РЕЛЬС
RAIL

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к высокопрочному рельсу, используемому для грузовых железных дорог, имеющему улучшенную устойчивость к замедленному разрушению.
Испрашивается приоритет в соответствии с японской патентной заявкой № 2012-097584, поданной 23 апреля 2012, содержимое которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Предшествующий уровень техники
[0002] В соответствии с развитием экономики прилагаются усилия к тому, чтобы по-новому эксплуатировать природные ресурсы, такие как уголь. В частности, разработка месторождений в районах с тяжелыми природными условиями, которые до настоящего времени не эксплуатировались, находится в стадии реализации. Соответственно, на грузовых железных дорогах, которые транспортируют ресурсы, окружающая среда становится значительно более суровой. В результате появилась потребность в повышении сопротивления рельсов износу. Из вышеописанного уровня техники появилась потребность в разработке рельса, имеющего лучшее сопротивление износу, чем у использующихся в настоящее время высокопрочных рельсов.
[0003] Рельсы, описываемые ниже, были разработаны для того, чтобы улучшить сопротивление рельсов износу или устойчивость рельсов к поверхностным повреждениям. Основное свойство вышеописанных рельсов заключается в том, что для того, чтобы улучшить сопротивление износу путем увеличения количества углерода в стали, увеличивается объемная доля цементита в чешуйчатом перлите и соответственно увеличивается прочность (например, см. патентные документы 1 и 2). Альтернативно, для того, чтобы улучшить устойчивость к поверхностным повреждениям, а также сопротивление износу, достигается металлографическая структура, состоящая из бейнита, и прочность соответственно увеличивается (например, см. патентный документ 3).
[0004] Патентный документ 1 раскрывает рельс, имеющий превосходное сопротивление износу, в котором объемная доля цементита в ламелях в структуре перлита увеличивается путем использования заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и до 1,20 мас.%).
[0005] Патентный документ 2 раскрывает рельс, имеющий превосходное сопротивление износу, в котором объемная доля цементита в ламелях в структуре перлита увеличивается путем использования заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85 мас.% и до 1,20 мас.%), и аналогичным образом регулируется твердость.
[0006] Патентный документ 3 раскрывает рельс, имеющий улучшенное сопротивление износу и устойчивость к поверхностным повреждениям, в котором количество углерода устанавливается в диапазоне от 0,2 мас.% до 0,5 мас.%, а также добавляются марганец и хром для того, чтобы сформировать металлографическую структуру с бейнитом и улучшить прочность.
[0007] В методиках, раскрытых в патентных документах 1-3, увеличивается объемная доля цементита в перлитной структуре и одновременно увеличивается прочность. Альтернативно, формируется металлографическая структура с бейнитом для того, чтобы дополнительно увеличить прочность. Следовательно, сопротивление износу может быть улучшено. Однако, когда увеличивалась прочность, возрастал риск появления замедленного разрушения из-за остаточного водорода в стали, что создавало проблему увеличения вероятности поломки рельса.
[0008] Следовательно, имеется потребность в разработке высокопрочного рельса, в котором подавляется проявление замедленного разрушения, вызванного остаточным водородом. Для того, чтобы решить вышеописанную проблему, были разработаны высокопрочные рельсы, описанные ниже. В этих рельсах места накопления водорода рассеиваются путем увеличения числа мест улавливания водорода в стали. В дополнение к этому, замедленное разрушение в рельсах подавляется путем совершенствования структуры или путем подавления осаждения карбидов на границах зерен (например, см. патентные документы 4-6).
[0009] Патентные документы 4 и 5 раскрывают рельсы, в которых устойчивость к замедленному разрушению улучшается путем диспергирования включений типа А (например, сульфида марганца) или включений типа C (например, диоксида кремния или оксида кальция), определяемых в соответствии с японским промышленным стандартом JIS G 0202, которые являются местами улавливания водорода в перлитной структуре, и, кроме того, путем управления количеством водорода в стали.
[0010] Патентный документ 6 раскрывает рельс, имеющий превосходную устойчивость к замедленному разрушению, в который добавляется ниобий для измельчения бейнитной структуры и предотвращения осаждения карбидов внутри зерна.
[0011] Однако в методиках, раскрытых в патентных документах 4 и 5, включения, которые являются ловушками остаточного водорода, являются укрупненными в зависимости от компонентного состава, и устойчивость к замедленному разрушению перлитной стали улучшается недостаточно. Дополнительно к этому, имеется проблема в том, что включения служат точками инициирования усталости или разрушения в зависимости от типов включений, и вследствие этого становится вероятной поломка рельса. В дополнение к этому, в методике, раскрытой в патентном документе 6, существуют проблемы, заключающиеся в том, что структура измельчается недостаточно, или осаждение карбидов на границах зерен недостаточно подавляется вследствие добавления легирующих, эффекты являются неустойчивыми, и из-за добавления легирующих увеличиваются затраты.
[0012] Патентный документ 7 раскрывает рельс на основе перлита, в котором ударная вязкость и пластичность улучшаются путем использования оксида магния, оксида магния-алюминия, сульфида магния или включений, в которых сульфид марганца осаждается из вышеописанного оксида или сульфида в качестве ядра для того, чтобы улучшить устойчивость к усталостным повреждениям.
[0013] Однако в методике, раскрытой в патентном документе 7, к рельсу на основе перлита необходимо добавить 0,0004 мас.% или больше магния. Магний является элементом, имеющим высокое парциальное давление пара и имеющим недостаточное усвоение при добавлении к расплавленной стали. Следовательно, в методике, раскрытой в патентном документе 7, управление получением достаточного количества оксида магния, оксида магния-алюминия или сульфида магния является затруднительным, а также существует проблема увеличения затрат.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
[0014] [Патентный документ 1] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H08-144016
[Патентный документ 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H08-246100
[Патентный документ 3] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H09-296254
[Патентный документ 4] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № 2007-277716
[Патентный документ 5] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № 2008-50684
[Патентный документ 6] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H08-158014
[Патентный документ 7] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № 2003-105499
[Патентный документ 8] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H08-246100
[Патентный документ 9] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H09-111352
[Патентный документ 10] Японская нерассмотренная патентная заявка, первая публикация № H08-092645
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
[0015] Настоящее изобретение было создано с учетом вышеописанных проблем. Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить рельс, имеющий улучшенную устойчивость к замедленному разрушению, необходимую, в частности, для рельсов на грузовых железных дорогах, по которым перевозятся природные ресурсы.
Средства для решения задачи
[0016] (1) В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается рельс, включающий в себя: C: от 0,70 мас.% до 1,20 мас.%, Si: от 0,05 мас.% до 2,00 мас.%, Mn: от 0,10 мас.% до 2,00 мас.%, P: 0,0200 мас.% или меньше, S: больше чем 0,0100 мас.% и до 0,0250 мас.%, Al: от 0,0020 мас.% до 0,0100 мас.%, а также остаток, состоящий из железа и примесей, в котором 95% или больше структуры в той поверхностной части головки рельса, которая простирается от поверхностей угловых частей головки рельса и от верхней части головки рельса на глубину 20 мм, является бейнитной или перлитной структурой; и структура содержит от 20 до 200 сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм на квадратный миллиметр области при наблюдении на горизонтальном поперечном сечении рельса.
[0017] (2) В рельсе в соответствии с вышеупомянутым п. (1) содержание серы может находиться в диапазоне от 0,0130 мас.% до 0,0200 мас.%
[0018] (3) В рельсе в соответствии с вышеупомянутыми п. (1) или (2) содержание водорода может составлять 2,0 частей на миллион или меньше.
[0019] (4) В дополнение к этому, рельс в соответствии с любым из вышеупомянутых пп. (1)-(3) может дополнительно включать в себя один или более из следующих элементов: Ca: от 0,0005 мас.% до 0,0200 мас.%, РЗМ (редкоземельный металл): от 0,0005 мас.% до 0,0500 мас.%, Cr: от 0,01 мас.% до 2,00 мас.%, Mo: от 0,01 мас.% до 0,50 мас.%, Co: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%, B: от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%, Cu: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%, Ni: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%, V: от 0,005 мас.% до 0,50 мас.%, Nb: от 0,001 мас.% до 0,050 мас.%, Ti: от 0,0050 мас.% до 0,0500 мас.%, Zr: от 0,0001 мас.% до 0,0200 мас.% и N: от 0,0060 мас.% до 0,0200 мас.%
Эффекты настоящего изобретения
[0020] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения возможно улучшить устойчивость к замедленному разрушению рельса, используемого для грузовых железных дорог, по которым перевозятся природные ресурсы, и значительно увеличить срок их службы путем управления компонентами и структурой рельса и, кроме того, путем управления формой или количеством сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в стали вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра.
Краткое описание чертежей
[0021] Фиг. 1 представляет собой вид, иллюстрирующий соотношение между количеством мелких (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в стали вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, и пороговым значением напряжения замедленного разрушения.
Фиг. 2 представляет собой вид, иллюстрирующий названия поверхностных местоположений на поперечном сечении части головки рельса в соответствии с одним вариантом осуществления и областей, в которых требуются перлитная структура или бейнитная структура.
Фиг. 3 представляет собой вид, иллюстрирующий местоположение, в котором измеряются мелкие (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) сульфиды на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра.
