раствора, и тем самым образуются крупнозернистые включения на основе оксида алюминия. В дополнение, крупнозернистые осаждения становятся причиной усталостного разрушения, и тем самым возрастает вероятность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Более того, во время сварки образуются оксиды, так что значительно ухудшается свариваемость. Поэтому добавление Al ограничивается пределами от 0,0040% до 1,00%.
[0064] Азот (N) выделяется на границах аустенитных зерен и тем самым ускоряет перлитное превращение от границ аустенитных зерен. В дополнение, азот (N) главным образом сокращает размер перлитных блоков, чем увеличивает ударную вязкость. В дополнение, осаждение VN или AlN ускоряется одновременным добавлением V и Al. Поэтому в случае, где типичные горячую прокатку или термическую обработку проводят при высокой температуре, мелкозернистость аустенитных зерен возрастает благодаря пиннинговому эффекту  VN или AlN, тем самым повышая ударную вязкость перлитной структуры. Однако, когда содержание N составляет менее 0,0050%, эти эффекты проявляются мало. Когда содержание N превышает 0,0200%, то становится затруднительным растворение N в стали с образованием твердого раствора, образуются пузырьки, которые становятся причинами усталостного разрушения, и тем самым возрастает опасность хрупкого излома, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому содержание N ограничивается пределами от 0,0050% до 0,0200%. Рельсовая сталь, имеющая описанный выше компонентный состав, может быть изготовлена в виде слитков в обычной плавильной печи, такой как конвертерная печь или электрическая печь, и расплавленная сталь может быть получена в виде рельса разливкой в слитки, и прокаткой в обжимной клети или непрерывным литьем, и затем горячей прокаткой.
[0065] (2) Обоснование ограничения металлической  структуры
Теперь будет подробно описано обоснование того, что металлическая структура поверхностной части головки рельса в стальном рельсе согласно настоящему изобретению ограничивается перлитом.
[0066] Когда проэвтектоидная ферритная структура, проэвтектоидная цементитная структура, бейнитная структура и мартенситная структура смешаны с перлитной структурой, в проэвтектоидной цементитной структуре и мартенситной структуре, имеющих относительно низкие уровни ударной вязкости, происходит образование тонких хрупких трещин, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. В дополнение, когда проэвтектоидная ферритная структура и бейнитная структура, имеющие относительно низкие степени твердости, смешаны с перлитной структурой, ускоряется износ, приводя к ухудшению износостойкости рельса. Поэтому в целях повышения износостойкости и ударной вязкости перлитная структура является предпочтительной в качестве металлической структуры поверхностной части головки рельса. Поэтому металлическая структура поверхностной части головки рельса ограничивается перлитной структурой.
[0067] В дополнение, является предпочтительным, чтобы металлическая структура рельса согласно этому варианту исполнения была однофазной перлитной структурой в соответствии с вышеуказанным ограничением. Однако, в зависимости от компонентной системы рельса и термической обработки в способе изготовления, в перлитную структуру включено небольшое количество проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры, бейнитной структуры или мартенситной структуры, с долей площади менее 3%. Однако даже если такая структура включена, когда доля ее площади составляет менее 3%, структура не оказывает существенного вредного влияния на износостойкость или ударную вязкость головной части рельса. Поэтому иная структура, нежели перлитная структура, такая как проэвтектоидная ферритная структура, проэвтектоидная цементитная структура, бейнитная структура и мартенситная структура, может быть смешана со структурой стального рельса, имеющего превосходную износостойкость и ударную вязкость, в той мере, пока доля площади структуры составляет менее 3%, то есть количество структуры является малым.
[0068] Другими словами, 97% или более металлической структуры поверхностной части головки рельса согласно этому варианту исполнения могут представлять собой перлитную структуру. Чтобы в достаточной мере обеспечить износостойкость или ударную вязкость, необходимые для рельса, более предпочтительно, чтобы 99% или выше металлографической структуры поверхностной части головки были перлитной структурой. В дополнение, в колонке «Микроструктура» в Таблицах от 1-1 до 3-2 малое количество означает менее 3%.
Более конкретно, доля металлической структуры представляет собой значение доли площади в случае, если положение находится на глубине 4 мм от поверхности поверхностной части головки рельса, и упомянутое положение наблюдают с использованием микроскопа. Метод измерения описан ниже.
