專利名稱：制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法。本發(fā)明還涉及頭部硬化的過(guò)共析鋼軌。
背景技術(shù)：
美國(guó)鉄路，尤其是I級(jí)鐵路(BN、UP、CSX、NS、CP和CN)在鐵路軌道的頭部要求 較高的硬度水平和較深的硬度，以提高軌道的使用壽命(較高的硬度提供較佳的耐磨性)。美國(guó)鐵路工程和保養(yǎng)協(xié)會(huì)(American Railway Engineering and Maintenance-of-ffayAssociation,AREMA)是北美地區(qū)用于發(fā)布軌道規(guī)格的認(rèn)證組織之一?；谧畹吞匦?，存在三種類型的AREMA軌道鋼標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，中間強(qiáng)度，和高強(qiáng)度。下表中列出了對(duì)于每種類型的鋼而言的最低特性
特性標(biāo)準(zhǔn)中間高
規(guī)定的強(qiáng)度強(qiáng)度強(qiáng)度
硬度，BrinelIHB ( HRC ) 310 (30.5 ) 325 ( 32.5 ) 370 ( 38.3 ) 屈服強(qiáng)度，ksi7480120
拉伸強(qiáng)度，ksi142.5147171
拉伸率(in2”) ’ %10810僅僅在軌道頭部中規(guī)定硬度。根據(jù)AREMA Part2, Manufacture of Rail (2007)中列出的AREMA標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試本文在此處報(bào)告和測(cè)量的上述特性。為了滿足AREMA標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度，軌道必須具有完全珠光體微結(jié)構(gòu)，而基本上不允許有未回火的馬氏體。通常，對(duì)于高強(qiáng)度軌道鋼而言，拉伸率應(yīng)當(dāng)為10%或更高，但是較少數(shù)量(例如大約百分之五)的軌道的拉伸率可以小于10%但是不低于9%。最困難的生產(chǎn)等級(jí)是高強(qiáng)度等級(jí)。一些軌道生產(chǎn)者通過(guò)在軋制之后直接在線進(jìn)行軌道的加速冷卻來(lái)試圖獲得高強(qiáng)度鋼所需的特性。其它的制造者將軌道從環(huán)境溫度重新加熱，然后進(jìn)行加速冷卻(離線處理)。冷卻軌道的過(guò)程被稱為頭部硬化。在美國(guó)，當(dāng)前實(shí)施的冷卻處理使用噴水來(lái)冷卻軌道或者使用高容量空氣歧管。在所有頭部硬化處理中，軌道以適度的冷卻速率進(jìn)行冷卻，以形成細(xì)小珠光體微結(jié)構(gòu)并且避免形成AREMA不允許的未回火的馬氏體。除了加速冷卻以形成細(xì)小珠光體層間間距之外，還已知的是向軌道鋼添加合金元素以增加硬度。在美國(guó)，在過(guò)去十年傳統(tǒng)上已知的是，使用按重量計(jì)包含O. 80-0. 84%C、O. 80-1. 1%Μη、0· 20-0. 40%Si 和 O. 20-0. 25%Cr 的高強(qiáng)度頭部硬化鋼。按重量計(jì) O. 80-0. 84%的高碳水平提供珠光體微結(jié)構(gòu)，在這個(gè)碳水平，鋼處于鐵-碳ニ元相圖的共析點(diǎn)處或者稍稍在該共析點(diǎn)上方。碳是必要的，原因是所形成的珠光體微結(jié)構(gòu)按重量計(jì)包含大約12%碳化鐵(滲碳體)，該碳化鐵為嵌在鐵素體薄片旁邊的薄片的形式(形成層狀形態(tài))。滲碳體薄片提供硬度和耐磨性。長(zhǎng)期以來(lái)已知的是，進(jìn)ー步增加碳可以提供硬度増大的珠光體，原因是硬滲碳體相的體積分?jǐn)?shù)増大了。然而，當(dāng)鋼的碳水平高于共析點(diǎn)時(shí)，滲碳體可以形成在原奧氏體晶界上。這種形式的滲碳體被稱為先共析滲碳體，并且這種鋼稱為過(guò)共析鋼。如果在原奧氏體晶界上形成連續(xù)的先共析滲碳體網(wǎng)絡(luò)，那么在過(guò)共析鋼中可能出現(xiàn)降低的延展性，使得鋼易碎并且不能被接受為鐵路軌道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)方面提供ー種制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法，其特征是使 鋼軌頭部硬化，該鋼軌具有的組合物按重量計(jì)包含至少O. 86-1. 00%碳、O. 40-0. 75%錳、O. 40-1. 00%硅、O. 05-0. 15%釩、O. 015-0. 030%鈦和足夠的氮，該氮與鈦反應(yīng)，以形成氮化鈦。