Фиг. 4 представляет собой вид, иллюстрирующий соотношение между количествами мелких (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, и пороговыми значениями напряжения замедленного разрушения для рельсов по настоящему изобретению (ссылочные обозначения A1-A50), и сравнительных рельсов (ссылочные обозначения a7-22), описанных в таблицах 1-1 - 2-2.
Фиг. 5 представляет собой вид, иллюстрирующий количества мелких (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, и пороговые значения напряжения замедленного разрушения для рельсов по настоящему изобретению (ссылочные обозначения A14-A16, A17-A19, A22-A24, A28-A30, A32-A34, A35-A37, A38-A40, A41-A45 и A47-A49), описанных в таблицах 1-1 - 1-4 с использованием зависимости между управлением содержанием серы, оптимизацией содержания серы и управлением содержанием водорода.
Фиг. 6A представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую способ испытания на замедленное разрушение.
Фиг. 6B представляет собой вид, показывающий расположение рельса в способе испытания на замедленное разрушение, изображенном на фиг. 6A.
Варианты осуществления настоящего изобретения
[0022] Далее с использованием приложенных чертежей будет подробно описан один вариант осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим описанием, и специалист в данной области техники может легко понять, что форма и детали настоящего изобретения могут быть различными способами модифицированы без выхода за пределы смысла и области охраны настоящего изобретения. Следовательно, интерпретация настоящего изобретения не ограничивается описаниями варианта осуществления, приведенными ниже.
В качестве варианта осуществления будет подробно описан рельс, имеющий превосходную устойчивость к замедленному разрушению (в дальнейшем иногда называемый рельсом в соответствии с настоящим вариантом осуществления). Здесь и далее единицы измерения состава, мас.%, могут выражаться просто как %.
[0023] Сначала авторы настоящего изобретения изучили способ улучшения устойчивости рельса (стального рельса) к замедленному разрушению с использованием включений, которые являются местами улавливания водорода. В результате изучения простых включений, имеющих слабое влияние на различные свойства рельса, было выяснено, что мягкий сульфид на основе сульфида марганца, (сульфид, содержащий 80 мас.% или больше сульфида марганца) сформированный из серы, содержащейся в качестве примеси к железу, и марганца, обычно добавляемого в качестве упрочняющего элемента, не оказывает никакого влияния на ударную вязкость или усталостные свойства, и при этом является дешевым, и следовательно сульфиды на основе сульфида марганца являются перспективными местами улавливания водорода.
[0024] Затем было исследовано состояние формирования сульфидов на основе сульфида марганца в рельсе предшествующего уровня техники для того, чтобы использовать сульфиды на основе сульфида марганца в качестве мест улавливания водорода. В результате было установлено, что сульфиды на основе сульфида марганца классифицируются на относительно крупные сульфиды на основе сульфида марганца и относительные мелкие сульфиды на основе сульфида марганца, имеющие размер 5 мкм или меньше.
[0025] Для того, чтобы заставить сульфиды на основе сульфида марганца эффективно служить местами улавливания водорода, необходимо увеличить площадь поверхности между сульфидами на основе сульфида марганца, которые являются местами улавливания водорода, и основным металлом, находящимся в контакте с сульфидом на основе сульфида марганца, то есть измельчить сульфиды на основе сульфида марганца.
Следовательно, сначала было исследовано поведение формирования крупных сульфидов на основе сульфида марганца. В результате анализа стали в середине кристаллизации стало ясно, что сульфиды на основе сульфида марганца формируются из жидкой фазы в большинстве сталей и укрупняются в жидкой фазе до того, как сталь затвердеет (гамма-железо).
[0026] Авторы настоящего изобретения изучили способ для измельчения сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в жидкой фазе. В результате было установлено, что для того, чтобы измельчить сульфиды на основе сульфида марганца, требуются устойчивые ядра, ускоряющие формирование сульфидов на основе сульфида марганца в жидкой фазе. Основываясь на вышеописанном открытии, авторы обратили свое внимание на оксид, который устойчив при высокой температуре, и мелкозернистые оксиды были выбраны для того, чтобы использовать оксид в качестве ядер. К расплавленной стали, содержащей 1,0 мас.% углерода, добавлялось множество формирующих оксид элементов, исследуя таким образом поведение формирования оксидов и сульфидов на основе сульфида марганца. В результате было установлено, что когда добавляется определенное количество алюминия, и оксид на основе алюминия находится в жидкой фазе в мелкодиспергированном состоянии, возможно создать оксид на основе алюминия, имеющий постоянную кристаллической решетки, близкую к постоянной кристаллической решетке сульфида марганца, и который может служить ядром формирования сульфидов на основе сульфида марганца, и, следовательно, возможно измельчить сульфиды на основе сульфида марганца.
[0027] Затем авторы настоящего изобретения изучили содержание алюминия, необходимое для формирования мелкодиспергированного оксида на основе алюминия в жидкой фазе. В результате было установлено, что для того, чтобы предотвратить формирование крупнозернистого оксида на основе алюминия, имеющего отрицательное воздействие на различные свойства рельса, и сформировать достаточное количество мелкодисперсного оксида на основе алюминия в жидкой фазе, важно управлять содержанием алюминия так, чтобы оно находилось в определенном диапазоне.
[0028] На основе вышеописанного открытия авторы настоящего изобретения исследовали устойчивость к замедленному разрушению, как описано ниже. А именно, сначала была выплавлена сталь, содержащая 0,0010 мас.% алюминия и 0,0080 мас.% серы, и сталь, содержащая 0,0040 мас.% алюминия и 0,0105 мас.% серы, каждая из которых также содержала 1,0 мас.% углерода (0,2% кремния - 1,0% марганца) и 2,5 частей на миллион водорода в качестве основных компонентов, и из них изготавливались стальные образцы. Затем путем прокатки из образцов были изготовлены рельсы и была выполнена их термическая обработка, посредством чего были получены рельсы, имеющие перлитную или бейнитную структуру в поверхностной части головки рельса (в диапазоне от наружной поверхности головки рельса до глубины 20 мм). Затем рельсы, полученные, как описано выше, были подвергнуты трехточечному испытанию на изгиб, в котором растягивающее напряжение прикладывалось к головной части рельса, и была оценена устойчивость к замедленному разрушению. Устойчивость к замедленному разрушению оценивалась с использованием метода трехточечного изгиба (длина пролета: 1,5 м) так, чтобы растягивающее напряжение действовало на головную часть рельса. Условия нагрузки менялись в диапазоне от 200 МПа до 500 МПа, время прикладывания напряжения было установлено в 500 часов, и максимальное значение напряжения, при котором стальной образец не разрушался после прикладывания напряжения в течение более 500 часов, рассматривалось как пороговое значение напряжения замедленного разрушения.
[0029] В результате испытания на замедленное разрушение для стали, содержащей 0,0010 мас.% алюминия, что имеет место в случае, когда алюминий преднамеренно не добавляется во время обычного рафинирования рельса, и 0,0080 мас.% серы, что имеет место в случае рельса, полученного путем обычного рафинирования рельса, пороговое значение напряжения замедленного разрушения составило 220 МПа. Между тем для стали, содержащей 0,0040 мас.% алюминия и 0,0105 мас.% серы, пороговое значение напряжения замедленного разрушения составило 330 МПа. Таким образом, было установлено, что когда количество алюминия и серы увеличивается, количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, увеличивается, и устойчивость к замедленному разрушению повышается.
[0030] Кроме того, авторы настоящего изобретения изучили способ для дальнейшего повышения устойчивости к замедленному разрушению. Была выплавлена сталь, содержащая 1,0 мас.% углерода (0,2% кремния - 1,0% марганца - 0,0040% алюминия) и 2,5 частей на миллион водорода в качестве основных компонентов и имеющая переменное содержание серы 0,0105 мас.% и 0,0150 мас.%, соответственно, после чего путем прокатки были изготовлены рельсы и была выполнена их термическая обработка, посредством чего были получены рельсы, имеющие перлитную или бейнитную структуру в поверхностной части головки рельса. Затем полученные рельсы были подвергнуты трехточечному испытанию на изгиб, в котором растягивающее напряжение прикладывалось к головной части рельса, и была оценена устойчивость к замедленному разрушению.
[0031] В результате для рельса, содержащего 0,0105 мас.% серы, пороговое значение напряжения замедленного разрушения составило 330 МПа, а для рельса, содержащего 0,0150 мас.% серы, пороговое значение напряжения замедленного разрушения составило 380 МПа. Таким образом, было подтверждено, что когда содержание серы увеличивается, количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, которые является местом улавливания водорода, дополнительно увеличивается, и устойчивость к замедленному разрушению повышается.
[0032] В дополнение к управлению содержанием сульфида на основе сульфида марганца, авторы настоящего изобретения изучили способ дополнительного улучшения устойчивости к замедленному разрушению. В результате было подтверждено, что когда количество водорода (содержание водорода) поддерживается на уровне 2,0 частей на миллион или меньше путем интенсификации вторичного рафинирования (дегазации) расплавленной стали или применения дегидрогенизирующей обработки на этапе стального образца, пороговое значение напряжения замедленного разрушения повышается вплоть до 450 МПа, и устойчивость к замедленному разрушению дополнительно повышается.