Предварительная обработка: после разрезания рельса полируют поперечное сечение.
Травление: 3%-ный ниталь (раствор азотной кислоты в этаноле)
Прибор для наблюдения: оптический микроскоп.
Положение наблюдения: положение на глубине 4 мм от поверхности поверхностной части головки рельса.
*Конкретные положения поверхностной части головки рельса обозначены на ФИГ. 6.
Число наблюдений: 10 или более точек.
Метод определения структуры: каждую структуру из перлита, бейнита, мартенсита, проэвтектоидного феррита и проэвтектоидного цементита определяли получением фотографий структур и подробным обследованием.
Расчет доли: расчет доли площади с помощью анализа изображений.
[0069] (3) Необходимый диапазон перлитной структуры
Далее будет описано обоснование того, что необходимый диапазон перлитной структуры для головной части рельса в стальном рельсе согласно настоящему изобретению ограничен поверхностной частью головки из рельсовой стали.
[0070] ФИГ. 6 показывает диаграмму в ситуации, где стальной рельс, имеющий превосходные износостойкость и ударную вязкость согласно этому варианту исполнения, виден в поперечном сечении, перпендикулярном его продольной оси. Головная часть 3 рельса включает верхнюю часть 1 головки и угловые части 2 головки, расположенные на обоих краях верхней части 1 головки. Одна из угловых частей 2 головки представляет собой калиброванную угловую (G.C.) часть, которая главным образом приходит в контакт с колесами.
[0071] Область от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки как исходной точки до глубины 10 мм называется поверхностной частью головки (кодовый номер 3а позиции, очерченная сплошной линией часть). В дополнение, область от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки как исходной точки до глубины 20 мм обозначена кодовым номером 3b позиции (очерченная пунктирной линией часть).
[0072] Как показано на ФИГ. 6, когда перлитная структура расположена в поверхностной части головки (кодовый номер 3а позиции) в области от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки как исходной точки до глубины 10 мм, подавляется износ вследствие контакта с колесами, и тем самым достигается повышение износостойкости рельса. С другой стороны, в случае, где перлитная структура находится в области менее 10 мм, подавление износа вследствие контакта с колесами достигается не полностью, и эксплуатационный срок службы рельса сокращается. Поэтому необходимая глубина для перлитной структуры ограничивается поверхностной частью головки, имеющей глубину 10 мм от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки как исходной точки.
[0073] В дополнение, является более предпочтительным, что перлитная структура расположена в области 3b от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки как исходной точки до глубины 20 мм, то есть, по меньшей мере в очерченной пунктирной линией области на ФИГ. 6. Соответственно этому, может быть дополнительно повышена износостойкость в случае, когда головная часть рельса изнашивается до внутренней части вследствие контакта с колесами, и тем самым достигается увеличение эксплуатационного срока службы рельса.
[0074] Предпочтительно, чтобы перлитная структура была расположена вблизи поверхности головной части 3 рельса, где колеса и рельс главным образом приходят в контакт между собой, и в плане износостойкости другие части могут иметь иную металлографическую структуру, нежели перлитная структура.
[0075] (4) Обоснование ограничения твердости перлитной структуры головной части рельса
Далее будет описано обоснование того, что твердость перлитной структуры головной части рельса в стальном рельсе этого варианта исполнения ограничена диапазоном HV от 320 до 500.
[0076] В этой компонентной системе, когда твердость перлитной структуры составляет менее HV 320, износостойкость поверхностной части головки рельса ухудшается, приводя к сокращению эксплуатационного срока службы рельса. В дополнение, когда твердость перлитной структуры превышает значение HV 500, возрастает вероятность возникновения тонких хрупких трещин в перлитной структуре, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому твердость перлитной структуры ограничена диапазоном HV от 320 до 500.
[0077] В дополнение, в качестве способа получения перлитной структуры, имеющей твердость HV от 320 до 500 в головной части рельса, как описывается позже, предпочтительно выполняют ускоренное охлаждение головной части рельса при температуре 750°С или выше после горячей прокатки или после повторного нагрева.
