РЕЛЬС И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РЕЛЬСА Российский патент 2022 года по МПК C22C38/58 C22C38/46 C22C38/38 C22C38/24 C21D8/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001]

Настоящее изобретение относится к высокопрочному рельсу, который используется на грузовых железных дорогах и имеет превосходную износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, а также к способу его производства.

Приоритет испрашивается по заявке на патент Японии № 2018-168799, поданной 10 сентября 2018 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002]

В процессе экономического развития разрабатываются новые природные ресурсы, такие как уголь. В частности, развивается добывающая промышленность в районах с суровыми природными условиями, которые раньше не разрабатывались. Наряду с этим сеть грузовых железных дорог, используемых для транспортировки ресурсов, становится серьезно загруженной. В результате рельсы теперь должны обладать большим сопротивлением износу, чем когда-либо ранее.

[0003]

Кроме того, грузовой железнодорожный транспорт в последнее время стал более загруженным. По этим причинам растет беспокойство по поводу усталостных повреждений, происходящих из внутренней части головки рельса (положения на глубине 20-30 мм от наружной поверхности части головки).

[0004]

Отсюда возникает потребность в разработке высокопрочных рельсов с улучшенным сопротивлением износу и устойчивостью к внутренним усталостным повреждениям.

[0005]

Для того, чтобы улучшить сопротивление рельсовой стали износу, были разработаны высокопрочные рельсы, описанные, например, в Патентных документах 1 и 2. Эти рельсы в основном характеризуются тем, что для повышения износостойкости твердость стали увеличивается за счет уменьшения расстояния между пластинками в структуре перлита, с использованием термической обработки или увеличения объемной доли цементита в пластинчатой перлитной структуре за счет увеличения количества углерода в стали.

[0006]

В частности, Патентный документ 1 раскрывает, что рельс с превосходной износостойкостью может быть обеспечен путем выполнения ускоренного охлаждения на части головки рельса, который прокатывается или повторно нагревается, со скоростью охлаждения от 1°C/с до 4°C/с от аустенитной температуры до температуры в диапазоне 850°C - 500°C.

[0007]

В дополнение к этому, Патентный документ 2 раскрывает, что рельс, имеющий превосходное сопротивление износу, может быть обеспечен путем увеличения объемной доли цементита в пластинчатой перлитной структуре с использованием заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85% и 1,20% или меньше).

[0008]

В методике, раскрытой в Патентных документах 1 или 2, износостойкость некоторой области может быть улучшена путем уменьшения интервала между пластинками в структуре перлита для увеличения твердости или увеличения объемной доли цементита в пластинчатой структуре перлита.

[0009]

Однако в высокопрочных рельсах, раскрытых в Патентных документах 1 и 2, образование внутреннего усталостного повреждения не может быть подавлено.

[0010]

Для того, чтобы решить вышеописанные проблемы, предлагаются например, высокопрочные рельсы, описанные в Патентных документах 3, 4 или 5. Эти рельсы в основном отличаются тем, что для улучшения не только износостойкости, но и сопротивления внутреннему усталостному повреждению перлитное превращение регулируется путем добавления небольшого количества сплава или улучшения внутренней твердости части головки путем регулирования сплава или добавления небольшого количества сплава для образования выделений в перлитной структуре.

[0011]

В частности, Патентный документ 3 раскрывает, что внутренняя твердость части головки улучшается при добавлении B к заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85% и 1,20% или меньше) для управления температурой превращения в перлитной структуре в части головки. Кроме того, Патентный документ 4 раскрывает, что внутренняя твердость части головки улучшается при добавлении V и N к заэвтектоидной стали (C: больше чем 0,85% и 1,20% или меньше) для осаждения карбонитрида V в перлитной структуре. Кроме того, Патентный документ 5 раскрывает, что внутренняя твердость части головки улучшается при использовании эвтектоидной стали (0,73% - 0,85% C) в качестве основы и управлении содержанием Mn и содержанием Cr.