[0033] Фиг. 1 иллюстрирует соотношение между количеством мелкодисперсных (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в стали вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, и пороговым значением напряжения замедленного разрушения. Количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, измерялось с использованием оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа после взятия образца на глубине от 10 мм до 20 мм от поверхности головной части рельса и полирования его горизонтального поперечного сечения. Количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца (размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм) после измерения было преобразовано в количество включений на квадратный миллиметр. Горизонтальное поперечное сечение означает поперечное сечение, полученное путем разрезания рельса в направлении, перпендикулярном продольному направлению, как проиллюстрировано на фиг. 3, описанной ниже.
[0034] Когда содержание серы поддерживается в предопределенном диапазоне, а затем содержание алюминия увеличивается, количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца увеличивается, и пороговое значение напряжения увеличивается, как проиллюстрировано на фиг. 1. В дополнение к этому, когда содержание серы увеличивается далее, количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца увеличивается еще больше, и соответственно увеличивается пороговое значение напряжения. В дополнение к этому, когда количество водорода в стали поддерживается на уровне 2,0 частей на миллион или меньше, пороговое значение напряжения еще более повышается.
[0035] Таким образом, рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления относится к рельсу с улучшенной устойчивостью к замедленному разрушению, используемому для грузовых железных дорог и имеющему значительно увеличенный срок службы за счет управления химическими компонентами и структурой, а также управления формой или количеством сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в стали вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра. При этом в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления возможно дополнительно улучшить устойчивость к замедленному разрушению, увеличивая содержание серы и уменьшая количество водорода.
[0036] Далее будут описаны причины ограничений состава стального рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Здесь и далее единицы измерения состава стали, мас.%, могут выражаться просто как %.
[0037] (1) Причины ограничения химических компонентов стали (состава стали)
Далее будут подробно описаны причины ограничения химических компонентов стали в вышеописанных числовых диапазонах в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
[0038] C: от 0,70 мас.% до 1,20 мас.%
Углерод является эффективным элементом для ускорения перлитного превращения в структуре стали и гарантирования сопротивления рельса износу. В дополнение к этому, углерод является необходимым элементом для поддержания прочности бейнитной структуры. Когда содержание углерода составляет меньше чем 0,70 мас.%, формируется мягкая проэвтектоидная ферритная структура, в которой с большой вероятностью будет сохранена деформация, и становится вероятным появление замедленного разрушения. В дополнение к этому, когда содержание углерода составляет менее 0,70 мас.%, в системе компонентов рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления становится невозможным поддерживать минимальную прочность или сопротивление износу, требуемое для рельсов. С другой стороны, когда содержание углерода превышает 1,20 мас.%, формируется большое количество проэвтектоидной цементитной структуры, имеющей низкую ударную вязкость, и становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание углерода ограничивается диапазоном от 0,70 мас.% до 1,20 мас.%. При этом для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры или бейнитной структуры и улучшить устойчивость к замедленному разрушению, нижний предел содержания углерода желательно установить в 0,80 мас.%, а верхний предел содержания углерода желательно установить в 1,10 мас.%.
[0039] Si: от 0,05 мас.% до 2,00 мас.%
Кремний является элементом, который формирует твердый раствор в феррите в перлитной структуре или основную ферритную структуру в бейнитной структуре, увеличивает твердость (прочность) головной части рельса и улучшает сопротивление износу. Кроме того, кремний является элементом, который подавляет формирование проэвтектоидной цементитной структуры, имеющей низкую ударную вязкость, и подавляет появление замедленного разрушения в заэвтектоидной стали. Однако, когда содержание кремния составляет меньше чем 0,05 мас.%, вышеописанные эффекты проявляются недостаточно. С другой стороны, когда содержание кремния превышает 2,00 мас.%, во время горячей прокатки образуется множество поверхностных дефектов. Кроме того, когда содержание кремния превышает 2,00 мас.%, значительно увеличивается прокаливаемость, в поверхностной части головки рельса формируется мартенситная структура, имеющая низкую ударную вязкость, и становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание кремния ограничивается диапазоном от 0,05 мас.% до 2,00 мас.%. При этом для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры или бейнитной структуры и улучшить устойчивость к замедленному разрушению, нижний предел содержимого кремния желательно установить в 0,10 мас.%, а верхний предел содержимого кремния желательно установить в 1,50 мас.%.
[0040] Mn: от 0,10 мас.% до 2,00 мас.%
Марганец является элементом, который улучшает прокаливаемость, стабилизирует формирование перлита, и одновременно уменьшает расстояние между ламелями в перлитной структуре. Кроме того, марганец является элементом, который стабилизирует формирование бейнита, одновременно уменьшая температуру фазового превращения, гарантирует твердость перлитной структуры или бейнитной структуры, и улучшает сопротивление износу. Однако, когда содержание марганца составляет менее 0,10 мас.%, этот эффект является незначительным. В дополнение к этому, когда содержание марганца составляет менее 0,10 мас.%, происходит формирование мягкой проэвтектоидной ферритной структуры, в которой с большой вероятностью будет сохранена деформация, и становится трудным гарантировать сопротивление износу или устойчивость к замедленному разрушению. С другой стороны, когда содержание марганца превышает 2,00 мас.%, значительно увеличивается прокаливаемость, в поверхностной части головки рельса формируется мартенситная структура, имеющая отрицательное воздействие на ударную вязкость, и становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание марганца ограничивается диапазоном от 0,10 мас.% до 2,00 мас.%. При этом для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры или бейнитной структуры и улучшить устойчивость к замедленному разрушению, нижний предел содержимого марганца желательно установить в 0,20 мас.%, а верхний предел содержимого марганца желательно установить в 1,50 мас.%.
[0041] P: от 0,0200% или меньше
Фосфор является элементом, неизбежно содержащимся в стали. Обычно, когда рафинирование выполняется в конвертере, содержание фосфора поддерживается в диапазоне от 0,0020 мас.% до 0,0300 мас.% Однако, когда содержание фосфора превышает 0,0200 мас.%, ударная вязкость перлитной структуры уменьшается, и вероятность появления замедленного разрушения становится очень большой. Следовательно, в настоящем варианте осуществления содержание фосфора ограничивается величиной 0,0200 мас.% или меньше. Когда содержание фосфора уменьшается, ударная вязкость перлитной структуры улучшается, и замедленное разрушение может быть подавлено. Так как желательно минимальное содержание фосфора, нижний предел содержания фосфора не определяется. Однако, даже когда содержание фосфора уменьшается до уровня меньше чем 0,0030 мас.%, нет никакого дополнительного повышения устойчивости к замедленному разрушению. Кроме того, при этом затраты на рафинирование увеличиваются, а экономическая эффективность уменьшается. Следовательно, нижний предел содержания фосфора желательно установить в 0,0030 мас.%. Для того, чтобы подавить уменьшение ударной вязкости перлитной структуры и в достаточной степени подавить замедленное разрушение, нижний предел содержания фосфора желательно установить в 0,0050 мас.%, а верхний предел содержания фосфора желательно установить в 0,0150 мас.% с учетом экономической эффективности.
[0042] S: больше чем 0,0100 мас.% и до 0,0250 мас.%
Сера является элементом, неизбежно содержащимся в стали. Обычно, когда рафинирование выполняется в конвертере, содержание серы снижается до уровня от 0,0030 мас.% до 0,0300 мас.%. Однако имеется корреляция между содержанием серы и количеством образуемого сульфида на основе сульфида марганца, и когда содержание серы увеличивается, количество мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, увеличивается, и поэтому в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления содержание серы устанавливается больше чем 0,0100 мас.%. Когда содержание серы составляет 0,0100 мас.% или меньше, увеличения количества образуемого мелкодисперсного сульфида на основе сульфида марганца не происходит. С другой стороны, когда содержание серы превышает 0,0250 мас.%, образуется концентрация напряжений или хрупкость структуры из-за укрупнения сульфида на основе сульфида марганца или увеличения плотности формирования, и становится вероятной поломка рельса. Следовательно, содержание серы следует ограничить диапазоном больше чем 0,0100 мас.% и до 0,0250 мас.%. При этом для того, чтобы дополнительно ускорить формирование мелкодисперсного сульфида на основе сульфида марганца и предотвратить укрупнение сульфида на основе сульфида марганца, нижний предел содержания серы желательно установить в 0,0130 мас.%, а верхний предел содержания серы желательно установить в 0,0200 мас.% или меньше.