[0078] Более конкретно, твердость головной части рельса согласно этому варианту исполнения представляет собой значение, полученное, когда измерение с помощью прибора для измерения твердости по Виккерсу проводят в положении на глубине 4 мм от поверхности поверхностной части головки рельса. Метод измерения является таким, как описано ниже.
Предварительная обработка: после отрезания рельса полируют поперечное сечение.
Метод измерения: измерение на основе стандарта JIS Z 2244.
Измерительный прибор: твердомер Виккерса (нагрузка 98Н).
Точка измерения: положение на глубине 4 мм от поверхности поверхностной части головки рельса
*Конкретное положение поверхностной части головки рельса является таким, как обозначено на ФИГ. 6.
Число измерений: предпочтительно, чтобы измерение проводилось в 5 или более точках, и в качестве репрезентативного значения для стального рельса используют усредненную из них величину.
[0079] (5) Обоснование ограничения значения CMn/FMn в перлитной структуре
[0080] Далее будет описано обоснование того, что значение CMn/FMn в перлитной структуре в стальном рельсе согласно настоящему изобретению ограничено до 5,0 или менее.
[0081] Когда значение CMn/FMn в перлитной структуре снижается, сокращается концентрация Mn в цементитной фазе. В результате ударная вязкость цементитной фазы повышается, и тем самым сокращается растрескивание в цементитной фазе как исходной точке, которая принимает удар. В результате выполнения детального испытания в лаборатории было подтверждено, что, когда значение CMn/FMn устанавливали на уровень, равный или меньший 5,0, значительно сокращалось растрескивание в цементитной фазе в исходной точке, которая принимает удар, и тем самым значительно возрастало значение ударной вязкости. Поэтому значение CMn/FMn ограничено до 5,0 или менее. В дополнение, если рассматривать диапазон условий термической обработки при допущении, что обеспечивается перлитная структура, представляется, что предел значения CMn/FMn составляет около 1,0, когда проводят реальное изготовление рельса.
[0082] Для измерения концентрации Mn в цементитной фазе (CMn) и концентрации Mn в ферритной фазе (FMn) в перлитной структуре рельса в этом варианте исполнения, использовали метод трехмерного атомного зонда (3DAP). Метод измерения является таким, как описано ниже.
Положение отбора образцов: положение в 4 мм от поверхности поверхностной части головки рельса
Предварительная обработка: игольчатый образец обрабатывают согласно методу FIB (фокусированного ионного пучка) (10 мкм × 10 мкм × 100 мкм)
Измерительный прибор: метод трехмерного атомного зонда (3DAP)
Метод измерения:
Анализ компонентного состава металлических ионов, испускаемых при приложении напряжения с использованием координатного детектора
Время пролета ионов: вид элемента
Координаты: трехмерное (3D) положение
Напряжение: постоянного тока, импульсное (скважность импульсов 20% или выше)
Температура образца: 40 К или менее
Число измерений: измерения проводят в 5 или более точках, и усредненное из них значение используют в качестве репрезентативной величины.
[0083] (6) Условия термической обработки
Сначала будет описано обоснование того, что температура головной части рельса, при которой начинают ускоренное охлаждение, ограничена 750°С или выше.
[0084] Когда температура головной части составляет менее 750°С, перлитная структура образуется до ускоренного охлаждения, и регулирование твердости поверхностной части головки с помощью термической обработки становится невозможным, и тем самым предварительно заданная твердость не получается. В дополнение, в стали с высоким содержанием углерода образуется проэвтектоидная цементитная структура, и тем самым перлитная структура становится хрупкой, приводя к ухудшению ударной вязкости рельса. Поэтому температура головной части стального рельса, при которой выполняют ускоренное охлаждение, ограничена величиной 750°С или выше.
Далее, в способе выполнения ускоренного охлаждения на головной части рельса при скорости охлаждения от 4 до 15°С/с от диапазона температур, равного или более высокого, чем 750°С, и прекращения ускоренного охлаждения в момент времени, когда температура головной части стального рельса достигает уровня от 600°С до 450°С, будет описано обоснование того, что температурный диапазон прекращения ускоренного охлаждения и скорость ускоренного охлаждения ограничены вышеуказанными диапазонами.