[0012]

В методике, раскрытой в Патентных документах 3, 4 или 5, внутренняя твердость части головки улучшается путем управления температурой перлитного превращения в части головки, или за счет дисперсионного твердения перлитной структуры, так что стойкость к внутреннему усталостному повреждению некоторой области может быть улучшена. Однако для высокопрочных рельсов, раскрытых в Патентных документах 3, 4 и 5, достаточные характеристики не могут быть получены во время использования в сильно нагруженной среде, что требуется в последние годы, и таким образом проблемой стало дополнительное улучшение стойкости к внутреннему усталостному повреждению.

[0013]

Как было описано выше, высокопрочный рельс, который мог бы использоваться на грузовых железных дорогах в тяжелых эксплуатационных условиях и имел бы превосходное сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, не был предложен.

ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0014]

[Патентный документ 1] Японская рассмотренная патентная заявка, Вторая публикация № S63-023244

[Патентный документ 2] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № H8-144016

[Патентный документ 3] Японский патент № 3445619

[Патентный документ 4] Японский патент № 3513427

[Патентный документ 5] Японская нерассмотренная патентная заявка, Первая публикация № 2009-108397

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0015]

Настоящее изобретение было создано для того, чтобы решить вышеописанные проблемы, и его задачей является предложить рельс, имеющий превосходную износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению.

СРЕДСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

[0016]

(1) В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается рельс, включающий в себя, в мас.%: С: от 0,75% до 1,20%; Si: от 0,10% до 2,00%; Mn: от 0,10% до 2,00%; Cr: от 0,10% до 1,20%; V: от 0,010% до 0,200%; N: от 0,0030% до 0,0200%; P≤0,0250%; S≤0,0250%; Mo: от 0% до 0,50%; Со: от 0% до 1,00%; B: от 0% до 0,0050%; Cu: от 0% до 1,00%, Ni: от 0% до 1,00%; Nb: от 0% до 0,0500%; Ti: от 0% до 0,0500%, Mg: от 0% до 0,0200%; Ca: от 0% до 0,0200%; РЗМ: от 0% до 0,0500%; Zr: от 0% до 0,0200%; Al: от 0% до 1,00%; с остатком из Fe и примесей, в котором структура в диапазоне от внешней поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм включает 95% или более перлитной структуры в долях площади, твердость этой структуры находится в диапазоне от 360 до 500 HV, и в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от внешней поверхности части головки как исходного положения числовая плотность нитрида V, с размером зерна 0,5-4,0 нм и содержащего Cr, находится в диапазоне от 1,0 × 10¹⁷ до 5,0 × 10¹⁷ см^-3.

(2) В рельсе по п. (1) в нитриде V, включающем Cr, с размером зерна 0,5-4,0 нм в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, когда количество атомов V равно VA, а количество атомов Cr равно CA, среднее значение CA/VA может удовлетворять следующему Выражению 1,

0,01 ≤ CA/VA ≤ 0,70 Выражение 1.

(3) Рельс по п. (1) или (2) может включать в себя, в мас.%, одну или более групп, выбираемых из группы, состоящей из: группы а: Mo: от 0,01% до 0,50%; группы b: Co: от 0,01% до 1,00%; группы c: B: от 0,0001% до 0,0050%; группы d: один или два элемента, выбираемых из Cu: от 0,01% до 1,00% и Ni: от 0,01% до 1,00%; группы е: один или два элемента, выбираемых из Nb: от 0,0010% до 0,0500% и Ti: от 0,0030% до 0,0500%; группы f: один или два элемента, выбираемых из Mg: от 0,0005% до 0,0200%, Ca: от 0,0005% до 0,0200%, и РЗМ: от 0,0005% до 0,0500%; группы g: Zr: от 0,0001% до 0,0200%, и группы h: Al: от 0,0100% до 1,00%.