[0043] Al: от 0,0020 мас.% до 0,0100 мас.%
Алюминий служит в качестве ядра для формирования сульфида на основе сульфида марганца в жидкой фазе и является существенным элементом для тонкого диспергирования сульфида на основе сульфида марганца. Когда содержание алюминия составляет меньше чем 0,0020 мас.%, количество сформированного оксида на основе алюминия является небольшим, и роль алюминия в качестве ядра формирования сульфида на основе сульфида марганца в жидкой фазе является недостаточной. Следовательно, становится трудным обеспечить тонкое диспергирование сульфида на основе сульфида марганца, описанное в настоящем варианте осуществления. В результате также становится трудным гарантировать устойчивость к замедленному разрушению. С другой стороны, когда содержание алюминия превышает 0,0100 мас.%, количество алюминия становится чрезмерным, количество сульфидов на основе сульфида марганца также становится чрезмерным, следовательно, структура становится хрупкой, и становится трудным гарантировать устойчивость к замедленному разрушению. Кроме того, когда содержание алюминия является чрезмерным, оксид на основе алюминия формируется в форме кластера, и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, содержание алюминия ограничивается диапазоном от 0,0020 мас.% до 0,0100 мас.%. При этом для образования ядер для формирования сульфида на основе сульфида марганца и предотвращения кластеризации оксида на основе алюминия содержание алюминия желательно установить в диапазоне от 0,0030 мас.% до 0,0080 мас.%. При этом во время обычного улучшения рельса менее 0,0020 мас.% алюминия переходит в сталь из сырья или огнеупора. Следовательно, содержание алюминия в диапазоне от 0,0020 мас.% или больше представляет собой намеренное добавление алюминия на стадии рафинирования.
[0044] H: 2,0 частей на миллион (0,0002 мас.%) или меньше
Водород является элементом, вызывающим замедленное разрушение. Когда содержание водорода в стальной заготовке перед горячей прокаткой рельса превышает 2,0 частей на миллион, содержание водорода, накопленное на границе между сульфидами на основе сульфида марганца и основным металлом, увеличивается и становится вероятным проявление замедленного разрушения. Следовательно, в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления содержание водорода предпочтительно устанавливается равным 2,0 частей на миллион или меньше. При этом нижний предел содержания водорода не ограничивается; однако, когда во внимание принимается возможность вторичного рафинирования (дегазации) на стадии очистки или возможность дегидрогенизационной обработки стальной заготовки, содержание водорода на уровне приблизительно 1,0 частей на миллион можно считать пределом для реального производства.
[0045] В дополнение к этому, в рельс, имеющий вышеописанный состав компонентов, по мере необходимости могут быть добавлены кальций, РЗМ, хром, молибден, кобальт, бор, медь, никель, ванадий, ниобий, титан, цирконий и азот в дополнение к вышеописанным элементам с целью повышения устойчивости к замедленному разрушению путем тонкого диспергирования оксида на основе алюминия и сульфида на основе сульфида марганца, повышения сопротивления износу путем увеличения твердости (прочности) перлитной структуры или бейнитной структуры, повышения ударной вязкости, предотвращения размягчения зон термического воздействия, управления поперечным распределением твердости в части головки рельса и подобного. В случае, когда добавляются вышеописанные элементы, их желательное количество в рельсе будет описано ниже.
Добавлять вышеописанные химические элементы к стальному листу не всегда является необходимым, и поэтому нижние пределы содержания для всех химических элементов равны нулю и не ограничиваются. В дополнение к этому, когда кальций, РЗМ, хром, молибден, кобальт, бор, медь, никель, ванадий, ниобий, титан, цирконий и азот содержатся в количестве меньшем, чем нижние пределы, описанные ниже, эти элементы рассматриваются как примеси.
[0046] Кальций подавляет кластеризацию оксида на основе алюминия и тонко диспергирует сульфид на основе сульфида марганца. РЗМ разбивает соединительную секцию кластеров оксида на основе алюминия и тонко диспергирует сульфид на основе сульфида марганца. Хром и молибден повышают температуру равновесной точки преобразования, уменьшают расстояние между ламелями перлитной структуры или измельчают бейнитную структуру, а также повышают твердость. Кобальт измельчает основную ферритную структуру на изнашиваемой поверхности и увеличивает твердость изнашиваемой поверхности. Бор уменьшает зависимость температуры перлитного фазового превращения от скорости охлаждения и делает однородным распределение твердости в головной части рельса. В дополнение к этому, бор улучшает прокаливаемость бейнитной структуры и улучшает твердость. Медь формирует твердый раствор в феррите в перлитной структуре или бейнитной структуре и увеличивает твердость. Никель улучшает ударную вязкость и твердость перлитной структуры или бейнитной структуры и одновременно предотвращает размягчение нагреваемых зон при сварном соединении. Ванадий, ниобий и титан подавляют рост аустенитных частиц, используя карбид или нитрид, образуемый во время горячей прокатки или во время процесса последующего охлаждения. Кроме того, ванадий, ниобий и титан улучшают ударную вязкость и твердость перлитной структуры или бейнитной структуры, используя дисперсионное упрочнение. В дополнение к этому, ванадий, ниобий и титан устойчиво образуют карбид или нитрид во время повторного нагревания и предотвращают размягчение нагреваемых зон в сварном соединении. Цирконий увеличивает долю равноосных частиц (получаемую путем деления ширины сформированных равноосных частиц в направлении толщины литого сляба на толщину литого сляба) в литой структуре, подавляя тем самым формирование полосы сегрегации в центральной части литой заготовки и подавляя формирование проэвтектоидной цементитной структуры или мартенситной структуры. Азот выделяется на границах аустенитного зерна, ускоряя тем самым перлитное превращение или бейнитное превращение и измельчая перлитную структуру или бейнитную структуру. Получение вышеописанных эффектов является главной целью добавления кальция, РЗМ, хрома, молибдена, кобальта, бора, меди, никеля, ванадия, ниобия, титана, циркония и азота.
[0047] Ca: от 0,0005 мас.% до 0,0200 мас.%
Кальций является сильным раскисляющим элементом, а также является элементом, который при добавлении преобразует оксид на основе алюминия в оксид на основе CaOAl или оксида кальция, предотвращая тем самым кластеризацию или укрупнение оксида на основе алюминия и ускоряя формирование мелкодисперсного сульфида на основе сульфида марганца. Однако, когда содержание кальция составляет менее 0,0005 мас.%, эти эффекты являются незначительными. Следовательно, для того, чтобы получить вышеописанный эффект, нижний предел содержания кальция желательно установить в 0,0005 мас.% С другой стороны, когда содержание кальция превышает 0,0200 мас.%, образуется крупнозернистый оксид кальция, и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, верхний предел содержания кальция желательно установить в 0,0200 мас.%.
[0048] РЗМ: от 0,0005 мас.% до 0,0500 мас.%
Редкоземельные металлы являются самыми сильными раскисляющими элементами, а также являются элементами, которые уменьшают кластеризацию оксида на основе алюминия так, чтобы измельчить оксид на основе алюминия, ускоряя тем самым формирование мелкодисперсного сульфида на основе сульфида марганца. Однако, когда содержание редкоземельного металла составляет меньше чем 0,0005 мас.%, этот эффект является незначительным, и роль редкоземельного металла в качестве ядра формирования сульфида на основе сульфида марганца является недостаточной. Следовательно, в случае добавления редкоземельного металла содержание редкоземельного металла желательно установить равным 0,0005 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание редкоземельного металла превышает 0,0500 мас.%, образуется твердый оксисульфид редкоземельного металла (PЗM2O2S), и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, верхний предел содержимого редкоземельного металла желательно ограничить величиной 0,0500 мас.%.
[0049] Термин «редкоземельный металл» (РЗМ) относится к редкому щелочноземельному металлу, такому как церий, лантан, празеодим или неодим. Содержание РЗМ определяет полное содержание всех редкоземельных металлов. Когда сумма содержаний всех редкоземельных металлов находится в пределах вышеописанного диапазона, те же самые эффекты могут быть получены независимо от количества содержащихся редкоземельных металлов (один, два или больше).
[0050] Cr: от 0,01 мас.% до 2,00 мас.%
Хром является элементом, который увеличивает равновесную температуру фазового превращения и уменьшает расстояние между ламелями в перлитной структуре путем увеличения степени переохлаждения. В дополнение к этому, хром является элементом, который уменьшает температуру бейнитного фазового превращения и повышает твердость (прочность) перлитной структуры или бейнитной структуры. Однако, когда содержание хрома составляет менее 0,01 мас.%, этот эффект является незначительным, и эффекта повышения твердости рельса не наблюдается. Следовательно, в случае добавления хрома содержание хрома желательно установить на уровне 0,01 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание хрома превышает 2,00 мас.%, значительно повышается прокаливаемость, и мартенситная структура, имеющая отрицательное воздействие на ударную вязкость, формируется в поверхностной части головки рельса и подобном, так что становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание хрома желательно ограничить диапазоном от 0,01 мас.% до 2,00 мас.%.
[0051] Mo: от 0,01 мас.% до 0,50 мас.%
Аналогично хрому, молибден является элементом, который увеличивает равновесную температуру фазового превращения и уменьшает расстояние между ламелями в перлитной структуре, увеличивая степень переохлаждения. В дополнение к этому, молибден является элементом, который стабилизирует бейнитное превращение и повышает твердость (прочность) перлитной структуры или бейнитной структуры. Однако, когда содержание молибдена составляет менее 0,01 мас.%, этот эффект является незначительным, и эффекта повышения твердости рельса не наблюдается. Следовательно, в случае добавления молибдена содержание молибдена желательно установить равным 0,01 мас.% или больше. С другой стороны, когда молибден добавляется чрезмерно и содержание молибдена превышает 0,50 мас.%, скорость превращения значительно уменьшается, и мартенситная структура, имеющая отрицательное воздействие на ударную вязкость, формируется в поверхностной части головки рельса и подобном, так что становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание молибдена желательно ограничить диапазоном от 0,01 мас.% до 0,50 мас.%.