[0085] Когда ускоренное охлаждение прекращают при температуре выше 600°С, перлитное превращение начинается при высокотемпературном диапазоне непосредственно после охлаждения, и тем самым образуется большое количество крупнозернистой перлитной структуры, имеющей низкую твердость. В результате, когда твердость поверхностной части головки становится меньшей, чем HV 320, затруднительно обеспечить необходимую износостойкость для рельса. В дополнение, когда ускоренное охлаждение выполняют до температуры менее 450ºС, в компонентной системе аустенитная структура вообще не преобразуется во время ускоренного охлаждения, и в поверхностной части головки формируется бейнитная структура или мартенситная структура, приводя к ухудшению износостойкости или ударной вязкости рельса. Поэтому температурный диапазон прекращения ускоренного охлаждения ограничен интервалом от 600 до 450ºС.
[0086] Далее, когда скорость ускоренного охлаждения головной части становится меньшей, чем 4ºС/с, перлитное превращение начинается во время ускоренного охлаждения в высокотемпературном диапазоне. В результате твердость поверхностной части головки становится меньшей, чем HV 320, и затруднительно обеспечить необходимую износостойкость рельса. В дополнение, во время перлитного превращения ускоряется диффузия Mn, возрастает концентрация Mn в цементитной фазе, и тем самым значение CMn/FMn превышает 5,0. В результате ускоряется возникновение цементитного растрескивания в области исходной точки, и тем самым ухудшается ударная вязкость рельса. В дополнение, когда скорость ускоренного охлаждения превышает 15ºС/с, в компонентной системе образуется бейнитная структура или мартенситная структура в поверхностной части головки. В дополнение, в случае, когда скорость ускоренного охлаждения является относительно высокой, после ускоренного охлаждения генерируется большое количество рекуперированного тепла. В результате во время превращения ускоряется диффузия Mn, возрастает концентрация Mn в цементитной фазе, и тем самым значение CMn/FMn превышает 5,0. В результате снижается износостойкость или ударная вязкость рельса. Поэтому скорость охлаждения ограничена диапазоном от 4 до 15ºС/с.
[0087] В дополнение, чтобы стабильно формировать перлитную структуру, имеющую превосходные износостойкость и ударную вязкость, предпочтительно, чтобы скорость ускоренного охлаждения была в диапазоне от 5 до 12ºС/с.
[0088] Далее будет описано обоснование того, что величина максимального повышения температуры, включающего теплоту превращения и рекуперированное тепло, генерированную после ускоренного охлаждения, ограничена до 50ºС или менее от температуры прекращения ускоренного охлаждения.
[0089] В компонентной системе ускоренное охлаждение выполняют на головной части рельса от температурного диапазона, равного или более высокого, чем 750ºС, и когда ускоренное охлаждение прекращают в диапазоне температур от 600 до 450ºС, после ускоренного охлаждения происходит повышение температуры, включающее теплоту превращения и рекуперированное тепло. Величина повышения температуры в значительной мере изменяется выбором скорости или температуры прекращения ускоренного охлаждения, и могут быть ситуации, где температура поверхности головной части рельса повышается максимально на величину около 150ºС. Величина повышения температуры представляет характеристику перлитного превращения поверхностной части головки, а также поверхности головной части рельса, и оказывает существенное влияние на свойства перлитной структуры поверхностной части головки рельса, то есть ударную вязкость (содержание Mn в цементитной фазе). Когда величина максимального повышения температуры, включающего теплоту превращения и рекуперированное тепло, превышает 50°С, то вследствие повышения температуры ускоряется диффузия Mn в цементитную фазу во время перлитного превращения, возрастает концентрация Mn в цементитной фазе, и тем самым значение CMn/FMn превышает 5,0. В результате ускоряется возникновение растрескивания в цементитной фазе в области исходной точки растрескивания, и тем самым ухудшается ударная вязкость рельса. Поэтому величина максимального повышения температуры ограничена значением 50°С или менее от температуры прекращения ускоренного охлаждения. В дополнение, хотя нижний предел величины максимального повышения температуры не ограничен, чтобы устойчиво останавливать перлитное превращение и надежно обеспечивать значение CMn/FMn равным или меньшим 5,0, предпочтительно, чтобы нижний предел ее составлял 0°С.