(4) В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ производства рельса, включающий в себя: нагревание блюма с конечной температурой нагрева 1200°C или выше со скоростью 1-8°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C, причем блюм включает в себя, в мас.%, C: от 0,75% до 1,20%, Si: от 0,10% до 2,00%, Mn: от 0,10% до 2,00%, Cr: от 0,10% до 1,20%, V: от 0,010% до 0,200%, N: от 0,0030% до 0,0200%, P≤0,0250%, S≤0,0250%, Mo: от 0% до 0,50%, Со: от 0% до 1,00%, B: от 0% до 0,0050%, Cu: от 0% до 1,00%, Ni: от 0% до 1,00%, Nb: от 0% до 0,0500%, Ti: от 0% до 0,0500%, Mg: от 0% до 0,0200%, Ca: от 0% до 0,0200%, РЗМ: от 0% до 0,0500%, Zr: от 0% до 0,0200%, Al: от 0% до 1,00%, с остатком, содержащим Fe и примеси; горячую прокатку нагретого блюма в условиях конечной температуры прокатки 850°C - 1000°C и конечного обжатия при прокатке от 2% до 20% для формирования рельса; выполнение ускоренного охлаждения рельса в условиях начальной температуры ускоренного охлаждения 750°C или выше, средней скорости охлаждения для ускоренного охлаждения от 2 до 30°C/с и конечной температуры ускоренного охлаждения 580°C - 660°C; выполнение управляемого охлаждения рельса в условиях температуры выдержки 580°C - 660°C, времени выдержки температуры от 5 до 150 с и колебания температуры поверхности рельса 60°C или ниже, а также выполнение воздушного охлаждения или ускоренного охлаждения рельса до нормальной температуры.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017]

В соответствии с аспектами настоящего изобретения износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса могут быть улучшены. В дополнение к этому, когда рельс используется на грузовых железных дорогах, срок службы рельса может быть значительно улучшен.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018]

Фиг. 1 показывает на поперечном сечении части головки те области, где перлитная структура должна присутствовать в рельсе в соответствии с одним вариантом осуществления.

Фиг. 2 показывает схему прибора для испытания на усталость при качении.

Фиг. 3 показывает соотношение среднего значения (CA/VA) отношения количества атомов Cr (CA) к количеству атомов V (VA) в нитриде V, имеющем размер зерна 0,5-4,0 нм и содержащем Cr, и присутствия или отсутствия волосных трещин в периферии карбонитрида V во время испытания на усталость при качении.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019]

Далее будет подробно описан рельс, имеющий превосходное сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения (в дальнейшем также называемый рельсом в соответствии с вариантом осуществления). В дальнейшем «мас.%» в составе может описываться просто как «%».

[0020]

Рельс в соответствии с этим вариантом осуществления имеет следующие характеристики.

(i) Рельс имеет предопределенный химический состав.

(ii) Структура в пределах от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм включает в себя 95% или больше перлитной структуры, в долях площади, и твердость структуры находится в диапазоне HV 360-500.

(iii) В феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, находится в диапазоне 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3.

(iv) Предпочтительно, чтобы в нитриде V, имеющем размер зерна 0,5-4,0 нм и включающем Cr в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, когда количество атомов V равно VA, а количество атомов Cr равно СA, среднее значение CA/VA удовлетворяло следующему Выражению 1 (среднее значение CA/VA в нитриде V, имеющем размер зерна 0,5-4,0 нм, и включающем Cr будет также упоминаться просто как «CA/VA»).

0,01≤среднее значение CA/VA≤0,70 Выражение 1.

[0021]

<Причина ограничения металлографической структуры и диапазона, в котором требуется перлитная структура>

Необходимо, чтобы рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления включал в себя 95% или больше (в долях площади) перлитной структуры в диапазоне от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины по меньшей мере 25 мм.

[0022]

Сначала будет описана причина для задания доли площади перлитной структуры равной 95% или больше.

В части головки рельса, которая входит в контакт с колесами, самым важным является гарантировать износостойкость. Авторы настоящего изобретения провели исследование соотношения между металлографической структурой и износостойкостью и обнаружили, что перлитная структура имеет самую высокую износостойкость. Кроме того, в перлитной структуре твердость (прочность) может быть легко получена, даже когда количество элементов сплава является малым, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению также является превосходной. Следовательно, для того, чтобы улучшить износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, доля площади перлитной структуры должна составлять 95% или больше. Когда доля площади перлитной структуры составляет меньше чем 95%, износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению улучшаются в недостаточной степени. Для того, чтобы в достаточной степени гарантировать износостойкость, желательно, чтобы 96% или больше, 97% или больше, 98% или больше, или 99% или больше металлографической структуры в части головки рельса являлись перлитной структурой. Доля площади перлитной структуры в части головки рельса может составлять 100%.