[0052] Co: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
Кобальт является элементом, который формирует твердый раствор в феррите в перлитной структуре или основную ферритную структуру в бейнитной структуре, и дополнительно измельчает мелкодисперсную ферритную структуру, формируемую контактом с колесом на изнашиваемой поверхности головки рельса, увеличивая тем самым твердость ферритной структуры и улучшая сопротивление износу. Однако когда содержание кобальта составляет меньше чем 0,01 мас.%, измельчения ферритной структуры не достигается, и эффекта повышения сопротивления износу не наблюдается. Следовательно, в случае добавления кобальта содержание кобальта желательно установить равным 0,01 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание кобальта превышает 1,00 мас.%, вышеописанные эффекты насыщаются, и поэтому измельчения ферритной структуры в соответствии с увеличением содержания не происходит, а экономическая эффективность уменьшается из-за увеличения дополнительных затрат на легирование. Следовательно, содержание кобальта желательно ограничить диапазоном от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%.
[0053] B: от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%
Бор является элементом, который формирует борокарбид железа (Fe23(CB)6) внутри аустенитного зерна и уменьшает зависимость температуры перлитного превращения от скорости охлаждения посредством эффекта ускорения перлитного превращения. В дополнение к этому, в результате во внутренней части рельса от поверхности головной части рельса придается более однородное распределение твердости, что дает возможность увеличить срок службы рельса. Кроме того, бор улучшает прокаливаемость бейнитной структуры и улучшает твердость бейнитной структуры. Однако, когда содержание бора составляет менее 0,0001 мас.%, этот эффект является недостаточным и не происходит никакого улучшения распределения твердости в головной части рельса. Следовательно, в случае добавления бора содержание бора желательно установить равным 0,0001 мас.% или больше. С другой стороны, когда содержание бора превышает 0,0050 мас.%, формируется крупнозернистый борокарбид железа и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, содержание бора желательно ограничить диапазоном от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%.
[0054] Медь: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
Медь является элементом, который образует твердый раствор в феррите в перлитной структуре или основную ферритную структуру в бейнитной структуре и улучшает твердость (прочность) посредством упрочнения твердого раствора, улучшая тем самым сопротивление рельса износу. Однако, когда содержание меди составляет менее 0,01 мас.%, этот эффект является незначительным. С другой стороны, когда содержание меди превышает 1,00 мас.%, мартенситная структура, имеющая отрицательное воздействие на ударную вязкость, формируется в поверхностной части головки рельса и подобном из-за значительного увеличения прокаливаемости, и становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание меди желательно ограничить диапазоном от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%.
[0055] Ni: от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%
Никель является элементом, который улучшает ударную вязкость перлитной структуры или бейнитной структуры и одновременно улучшает твердость (прочность) посредством упрочнения твердого раствора, повышая тем самым сопротивление рельса износу. Кроме того, никель образует вместе с титаном интерметаллическое соединение Ni3Ti, мелкодисперсно осаждается в нагреваемых зонах и подавляет их размягчение посредством дисперсионного упрочнения. В дополнение к этому никель является элементом, который подавляет межчастичное охрупчивание в стали с добавкой меди. Однако, когда содержание никеля составляет меньше чем 0,01 мас.%, этот эффект становится чрезвычайно малым. С другой стороны, когда содержание никеля превышает 1,00 мас.%, мартенситная структура, имеющая отрицательное воздействие на ударную вязкость, образуется в поверхностной части головки рельса и подобном благодаря значительному увеличению прокаливаемости, и становится вероятным появление замедленного разрушения. Следовательно, содержание никеля ограничивается диапазоном от 0,01 мас.% до 1,00 мас.%.
[0056] V: от 0,005 мас.% до 0,50 мас.%
Ванадий представляет собой элемент, который осаждается в форме карбидов ванадия или нитридов ванадия в случае выполнения обычной горячей прокатки или термической обработки, в которой сталь нагревается до высокой температуры. Осажденный карбид ванадия или нитрид ванадия измельчают аустенитные зерна, используя эффект закрепления, и улучшают ударную вязкость перлитной структуры или бейнитной структуры. Кроме того, карбид ванадия и нитрид ванадия, сформированные в процессе охлаждения после горячей прокатки, увеличивают твердость (прочность) перлитной структуры или бейнитной структуры, используя дисперсионное упрочнение, и улучшают сопротивление износу. В дополнение к этому, поскольку ванадий образует в нагреваемых зонах карбид ванадия или нитрид ванадия в диапазоне относительно высоких температур, которые равны или ниже температуры точки Ac1, ванадий является эффективным элементом для предотвращения размягчения нагреваемых зон в сварном соединении. Однако, когда содержание ванадия составляет меньше чем 0,005 мас.%, вышеописанный эффект является недостаточным, и ударная вязкость или твердость (прочность) не улучшаются. С другой стороны, когда содержание ванадия превышают 0,50 мас.%, дисперсионное упрочнение карбидом ванадия или нитридом ванадия становится чрезмерным, перлитная структура или бейнитная структура становится хрупкой, и ударная вязкость рельса уменьшается. Следовательно, содержание ванадия желательно ограничить диапазоном от 0,005 мас.% до 0,50 мас.%.
[0057] Nb: от 0,001 мас.% до 0,050 мас.%
Аналогично ванадию, ниобий является элементом, который осаждается в форме карбида ниобия или нитрида ниобия. В случае выполнения обычной горячей прокатки или термической обработки, в которой сталь нагревается до высокой температуры, карбид ниобия или нитрид ниобия измельчают аустенитные зерна, используя эффект закрепления, и улучшают ударную вязкость перлитной структуры или бейнитной структуры. Кроме того, нитрид ниобия и карбид ниобия, сформированные в процессе охлаждения после горячей прокатки, увеличивают твердость (прочность) перлитной структуры или бейнитной структуры, используя дисперсионное упрочнение, и улучшают сопротивление износу. В дополнение к этому, поскольку ниобий устойчиво образует в нагреваемых зонах карбид ниобия или нитрид ниобия в широком диапазоне температур от низкотемпературного диапазона до высокотемпературного диапазона, которые равны или ниже температуры точки Ac1, ниобий является эффективным элементом для предотвращения размягчения нагреваемых зон при сварном соединении. Однако, когда содержание ниобия составляет меньше чем 0,001 мас.%, вышеописанный эффект является недостаточным, и ударная вязкость или твердость (прочность) перлитной структуры не улучшаются. С другой стороны, когда содержание ниобия превышает 0,050 мас.%, дисперсионное упрочнение карбидом ниобия или нитридом ниобия становится чрезмерным, перлитная структура или бейнитная структура становится хрупкой, и ударная вязкость рельса уменьшается. Следовательно, содержание ниобия желательно ограничить диапазоном от 0,001 мас.% до 0,050 мас.%.
[0058] Ti: от 0,0050 мас.% до 0,0500 мас.%
Титан является элементом, который осаждается в форме карбида титана или нитрида титана в случае выполнения обычной горячей прокатки или термической обработки, в которой сталь нагревается до высокой температуры. Нитрид титана или карбид титана измельчают аустенитные зерна, используя эффект закрепления, и улучшают ударную вязкость перлитной структуры или бейнитной структуры. Кроме того, нитрид титана и карбид титана, сформированные в процессе охлаждения после горячей прокатки, увеличивают твердость (прочность) перлитной структуры или бейнитной структуры, используя дисперсионное упрочнение, и улучшают сопротивление износу. В дополнение к этому, титан измельчает структуры в зонах, нагреваемых до аустенитного диапазона, используя тот факт, что карбид титана или нитрид титана, осаждаемые во время повторного нагревания при сварке, не плавятся, и является эффективным элементом для предотвращения хрупкости участка сварного соединения. Однако, когда содержание титана составляет меньше чем 0,0050 мас.%, вышеописанный эффект не может быть получен в достаточной степени. С другой стороны, когда содержание титана превышает 0,0500 мас.%, формируется крупнозернистый карбид титана или нитрид титана, и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, содержание титана желательно ограничить диапазоном от 0,0050 мас.% до 0,0500 мас.%.
[0059] Zr: от 0,0001 мас.% до 0,0200 мас.%
Цирконий является элементом, который образует в стали включения с кислородом на основе ZrO2. Так как включения на основе ZrO2 имеют благоприятную совместимость кристаллической решетки с гамма-железом, включения на основе ZrO2 служат зародышами кристаллизации высокоуглеродистого рельса, в котором гамма-железо является первичной отверждаемой фазой, и увеличивают долю равноосных частиц в литой структуре. Таким образом, цирконий является элементом, который подавляет формирование полосы сегрегации в центральной части литой стальной заготовки и подавляет формирование мартенситной структуры или проэвтектоидной цементитной структуры в зоне сегрегации рельса. Однако, когда содержание циркония составляет меньше чем 0,0001 мас.%, количество включений на основе ZrO2 уменьшается, и роль включений на основе ZrO2 в качестве зародышей кристаллизации становится недостаточной. В результате в зоне сегрегации рельса формируются мартенсит или проэвтектоидная структура, и становится невозможным в достаточной степени улучшить ударную вязкость рельса. С другой стороны, когда содержание циркония превышает 0,0200 мас.%, формируется большое количество крупнозернистых включений на основе ZrO2, и становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, содержание циркония желательно ограничить диапазоном от 0,0001 мас.% до 0,0200 мас.%.