頭部硬化在一冷卻速率下進(jìn)行，如果繪制在xy坐標(biāo)曲線圖中，其中X軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌的頭部的表面溫度，那么該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)(0s，775° C)、(20s，670° C)和(110s，550° C)的上線限定的冷卻速率上邊界圖線與由連接xy坐標(biāo)(0s，750° C)、(20s，610° C)和(110s，500° C)的下線限定的冷卻速率下邊界圖線之間的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)方面，提供ー種制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法。該方法的特征是使鋼軌頭部硬化，該鋼軌具有的組合物按重量計(jì)包含至少O. 86-1. 00%碳、O. 40-0. 75% 錳、O. 40-1. 00% 硅、O. 05-0. 15% 釩、O. 015-0. 030% 鈦和足夠的氮，該氮與鈦反應(yīng)，以形成氮化鈦。頭部硬化在一冷卻速率下進(jìn)行，如果繪制在xy坐標(biāo)曲線圖中，其中X軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌的頭部的表面溫度，那么該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)(0s，775° C)、(20s，670° C)和(110s，550° C)的上線限定的冷卻速率上邊界圖線與由連接xy坐標(biāo)(0s，750° C)、(20s，610° C)和(110s，500° C)的下線限定的冷卻速率下邊界圖線之間的區(qū)域內(nèi)。如果繪制在曲線圖中，則該冷卻速率從O秒到20秒的平均值在5-10° C/s的范圍內(nèi)，并且如果繪制在曲線圖中，則該冷卻速率從20秒到Iio秒大于相比較的空冷速率。本發(fā)明的第三個(gè)方面提供ー種制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法。根據(jù)這個(gè)方面，在大約1600° C至大約1650° C的溫度下，通過(guò)順序添加猛、娃、碳、招,然后以任何順序添加鈦和釩或者組合添加鈦和釩，而形成鋼軌組合物，以形成按重量計(jì)包含至少
O.86-1. 00% 碳、O. 40-0. 75% 錳、O. 40-1. 00% 硅、O. 05-0. 15% 釩、O. 015-0. 030% 鈦和足夠的與鈦反應(yīng)以形成氮化鈦的氮的鋼軌組合物。然后，在一冷卻速率下對(duì)鋼軌頭部硬化，如果繪制在xy坐標(biāo)曲線圖中，其中X軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌的頭部的表面溫度，那么該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)(0s，775° C)、(20s，670° C)和(110s，550° C)的上線限定的冷卻速率上邊界圖線與由連接xy坐標(biāo)(Os，750° C)、(20s，610° C)和(110s，500° C)的下線限定的冷卻速率下邊界圖線之間的區(qū)域內(nèi)。在閱讀示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述并且參考附圖的情況下，本發(fā)明的其它方面，包括構(gòu)成本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)、制品、組合物、方法等，將會(huì)變得更加明顯。


附圖結(jié)合在說(shuō)明書中并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分。附圖與上述總體說(shuō)明以及以下給出的示例性實(shí)施例和方法的詳細(xì)說(shuō)明一起，用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖I為xy坐標(biāo)曲線圖，其中X軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌表面的溫度，其中溫度上限通過(guò)在20秒時(shí)間段范圍內(nèi)從775° C冷卻到670° C(為5.3° C/s)以及在接下來(lái)的90秒時(shí)間段范圍內(nèi)從670° C冷卻到550° C (為I. 3° C/s)而限定，溫度下限通過(guò)在20秒時(shí)間段范圍內(nèi)從750° C冷卻到610° C (為7.0° C/s)以及在90秒時(shí)間段范圍內(nèi)從610° C冷卻到500° C (為I. 2° C/s)而限定。 圖2為示出了沿著軌道頭部的豎直中心線的硬度分布比較的圖線。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表從頂部表面開(kāi)始每1/8”(英寸)增量處的硬度測(cè)量值。水平虛線表示38. 3HRC (370HB)的AREMA最低硬度。圖3為頭部硬化機(jī)的示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的獨(dú)立冷卻部分和高溫計(jì)的位置。圖4為代表穿過(guò)圖3的頭部硬化機(jī)的軌道的高溫計(jì)讀數(shù)的圖線。本圖示出了機(jī)器的四個(gè)部分。