[0090] Далее, в способе выполнения ускоренного охлаждения со скоростью охлаждения от 0,5 до 2,0°С/с после повышения температуры, включающего теплоту превращения и рекуперированное тепло, и прекращения ускоренного охлаждения в момент времени, когда температура головной части стального рельса достигает 400°С, будет описано обоснование того, что температура прекращения ускоренного охлаждения и скорость ускоренного охлаждения ограничены вышеуказанными диапазонами.
[0091] Когда ускоренное охлаждение прекращают при температуре выше 400°С, в перлитной структуре после превращения происходит отпуск. В результате снижается твердость перлитной структуры, и тем самым ухудшается износостойкость рельса. Поэтому температура прекращения ускоренного охлаждения ограничена диапазоном, равным или меньшим 400°С. В дополнение, хотя нижний предел температуры прекращения ускоренного охлаждения не ограничен, чтобы подавлять отпуск перлитной структуры и подавлять образование мартенситной структуры в зоне сегрегации, предпочтительно, чтобы нижний предел ее составлял 100°С или выше.
[0092] В дополнение, описанный здесь отпуск перлитной структуры означает, что цементитная фаза перлитной структуры находится в отделенном состоянии. Когда цементитная фаза отделяется, твердость перлитной структуры снижается, и тем самым износостойкость ухудшается.
[0093] Далее, когда скорость ускоренного охлаждения головной части становится меньше 0,5°С/с, ускоряется диффузия Mn, происходит частичное повышение концентрации Mn в цементитной фазе, и тем самым значение CMn/FMn превышает 5,0. В результате ускоряется возникновение растрескивания в цементитной фазе в области исходной точки, и тем самым снижается ударная вязкость рельса. В дополнение, когда скорость ускоренного охлаждения превышает 2,0°С, возрастает вероятность образования мартенситной структуры в ликвационной части, и тем самым значительно ухудшается ударная вязкость рельса. Поэтому скорость ускоренного охлаждения ограничена диапазоном от 0,5 до 2,0°С/с. В дополнение, в плане подавления повышения концентрации Mn в цементитной фазе, предпочтительно, чтобы ускоренное охлаждение выполнялось настолько немедленно, насколько возможно, после завершения повышения температуры в реальной операции.
[0094] Регулирование температуры головной части рельса во время термической обработки может быть выполнено надлежащим измерением температуры поверхности головной части на верхней части головки (кодовый номер 1 позиции) и угловой части головки (кодовый номер 2 позиции), показанных на ФИГ. 6, для всей поверхностной части головки рельса (кодовый номер 3а позиции).
[Примеры]
[0095] Далее будут описаны Примеры настоящего изобретения.
Таблицы 1-1 и 1-2 показывают химические компоненты и характеристики рельсовой стали согласно настоящему изобретению. Таблицы 1-1 и 1-2 показывают значение химического компонента, микроструктуру головной части рельса, твердость и значение CMn/FMn. Кроме того, также показаны результаты испытания износостойкости, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 7 положения, методом, показанным на ФИГ. 8, и результаты испытания на удар, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 9 положения.
[0096] В дополнение, условия изготовления рельсовой стали согласно настоящему изобретению, показанной в Таблицах 1-1 и 1-2, являются такими, как описано ниже.
[Условия охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева]
Температура начала охлаждения: 800°С, скорость охлаждения: 7°С/с,
Температура прекращения охлаждения: 500°С, величина максимального повышения температуры: 30°С
[Условия охлаждения после повышения температуры]
Температура начала охлаждения: 530°С, скорость охлаждения: 1,0°С/с,
Температура прекращения охлаждения: 350°С
[0097] Таблица 2 показывает химические компоненты и характеристики сравнительных рельсовых сталей. Таблица 2 показывает значение химического компонента, микроструктуру головной части рельса, твердость и значение CMn/FMn. Кроме того, также показаны результаты испытания износостойкости, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 7 положения, методом, показанным на ФИГ. 8, и результаты испытания на удар, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 9 положения.
[0098] В дополнение, условия изготовления рельсовой стали согласно настоящему изобретению, показанной в Таблице 2, являются такими, как описано ниже.