[0060] N: от 0,0060 мас.% до 0,0200 мас.%
Азот является эффективным элементом для улучшения ударной вязкости, главным образом, за счет измельчения структуры посредством сегрегации на границах аустенитного зерна и ускорения перлитного превращения или бейнитного превращения от границ аустенитного зерна. В дополнение к этому, азот является элементом, который ускоряет осаждение нитрида ванадия или нитрида алюминия при его добавлении вместе с ванадием или алюминием. Нитрид ванадия или нитрид алюминия является эффективным для улучшения ударной вязкости перлитной структуры или бейнитной структуры путем измельчения аустенитных частиц с использованием эффекта закрепления в случае выполнения обычной горячей прокатки или термической обработки, в которой сталь нагревается до высокой температуры. Однако, когда содержание азота составляет меньше чем 0,0060 мас.%, вышеописанный эффект является слабым. С другой стороны, когда содержание азота превышает 0,0200 мас.%, становится трудным сформировать твердый раствор в стали, образуются воздушные пузырьки, служащие исходной точкой для усталостного повреждения, и становится вероятной поломка рельса. Следовательно, содержание азота желательно ограничить диапазоном от 0,0060 мас.% до 0,0200 мас.%.
[0061] Рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления может дополнительно содержать, кроме вышеописанных элементов в качестве примесей, другие элементы, при условии, что это не ухудшает свойств рельса. Примеры таких примесей включают в себя примеси, содержащиеся в сырье, таком как руда или металлолом, а также примеси, попадающие в сталь на стадии производства.
[0062] Рельс, имеющий вышеописанный компонентный состав, производится путем выплавки стали в обычно используемой плавильной печи, такой как конвертер или электропечь, отливки слитка из расплавленной стали, прокатки на блюминге или непрерывной отливки стальных слитков с последующей горячей прокаткой этих слитков. Кроме того, с целью управления металлографической структурой в верхней части головки рельса по мере необходимости выполняется термическая обработка.
[0063] (2) Причина ограничения металлографической структуры
Далее будет подробно описана причина ограничения металлографической структуры стали в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления.
В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления важно, чтобы поверхностная часть головки рельса, главным образом, включала в себя перлитную структуру или бейнитную структуру.
[0064] Сначала будет описана причина ограничения структуры перлитной структурой или бейнитной структурой.
В той поверхностной части головки рельса, которая входит в контакт с колесом, самым важным является гарантировать сопротивление износу и устойчивость к усталостному повреждению от качения. В результате исследования зависимости между металлографической структурой и вышеописанными свойствами было подтверждено, что самыми благоприятными эти свойства являются в перлитной структуре и бейнитной структуре. Кроме того, что касается устойчивости к замедленному разрушению, также было подтверждено испытаниями, что при использовании перлитной структуры и бейнитной структуры устойчивость к замедленному разрушению не ухудшается. Следовательно, структура в поверхностной части головки рельса была ограничена перлитной структурой или бейнитной структурой с целью обеспечения сопротивления износу, устойчивости к усталостному повреждению от качения и устойчивости к замедленному разрушению.
[0065] Отличительное использование перлитной структуры и бейнитной структуры особенно не ограничивается, но перлитная структура желательна для таких путей, в которых важно сопротивление износу, а бейнитная структура желательна для таких путей, в которых важна устойчивость к усталостным повреждениям от качения. В дополнение к этому может использоваться смешанная структура из обеих этих структур.
[0066] Фиг. 2 иллюстрирует обозначение поверхностных местоположений на поперечном сечении головной части рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления и областей, в которых требуются перлитная структура или бейнитная структура. Секция 3 головки рельса включает в себя верхнюю часть 1 головки рельса и угловые части 2 головки рельса, расположенные в обоих концах верхней части 1 головки рельса. Одна из угловых секций 2 головки рельса является секцией угла железнодорожной колеи (GC- gauge corner), которая, главным образом, входит в контакт с колесом.
[0067] Диапазон от поверхностей угловых секций 2 головки рельса и поверхности верхней части 1 головки рельса в качестве исходной точки до глубины 20 мм называют поверхностной частью головки рельса (3a - заштрихованная секция). Как проиллюстрировано на фиг. 2, когда перлитная структура или бейнитная структура располагаются в поверхностной части головки рельса, которая является диапазоном от поверхностей угловых секций 2 головки рельса и поверхности верхней части 1 головки рельса в качестве исходной точки до глубины 20 мм, обеспечиваются сопротивление рельса износу и устойчивость к усталостным повреждениям от качения, а также улучшается устойчивость к замедленному разрушению.
[0068] Следовательно, желательно расположить перлитную структуру или бейнитную структуру в поверхностной части головки рельса, в которой рельс, главным образом, входит в контакт с колесом, и в которой требуется устойчивость к замедленному разрушению. Другие части, не требующие вышеописанных свойств, могут включать в себя другие металлографические структуры, кроме перлитной структуры и бейнитной структуры.
[0069] Твердость вышеописанных металлографических структур особенно не ограничивается. Твердость желательно регулировать в зависимости от условий строящегося пути. При этом твердость HV желательно поддерживать в диапазоне приблизительно от 300 до 500 в единицах твердости по Виккерсу для того, чтобы гарантировать достаточную степень сопротивления износу или устойчивости к усталостным повреждениям от качения. Желательным способом для получения перлитной структуры или бейнитной структуры, имеющей твердость HV в диапазоне от 300 до 500 по Виккерсу, является следующий: выбирается подходящий сплав, и выполняется ускоренное охлаждение нагретой до высокой температуры головной части рельса, в которой присутствует аустенитная область, сформированная при горячей прокатке или при повторном нагреве. Когда в качестве способа для ускоренного охлаждения используется способ, описанный в патентных документах 8, 9, 10 и подобных, становится возможным получить заданную структуру и твердость.
[0070] Желательно, чтобы металлографическая структура поверхностной части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления состояла из ограниченной выше перлитной структуры и/или бейнитной структуры. Однако, в зависимости от системы компонентов рельса или способа термической обработки может иметь место случай, в котором внедряется чрезвычайно небольшое количество проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры или мартенситной структуры, которая занимает 5% или меньше вышеописанных структур в терминах доли площади. Однако, даже когда добавляется вышеописанная структура, нет никакого серьезного отрицательного воздействия на устойчивость рельса к замедленному разрушению или на сопротивление износу и устойчивость к усталостным повреждениям от качения поверхностной части головки рельса при условии, что количество этой структуры является небольшим. Следовательно, металлографическая структура поверхностной части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления может включать в себя чрезвычайно небольшое количество, 5% или меньше, проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры и мартенситной структуры. Другими словами, металлографическая структура поверхностной части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления может включать в себя от 95% до 100% перлитной структуры или бейнитной структуры или смешанной структуры перлитной структуры и бейнитной структуры. Для того чтобы гарантировать устойчивость к замедленному разрушению и в достаточной степени улучшить сопротивление износу или устойчивость к усталостным повреждениям от качения, желательно сформировать 98% или больше металлографической структуры поверхностной части головки рельса из перлитной структуры или бейнитной структуры. При этом в колонке микроструктуры в таблицах 1-3, 1-4 и 2-2 структуры, занимающие 5% или меньше, не описываются, и поэтому для всех описанных структур, кроме перлитной структуры или бейнитной структуры, количество составляет более 5% в терминах доли площади.
[0071] (3) Причина ограничения плотности на единицу площади сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размеры в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм.
[0072] Далее будет подробно описана причина ограничения размера частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, на произвольном горизонтальном поперечном сечении, которое является объектом оценки в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, диапазоном от 1 мкм до 10 мкм.
В результате множества плавильных испытаний, когда размер частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, превышает 10 мкм, способность частиц служить местом улавливания водорода уменьшается из-за уменьшения площади поверхности на единицу объема. В дополнение к этому происходит концентрация напряжений или хрупкость структуры из-за укрупнения сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, или увеличение плотности формирования, и, таким образом, становится вероятной поломка рельса. В дополнение к этому, когда размер частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, составляет менее 1 мкм, способность частиц служить местом улавливания водорода увеличивается, но становится затруднительно управлять содержанием сульфидов на основе сульфида марганца во время производства рельса. Кроме того, в случае, когда термическая обработка и подобное выполняется после производства, сульфид на основе сульфида марганца расплавляется, и способность частиц служить местом улавливания водорода значительно уменьшается. Когда размер частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, находится в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, поскольку возможно гарантировать площадь поверхности границ раздела между основным металлом и включениями, сульфиды на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, могут обеспечить достаточное количество мест улавливания водорода. Кроме того, поскольку включения (частицы сульфидов на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра), являются тонко диспергированными, становится возможным уменьшить количество водорода, захватываемого соответствующими включениями. В результате, устойчивость к замедленному разрушению повышается. Следовательно, размер частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, был ограничен диапазоном от 1 мкм до 10 мкм.