可以看到，在大約650° C處冷卻速率由于奧氏體到珠光體的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱而下降。進(jìn)入轉(zhuǎn)化的冷卻速率為7. 3° C/s。圖5為代表共析鋼(O. 8%C)的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)化(CCT)或TTT圖的圖線。540° C處的水平虛線將珠光體轉(zhuǎn)化(P)與貝氏體轉(zhuǎn)化(B)分隔開(kāi)。直的實(shí)線表示假設(shè)的冷卻曲線(和圖4中所示的一祥)，其中軌道經(jīng)過(guò)CCT圖的“鼻部”冷卻。Ps和Pf分別為珠光體的開(kāi)始和最終曲線。圖6A為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的頭部硬化處理的曲線圖，圖6B代表該實(shí)施例的測(cè)量獲得的硬度特性的分布。圖7A為根據(jù)比較實(shí)例的頭部硬化處理的曲線圖，圖7B代表該比較實(shí)例的測(cè)量獲得的硬度特性的分布。圖8A為根據(jù)比較實(shí)例的頭部硬化處理的曲線圖，圖SB代表該比較實(shí)例的測(cè)量獲得的硬度特性的分布。圖9為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的軌道頭部的橫截面。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參考如附圖所示的本發(fā)明的示例性實(shí)施例和方法，其中在整個(gè)附圖中類似的附圖標(biāo)記代表類似的或?qū)?yīng)的部件。然而，應(yīng)該指出的是，本發(fā)明在其較寬泛的方面中并不限于結(jié)合示例性實(shí)施例和方法所示和所述的特定細(xì)節(jié)、代表性制品和方法、以及示例性實(shí)例。本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及包含較高水平的硅和釩的過(guò)共析軌道組合物。在生產(chǎn)中，軌道可以被加速冷卻以獲得顯著超過(guò)當(dāng)前AREMA規(guī)格中的高強(qiáng)度軌道的高硬度、屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。示例性的鋼組合物具有四種不同但相互關(guān)聯(lián)的特征中的ー種或多種。在特別示例性的實(shí)施例中，鋼可以同時(shí)擁有全部這四種特征，以產(chǎn)生如下所示和解釋的特性。這四種同時(shí)存在的特征為(I)增大的硬度，通過(guò)較高的碳和硅水平和添加釩而在常規(guī)的頭部硬化的C-Mn-Si軌道鋼的基礎(chǔ)上提供増大的硬度。據(jù)信，碳增大硬滲碳體的體積百分比，硅通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)硬化珠光體中的鐵素體相，釩通過(guò)形成碳化釩而提供珠光體鐵素體相的沉淀硬化。(2)抑制原奧氏體晶界上的有害的連續(xù)先共析滲碳體網(wǎng)絡(luò)。在不抑制先共析滲碳體的情況下，鋼將會(huì)呈現(xiàn)減弱的延展性和韌性。較高水平的硅改變奧氏體中碳的活性，并且由此抑制在邊界處形成先共析滲碳體。據(jù)信，釩的添加通過(guò)其與碳結(jié)合而改變先共析滲碳體的形態(tài)，以產(chǎn)生離散顆粒而不是連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。先共析滲碳體網(wǎng)絡(luò)的抑制還受到從奧氏體轉(zhuǎn)變期間高冷卻速率的影響。(3)消除了在脫碳期間在軌道表面處形成軟鐵素體。高溫加熱操作可以自然地產(chǎn)生引起脫碳的氧化條件。本文所述的示例性鋼的較高碳水平足以允許發(fā)生脫碳，但是不足以引起足夠的碳損失而使得碳能夠變成形成有軟先共析鐵素體的亞共析體。(4)防止熱傳遞不穩(wěn)定性和較低的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。通過(guò)將珠光體轉(zhuǎn)化偏移至較短的時(shí)間，可以采用較高的冷卻速率，而不會(huì)產(chǎn)生不期望的熱傳遞不穩(wěn)定性和貝氏體/馬氏體微結(jié)構(gòu)。將錳水平降低到本文所討論的水平內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種偏移。總體上，在示例性實(shí)施例中，提供新的過(guò)共析軌道組合物，其包括以下表I中所列的元素和重量濃度、基本上由以下表I中所列的元素和重量濃度構(gòu)成和/或由以下表I中所列的元素和重量濃度構(gòu)成表I
權(quán)利要求