[Условия охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева]
Температура начала охлаждения: 800°С, скорость охлаждения: 7°С/с,
Температура прекращения охлаждения: 500°С, величина максимального повышения температуры: 30°С
[Условия охлаждения после повышения температуры]
Температура начала охлаждения: 530°С, скорость охлаждения: 1,0°С/с,
Температура прекращения охлаждения: 350°С
[0099] Таблицы 3-1 и 3-2 показывают результаты изготовления в способе изготовления рельса согласно настоящему изобретению, и результаты изготовления в сравнительном способе изготовления, с использованием рельсовых сталей, показанных в Таблицах 1-1 и 1-2. Таблицы 3-1 и 3-2 показывают, в качестве условий охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева, температуру начала охлаждения, скорость охлаждения, температуру прекращения охлаждения и, кроме того, величину максимального повышения температуры после прекращения охлаждения, и показывают, в качестве условий охлаждения после повышения температуры, температуру начала охлаждения, скорость охлаждения и температуру прекращения охлаждения.
В дополнение, приведены микроструктура головной части рельса, твердость и значение CMn/FMn. Кроме того, также показаны результаты испытания износостойкости, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 7 положения, методом, показанным на ФИГ. 8, и результаты испытания на удар, выполненного на образце, взятом из показанного на ФИГ. 9 положения.
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104]
[0105] В дополнение, условия разнообразных испытаний являются такими, как описано ниже.
[1] Испытание износостойкости головной части
Испытательный прибор: установка для испытаний на износ типа Nishihara (см. ФИГ. 8)
Форма образца: дискообразный образец (наружный диаметр: 30 мм, толщина: 8 мм)
Положение отбора образца: на 2 мм ниже поверхности головной части рельса (см. ФИГ. 7)
Испытательная нагрузка: 686 Н (давление на поверхности контакта 640 МПа)
Коэффициент скольжения: 20%
Образец колеса (противоположный материал): перлитная сталь (твердость по Виккерсу: HV 380)
Атмосфера: в воздухе
Охлаждение: принудительное охлаждение сжатым воздухом (величина расхода потока: 100 л/мин)
Число циклов: 700000 оборотов
В дополнение, величина расхода потока сжатого воздуха представляет расход потока, пересчитанный на объем при комнатной температуре (20°С) и атмосферном давлении (101,3 кПа).
[0106] [2] Испытание головной части на удар
Испытательный прибор: установка для ударных испытаний
Метод испытания: выполнен на основе стандарта JIS Z 2242
Форма образца: типа JIS3 с U-образным надрезом глубиной 2 мм
Положение отбора образца: на 2 мм ниже поверхности головной части рельса (см. ФИГ. 9, на 4 мм ниже положения надреза)
Температура испытания: комнатная температура (20°С)
В дополнение, условия каждого из рельсов являются такими, как указано ниже.
[0107] (1) Рельсы согласно настоящему изобретению (47 рельсов)
Кодовые номера от А1 до А47: рельсы, значения химических компонентов которых, микроструктуры головных частей рельсов, величины твердости и значения CMn/FMn находятся в диапазонах согласно настоящему изобретению.
[0108] (2) Сравнительные рельсы (12 рельсов)
Кодовые номера от а1 до а12: рельсы, значения химических компонентов которых, микроструктуры головных частей рельсов, величины твердости и значения CMn/FMn находятся вне диапазонов согласно настоящему изобретению.
[0109] (3) Рельсы, изготовленные способом изготовления согласно настоящему изобретению (25 рельсов)
Кодовые номера от В1 до В25: рельсы, для которых температуры начала охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева, скорости охлаждения, температуры прекращения охлаждения, величины максимального повышения температуры, скорости охлаждения после повышения температуры, и температуры прекращения охлаждения находятся в диапазонах согласно настоящему изобретению.
[0110] (4) Рельсы, изготовленные сравнительным способом изготовления (13 рельсов)
Кодовые номера от b1 до b13: рельсы, для которых любые из температур начала охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева, скоростей охлаждения, температур прекращения охлаждения, величин максимального повышения температуры, скоростей охлаждения после повышения температуры, или температур прекращения охлаждения находятся вне диапазонов согласно настоящему изобретению.