При этом размер частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, может быть получен путем измерения площади поперечного сечения, преобразования площади поперечного сечения в эквивалентное поперечное сечение круга и вычисления размера частицы.
[0073] Далее будет подробно описана причина ограничения количества сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм на произвольном горизонтальном поперечном сечении рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления, диапазоном от 20 до 200 на квадратный миллиметр проверяемой площади.
[0074] Когда количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, составляет менее 20 на квадратный миллиметр проверяемой площади, становится трудно гарантировать площадь поверхности раздела между основным металлом и включениями, и включения (частицы сульфида на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра) выполняют функцию улавливания водорода в недостаточной степени. В дополнение к этому, когда количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, превышает 200 на квадратный миллиметр проверяемой площади, количество сульфида становится чрезмерным, металлографическая структура становится хрупкой, и становится вероятной поломка рельса. Следовательно, в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, было ограничено диапазоном от 20 до 200 на квадратный миллиметр проверяемой площади.
[0075] Вышеописанные сульфиды на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, относятся к включению, имеющему оксид на основе алюминия в центральной части частицы сульфида на основе сульфида марганца, и сульфид на основе сульфида марганца покрывает оксид на основе алюминия. Соотношение между оксидом на основе алюминия и сульфидом на основе сульфида марганца особенно не ограничивается, но желательно, чтобы доля оксида на основе алюминия составляла 30% или меньше в терминах доли площади с тем, чтобы обеспечить пластичность включения и подавить разрушение рельса.
В то время как эффект может быть получен без ограничения нижнего предела доли площади, что касается включений, присутствующих в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, нижнюю границу значения доли площади оксида на основе алюминия желательно установить равной 5%.
[0076] Что касается оксида на основе алюминия, который является ядром, и сульфида на основе сульфида марганца, покрывающего окружение оксида на основе алюминия, включение может включать в себя и другие элементы, кроме оксида на основе алюминия и сульфида на основе сульфида марганца. Другие элементы могут быть частично включены в качестве добавок. Для более стабильного улучшения устойчивости к замедленному разрушению с использованием сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, желательно, чтобы доля площади Al2O3 составляла 60% или больше в оксиде на основе алюминия, который является ядром, а доля площади сульфида марганца составляла 80% или больше в сульфиде на основе сульфида марганца, покрывающем оксид на основе алюминия.
[0077] Количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, измерялось на образце, вырезанном из горизонтального поперечного сечения головной части рельса, как проиллюстрировано на фиг. 3. Каждый вырезанный образец был зеркально отполирован на произвольном поперечном сечении, сульфиды на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, рассматривались с использованием оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа, подсчитывалось количество включений, имеющих размеры, соответствующие вышеописанным ограничениям, и это количество преобразовывалось в количество на единицу площади поперечного сечения. Представительные значения для отдельных рельсов, описанных в примерах, являются средними значениями для измерений в 20 отдельных областях.
[0078] Определение зерна сульфида на основе сульфида марганца, сформированного вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра (определение включения), выполнялось путем предварительного отбора образцов типичных включений и выполнения электронного микрозондового анализа (EPMA). Дифференциация включений выполнялась с использованием свойств (формы или цвета) на фотографиях указанных включений, полученных с помощью оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа в качестве основной информации.
Местоположение измерения частиц сульфида на основе сульфида марганца особенно не ограничивается, но желательно измерять зерна сульфида на основе сульфида марганца в диапазоне глубины от 10 мм до 20 мм от поверхности головной части рельса, как проиллюстрировано на фиг. 3.
[0079] В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления может иметь место случай, в котором присутствуют сульфиды на основе сульфида марганца, которые не формируют частицы вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра. Однако количество таких сульфидов на основе сульфида марганца, которые не формируют частицы вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, является небольшим, и сульфиды на основе сульфида марганца не влияют на устойчивость к замедленному разрушению, и поэтому сульфиды на основе сульфида марганца не подсчитываются.
[0080] (4) Способ управления содержанием оксида на основе алюминия.
Что касается управления содержанием мелкодисперсного оксида на основе алюминия, который служит ядром для частиц сульфида на основе сульфида марганца, далее будет описан пример способа производства.
[0081] Алюминий является сильным раскисляющим элементом, и когда металлический алюминий (например, частицы алюминия, называемые алюминиевой дробью и подобное) добавляется к расплавленной стали, металлический алюминий реагирует со свободным кислородом в расплавленной стали, формируя таким образом оксид алюминия Al2O3. Al2O3 с большой вероятностью кластеризуется и, следовательно, укрупняет частицы оксида на основе алюминия. Когда в стали присутствуют укрупненные частицы оксида на основе алюминия, становится вероятной поломка рельса из-за концентрации напряжений. Следовательно, предотвращение укрупнения частицы оксида на основе алюминия является важным для улучшения устойчивости к замедленному разрушению.
[0082] Соответственно, может быть выбран способ для предотвращения укрупнения частиц оксида на основе алюминия. Например, можно предварительно раскислить расплавленную сталь, используя элемент, являющийся более сильным раскислителем, чем алюминий (редкоземельный металл и подобное), в максимально возможной степени уменьшить количество кислорода для того, чтобы уменьшить содержание алюминия до минимально необходимого содержания, а также измельчить оксид на основе алюминия.
[0083] В дополнение к этому, в противоположность вышеописанному способу, например, возможно также ввести партию необходимого количества алюминия для раскисления в таком состоянии, в котором в расплавленной стали содержится большое количество свободного кислорода, без выполнения предварительного раскисления, ускорить формирование или поднятие крупнозернистых кластеров Al2O3 и использовать оставшийся мелкодисперсный оксид на основе алюминия.
В дополнение к этому, с целью управления формированием крупнозернистого оксида на основе алюминия посредством повторного окисления из шлака, в дополнение к вышеописанному управлению раскислением возможно также интенсифицировать удаление шлака.
[0084] Соответственно может быть выбран способ удаления крупнозернистого оксида на основе алюминия. Например, для того, чтобы поднять оксид на основе алюминия, можно применить продувку аргоном в ковше после рафинирования, продувку мелкими пузырьками воздуха в промежуточном разливочном устройстве перед разливкой и подобное. В дополнение к этому, с целью подавления агломерации оксида на основе алюминия или ускорения поднятия крупнозернистого оксида на основе алюминия во время литья можно применить электромагнитное перемешивание в промежуточном разливочном устройстве.
[0085] В дополнение к вышеописанным способам управления в расплавленной стали, сильное обжатие на вальках может быть применено к твердофазной стали, в которой сульфид на основе сульфида марганца еще должен быть сформирован путем горячей прокатки. Сильное обжатие на валках во время горячей прокатки может мелко раздробить крупнозернистый оксид на основе алюминия. Когда оксид на основе алюминия мелко дробится, образуются также мелкодисперсные сульфиды на основе сульфида марганца, и устойчивость к замедленному разрушению дополнительно улучшается. При этом сильное обжатие на валках относится к величине обжатия 30% или более за один проход во время горячей прокатки.
[0086] (5) Способ управления содержанием серы
Что касается способа управления содержанием серы, для того, чтобы управлять количеством мелкодисперсных сульфидов на основе сульфида марганца, далее будет описан пример способа производства.
Большое количество серы содержится в качестве примеси в расплавленном железе. Обычно управление содержанием серы осуществляется в конвертере. В конвертер добавляется оксид кальция, и сера переходит в шлак в форме сульфида кальция. Когда рафинирование выполняется в обычном конвертере, содержание серы уменьшается до величины, находящейся в диапазоне от 0,0030 мас.% до 0,0300 мас.%. Когда содержание серы поддерживается на уровне больше чем 0,0100 мас.% и до 0,0250 мас.% посредством управления временем десульфуризационной обработки или содержанием оксида кальция в конвертере, и количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, увеличивается, становится возможным повысить устойчивость к замедленному разрушению.
[0087] (6) Способ управления содержанием водорода
Что касается управления содержанием водорода, дополнительно улучшающего устойчивость к замедленному разрушению, далее будет описан пример способа производства.
Водород содержится в расплавленном железе в качестве примеси. Обычно управление содержанием водорода осуществляется во время вторичного рафинирования (дегазации) в конвертере. Во время вторичного рафинирования ковш помещается в вакуум, и водород улетучивается из стали. Содержание водорода может поддерживаться на уровне 2,0 частей на миллион или меньше путем управления временем обработки во время вторичного рафинирования, что дает возможность дополнительно повысить устойчивость к замедленному разрушению.
[0088] Водород после вышеописанной очистки проникает в сталь из атмосферы, и может иметь место случай, в котором количество водорода в стальном слитке после литья увеличивается. В таком случае можно применить способ, в котором стальной слиток медленно охлаждается или повторно нагревается, давая тем самым возможность водороду, находящемуся в стальном слитке, диффундировать наружу.
Пример
[0089] Далее будут описаны примеры настоящего изобретения.