1.一種制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法，其包括對(duì)鋼軌進(jìn)行頭部硬化，該鋼軌具有的組合物按重量計(jì)包括O. 86-1. 00%的碳、O. 40-0. 75%的錳、O. 40-1. 00%的硅、O. 05-0. 15%的釩、O. 015-0. 030%的鈦以及足夠的與鈦反應(yīng)以形成氮化鈦的氮，所述頭部硬化在一冷卻速率下進(jìn)行，如果繪制在xy坐標(biāo)曲線圖中，其中X軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌的頭部的表面溫度，那么該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)(Os，775° C)、(20s，670° C)和(110s，550° C)的上線限定的冷卻速率上邊界圖線與由連接xy坐標(biāo)(0s，750° C)、(20s，610° C)和(110s，500° C)的下線限定的冷卻速率下邊界圖線之間的區(qū)域內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中如果繪制在曲線圖中，則該冷卻速率從O秒到20秒的平均值在5-10° C/s的范圍內(nèi)，并且其中如果繪制在曲線圖中，則該冷卻速率從20秒到110秒大于與之對(duì)比的空冷速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其還包括在大約1600°C至大約1650° C的溫度下，通過(guò)順序添加錳、硅、碳和任選的鋁，然后以任何順序添加鈦和釩或者組合添加鈦和釩，而形成鋼軌。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中該組合物按重量計(jì)還包括O.20-0. 30% 的鉻。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中氮按重量計(jì)以O(shè).0050至O. 0150%的量出現(xiàn)在該組合物中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中該鋼軌具有頭部部分，該頭部部分具有完全珠光體微結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中該鋼軌組合物按重量計(jì)具有O.90-1. 00% 的碳。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中該鋼軌組合物按重量計(jì)具有超過(guò)O.0050% 的氮。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中在距鋼軌的頭部表面上的每個(gè)點(diǎn)IOmm的深度處，該鋼軌的頭部具有至少380HB的布氏硬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中在距鋼軌的頭部的中心表面點(diǎn)25mm的深度處，該鋼軌的頭部具有至少370HB的布氏硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中在距鋼軌的頭部的運(yùn)行表面的豎直中心線上的每個(gè)點(diǎn)0-25mm范圍內(nèi)的整個(gè)深度處，該鋼軌的頭部具有370-410HB范圍內(nèi)的布氏硬度值。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述頭部硬化包括將水噴在鋼軌上。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述頭部硬化包括將水直接噴在鋼軌的頭部的頂部、側(cè)部、下角部和下表面上，噴在鋼軌的腹板的兩側(cè)上，并且噴在鋼軌的基部上。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中在頭部硬化的初始階段噴出的水的溫度為10° C 至 15° C。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括在所述噴水期間以O(shè).65m/s至 O. 85m/s的行進(jìn)速度移動(dòng)鋼軌。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造頭部硬化的過(guò)共析鋼軌的方法，其包括對(duì)鋼軌進(jìn)行頭部硬化，該鋼軌具有的組合物按重量計(jì)包括0.86-1.00%的碳、0.40-0.75%的錳、0.40-1.00%的硅、0.05-0.15%的釩、0.015-0.030%的鈦以及足夠的與鈦反應(yīng)以形成氮化鈦的氮，所述頭部硬化在一冷卻速率下進(jìn)行，如果繪制在xy坐標(biāo)曲線圖中，其中x軸代表用秒表示的冷卻時(shí)間，y軸代表用攝氏度表示的鋼軌的頭部的表面溫度，那么該冷卻速率保持在由連接xy坐標(biāo)(0s，775°C)、(20s，670°C)和(110s，550°C)的上線限定的冷卻速率上邊界圖線與由連接xy坐標(biāo)(0s，750°C)、(20s，610°C)和(110s，500°C)的下線限定的冷卻速率下邊界圖線之間的區(qū)域內(nèi)。
文檔編號(hào)C22C38/12GK102859010SQ201080062517
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者布魯斯·L·布拉姆菲特, 弗萊德·B·弗萊徹, 小約翰·A·戴維斯 申請(qǐng)人:安賽樂(lè)米塔爾研究與發(fā)展有限責(zé)任公司