[0111] Как показано в Таблицах 1-1, 1-2 и 2, в рельсовых сталях согласно настоящему изобретению (кодовые номера А1-А47), по сравнению со сравнительными рельсовыми сталями (кодовые номера а1-а12), при удерживании химических компонентов С, Si, Mn, Cr и Р стали в ограниченных диапазонах подавлено образование проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры, бейнитной структуры и мартенситной структуры, которые оказывают вредное влияние на износостойкость или ударную вязкость, и тем самым получена перлитная структура, имеющая твердость в оптимальном диапазоне. В дополнение, поддержанием значения CMn/FMn равным или меньшим, чем постоянное значение, повышена износостойкость или ударная вязкость рельса.
[0112] ФИГ. 10 показывает взаимосвязь между содержанием углерода и величиной износа рельсовых сталей согласно настоящему изобретению (кодовые номера А1-А47) и сравнительных рельсовых сталей (кодовые номера а1, а3, а4, а5, а7, а8 и а12). ФИГ. 11 показывает взаимосвязь между содержанием углерода и значением ударной вязкости рельсовых сталей согласно настоящему изобретению (кодовые номера А1-А47) и сравнительных рельсовых сталей (кодовые номера а2, а4, а6, и а9-а12).
[0113] Как показано на ФИГ. 10 и 11, в рельсовых сталях согласно настоящему изобретению (кодовые номера А1-А47), по сравнению со сравнительными рельсовыми сталями (кодовые номера а1-а12), величины износа являются малыми, и значения ударной вязкости повышены, когда уровни содержания углерода одинаковы. То есть, при любом содержании углерода износостойкость или ударная вязкость рельса повышена.
[0114] В дополнение, как показано в Таблицах 3-1 и 3-2, в рельсовых сталях, полученных способом изготовления согласно настоящему изобретению (кодовые номера В1-В25), по сравнению с рельсовыми сталями, полученными сравнительным способом изготовления (кодовые номера b1-b13), выдерживанием температур начала охлаждения после горячей прокатки и повторного нагрева, скоростей охлаждения, температур прекращения охлаждения, и величин максимального повышения температуры после прекращения охлаждения, скоростей охлаждения после повышения температуры, и температур прекращения охлаждения в ограниченных диапазонах, подавляется отпуск проэвтектоидной цементитной структуры, бейнитной структуры, мартенситной структуры и перлитной структуры, который оказывает вредное влияние на износостойкость или ударную вязкость, и тем самым получена перлитная структура, имеющая твердость в оптимальном диапазоне. В дополнение, поддержанием значения CMn/FMn равным или меньшим, чем постоянное значение, повышена износостойкость или ударная вязкость рельса.
[0115] ФИГ. 12 показывает взаимосвязь между содержанием углерода и величиной износа рельсовых сталей, полученных способом изготовления согласно настоящему изобретению (кодовые номера В1-В25), и рельсовых сталей, полученных сравнительным способом изготовления (кодовые номера b1, b3, b5-b8, b12 и b13). ФИГ. 13 показывает взаимосвязь между содержанием углерода и значением ударной вязкости рельсовых сталей, полученных способом изготовления согласно настоящему изобретению (кодовые номера В1-В25), и рельсовых сталей, полученных сравнительным способом изготовления (кодовые номера b2-b6 и b9-b12).
[0116] Как показано на ФИГ. 12 и 13, в рельсовых сталях, полученных способом изготовления согласно настоящему изобретению (кодовые номера В1-В25), по сравнению с рельсовыми сталями, полученными сравнительным способом изготовления (кодовые номера b1-b13), величины износа малы, и значения ударной вязкости повышены, когда уровни содержания углерода одинаковы. То есть, при любом содержании углерода износостойкость или ударная вязкость рельса являются повышенными.
Список кодовых обозначений
[0117]
1: верхняя часть головки
2: угловая часть головки
3: головная часть рельса
3а: поверхностная часть головки (область от поверхности угловой части головки и верхней части головки как исходной точки до глубины 10 мм)
3b: область от поверхности угловой части головки и верхней части головки как исходной точки до глубины 20 мм)
4: образец рельса
5: образец колеса (противоположный материал)
6: охлаждающее сопло