Таблицы 1-1 - 1-4 описывают химические компоненты и различные свойства рельсов по настоящему изобретению. Таблицы 1-1 и 1-2 описывают химические составы, таблицы 1-3 и 1-4 описывают микроструктуры поверхностных частей головки рельса, твердость поверхностной части головки рельса, а также количество частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Кроме того, таблицы 1-3 и 1-4 также описывают результаты испытаний на замедленное разрушение (значения предельного напряжения), выполненных с использованием способа, проиллюстрированного на фиг. 6A. Микроструктуры поверхностных частей головки рельса в таблицах 1-3 и 1-4 включают в себя микроструктуры, которые содержат небольшое количество, 5% или меньше в терминах доли площади, проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры или мартенситной структуры.
[0090] Таблицы 2-1 и 2-2 описывают химические компоненты и различные свойства сравнительных рельсов. Таблица 2-1 описывает химические компоненты, таблица 2-2 описывает микроструктуры поверхностных частей головки рельса, твердость поверхностных частей головки рельса, а также количество частиц сульфида на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Кроме того, таблица 2-2 также описывает результаты испытаний на замедленное разрушение (значения предельного напряжения), выполненных с использованием способа, проиллюстрированного на фиг. 6A. В микроструктурах поверхностных частей головки рельса в таблице 2-2, что касается сравнительных примеров, в которых содержится больше 5% в терминах доли площади доэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры или мартенситной структуры, проэвтектоидная ферритная структура, доэвтектоидная цементитная структура или мартенсит также описываются в колонке микроструктуры поверхностной части головки рельса.
Прочерк («-») в таблицах 1-1, 1-2 и 2-1 указывает, что значение измеряемой величины не превышало предельного значения измерения.
[0091] Условия производства рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, описанных в таблицах 1-1 - 1-4, 2-1 и 2-2, описаны ниже.
Расплавленная сталь → регулировка компонентов (конвертер и вторичное рафинирование: дегазация), → разливка (стальная заготовка) → повторное нагревание (1250°C) → горячая прокатка (конечная температура 950°C) → термическая обработка (начальная температура 800°C, ускоренное охлаждение) → воздушное охлаждение.
Для некоторых номеров стали была выполнена специальная обработка, как описано в колонке «специальные инструкции» в таблицах 1-3, 1-4 и 2-2.
[0093]
[0094] <Способ определения количества водорода>
Способ определения количества водорода для рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, описанных в таблицах 1-1, 1-2 и 2-1, описывается ниже.
(1) Аналитическая стадия: образец расплавленной стали отбирался из внутренней части литейной формы во время отливки стальной заготовки.
(2) Способ выдержки образца: после осуществления отбора образец был быстро охлажден и погружен в жидкий азот.
(3) Аналитический метод: способ удельной теплопроводности
Размер образца: цилиндр с диаметром 6 мм и толщиной 1 мм
Температура нагрева: 1900°C (образец был нагрет индукцией в графитовом тигле)
Атмосфера: инертный газ (аргон)
Газ-носитель: азот
Прибор: детектор удельной теплопроводности
[0095] <Способ определения твердости>
Микроструктуры рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, описанных в таблицах 1-3, 1-4 и 2-2, были определены путем наблюдения структур в местоположении, находящемся на глубине 3 мм от поверхности головной части рельса. В дополнение к этому, твердость измерялась с использованием твердомера Виккерса в местоположении, находящемся на глубине 3 мм от поверхности головной части рельса. Способ измерения описывается ниже.
(1) Предварительная обработка: после разрезания рельса горизонтальное поперечное сечение было отполировано.
(2) Способ измерения: твердость измерялась на основе японского промышленного стандарта JIS Z 2244
(3) Измерительное устройство: твердомер Виккерса (нагрузка 98 Н)
(4) Местоположение измерения: местоположение, находящееся на глубине 3 мм от поверхности головной части рельса
(5) Количество измерений: измерения были выполнены в 5 или более точках, и среднее значение рассматривалось как представительное значение для рельса.
[0096] <Способ измерения сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра>
Количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра в рельсах по настоящему изобретению и сравнительных рельсах, описанных в таблицах 1-3, 1-4 и 2-2, измерялось в местоположении, находящемся на глубине от 10 мм до 20 мм от поверхности головной части рельса, как проиллюстрировано на фиг. 3. Способ измерения описывается ниже.
(1) Предварительная обработка: после разрезания рельса горизонтальное поперечное сечение было отполировано.
(2) Способ измерения: сульфиды на основе сульфида марганца, сформированные вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, рассматривались с использованием оптического микроскопа или электронного сканирующего микроскопа, подсчитывалось количество включений, имеющих размеры, соответствующие вышеописанным ограничениям, это количество преобразовывалось в количество на единицу площади поперечного сечения, и средние значения результатов измерений в 20 отдельных областях рассматривались в качестве представительного значения.
(3) Предварительное измерение: выбиралось типичное включение, выполнялся электронный микрозондовый анализ (EPMA), и производилось определение включения. Дифференциация включений выполнялась с использованием свойств (формы или цвета) на фотографиях указанных включений, полученных с помощью оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа, в качестве основной информации.
[0097] <Условия для испытания на замедленное разрушение>
Условия для испытания на замедленное разрушение рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, описанных в таблицах 1-3, 1-4 и 2-2, описываются ниже.
(1) Форма рельса: 136-фунтовый рельс (67 кг/м)
(2) Испытание на замедленное разрушение
Метод испытания: трехточечный изгиб (длина пролета: 1,5 м, см. фиг. 6A)
Испытательное положение: нагрузка прикладывалась к нижней части рельса (при этом на головку рельса действует растягивающее напряжение, см. фиг. 6B).
Напряжения: от 200 МПа до 500 МПа (на поверхности головной части рельса)
Время приложения напряжения: 500 часов
(3) Значение предельного напряжения: максимальное значение напряжения, при котором стальной образец не разрушался после прикладывания напряжения в течение более 500 часов.
[0098] Детали рельсов по настоящему изобретению и сравнительных рельсов, описанных в таблицах 1-1 к 1-4, 2-1 и 2-2, описываются ниже.
(1) Рельсы по настоящему изобретению (50 образцов)
Ссылочные обозначения (номера стали) от A1 до A50: рельсы, имеющие химический состав, микроструктуру поверхностной части головки рельса, твердость поверхностной части головки рельса, а также количество сульфидных включений на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, в пределах диапазона настоящего изобретения.
(2) Сравнительные рельсы (22 образца)
Ссылочные обозначения от a1 до a7 (7 образцов): рельсы, содержание в которых углерода, кремния, марганца и фосфора или микроструктура в поверхностной части головки рельса которых находятся вне диапазона настоящего изобретения.
Ссылочные обозначения от a8 до a22 (15 образцов): рельсы, содержание в которых алюминия или серы или количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, находятся вне диапазона настоящего изобретения.
[0099] Как описано в таблицах 1-1 - 1-4, 2-1 и 2-2, по сравнению со сравнительными рельсами (ссылочные обозначения a1-a7) рельсы по настоящему изобретению (ссылочные обозначения A1-A50) содержат в стали углерод, кремний, марганец и фосфор в пределах ограниченных диапазонов, и поэтому формирование проэвтектоидной ферритной структуры, проэвтектоидной цементитной структуры или мартенситной структуры подавляется, что делает возможным обеспечить структуру поверхностной части головки рельса, состоящую, главным образом, из перлитной структуры или бейнитной структуры. Кроме того, становится возможным улучшить устойчивость к замедленному разрушению, управляя количеством сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, и подавляя хрупкость структуры.
[0100] В дополнение к этому, как описано в таблицах 1-1 - 1-4, 2-1 и 2-2 и дополнительно проиллюстрировано на фиг. 4, по сравнению со сравнительными рельсами (ссылочные обозначения a8-a22) рельсы по настоящему изобретению (ссылочные обозначения A1-A50) содержат в стали алюминий и серу в пределах ограниченных диапазонов в дополнение к углероду, кремнию, марганцу и фосфору, что делает возможным подавление количества сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, и улучшить устойчивость к замедленному разрушению.
[0101] В дополнение к этому, как описано в таблицах 1-1 - 1-4, 2-1 и 2-2 и дополнительно проиллюстрировано на фиг. 5, когда рельсы по настоящему изобретению (ссылочные обозначения A14-A16, A17-A19, A22-A24, A28-A30, A32-A34, A35-A37, A38-A40, A41-A45 и A47-A49) сравниваются с точки зрения содержания серы и содержания водорода, возможно дополнительно улучшить устойчивость к замедленному разрушению с тем же самым количеством сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра, путем управления содержанием серы с тем, чтобы подавить количество сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра и имеющих размер в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм и, кроме того, путем оптимизации содержания серы и управления содержанием водорода.
Промышленная применимость
[0102] В соответствии с настоящим изобретением становится возможным улучшить устойчивость к замедленному разрушению рельса, используемого для грузовых железных дорог, которые транспортируют ресурсы, и значительно продлить срок службы, управляя химическими компонентами стали и структурой рельса, а также управляя формой или количеством сульфидов на основе сульфида марганца, сформированных в стали вокруг оксида на основе алюминия в качестве ядра.
Краткое описание ссылочных обозначений
[0103]
1: верхняя часть головки рельса
2: угловая часть головки рельса
3: головка рельса
3a: поверхностная часть головки рельса (диапазон от поверхностей угловых частей 2 головки рельса и поверхности верхней части 1 головки рельса в качестве исходной точки до глубины 20 мм, заштрихованная секция)