[0023]

Далее будет описана причина ограничения диапазона, в котором должна присутствовать металлографическая структура, включающая 95% или больше доли площади перлитной структуры, диапазоном от наружной поверхности части головки (поверхности угловых частей головки и верхней части головки) как исходного положения до глубины по меньшей мере 25 мм.

[0024]

Когда этот диапазон составляет менее 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения, он является недостаточным в качестве области, для которой требуются износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению части головки рельса с учетом износа во время использования, и износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению не могут быть в достаточной степени улучшены. В результате становится трудно в достаточной степени улучшить срок службы рельса. Поэтому предпочтительно, чтобы диапазон от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 30 мм представлял собой структуру, включающую перлитную структуру, чтобы дополнительно улучшить износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению.

[0025]

Фиг. 1 показывает на поперечном сечении части те области поверхности головки, где структура, включающая перлитную структуру, должна присутствовать в рельсе согласно варианту осуществления. Во-первых, часть головки рельса означает часть, располагающуюся выше суженной части в центре рельса в направлении высоты на поперечном сечении рельса, и обозначается ссылочной цифрой 3 на Фиг. 1. Кроме того, часть 3 головки рельса включает в себя верхнюю часть 1 головки и угловые части 2 головки, располагающиеся на обоих концах верхней части 1 головки. Одна из угловых частей 2 головки рельса является секцией угла железнодорожной колеи (GC), которая главным образом входит в контакт с колесами. Кроме того, наружная поверхность части головки включает в себя как поверхность верхней части 1 головки, обращенной вверх, когда рельс находится в рабочем положении, так и поверхности угловых частей 2 части 3 головки рельса. Позиционное соотношение между верхней частью 1 и угловыми частями 2 является таким, что верхняя часть 1 головки располагается по существу в центре части головки рельса в направлении ширины, а угловые части 2 головки располагаются с обеих сторон верхней части 1 головки.

[0026]

Диапазон от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки (наружная поверхность части головки) как исходного положения до глубины 25 мм будет упоминаться как поверхностная часть головки (3a, заштрихованная часть). Как показано на Фиг. 1, для того, чтобы улучшить износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса, необходимо, чтобы структура, включающая перлитную структуру с предопределенной твердостью (металлографическая структура, включающая перлитную структуру с долей площади 95% или больше) располагалась в поверхностной части головки 3a от поверхности угловых частей 2 головки и верхней части 1 головки (наружной поверхности части головки) до глубины 25 мм.

[0027]

Следовательно, предпочтительно, чтобы структура, включающая в себя перлитную структуру, располагалась в поверхностной части 3a головки, на которой главным образом осуществляется контакт колес и рельса, и от которой требуются сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению. В части, отличающейся от поверхностной части головки, где эти характеристики не требуются, доля площади перлитной структуры, может составлять 95% или больше, а может и нет.

[0028]

Более того, если доля площади перлитной структуры составляет 95% или больше, доэвтектоидная ферритная структура, доэвтектоидная структура цементита, бейнитная структура, или структура мартенсита, отличающиеся от перлитной структуры, могут включаться в металлографическую структуру поверхностной части головки 3a рельса согласно варианту осуществления в небольшом количестве, менее 5% доли площади. Даже если эти структуры включаются в металлографическую структуру, если их доля площади составляет менее 5%, нет никакого значительного отрицательного воздействия на износостойкость поверхности части головки и стойкость к внутреннему усталостному повреждению внутренности части головки. Другими словами, в металлографической структуре части головки рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления только 95% или больше площади поверхностной части головки должны быть перлитной структурой, и чтобы в достаточной степени улучшить износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы 98% или больше металлографической структуры в поверхностной части головки рельса являлись перлитной структурой. Доля площади перлитной структуры может составлять 100%.

[0029]

Доля площади перлитной структуры в диапазоне от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм может быть определена следующим способом. Доля площади перлитной структуры может быть определена путем наблюдения металлографической структуры в поле зрения 200-кратного оптического микроскопа и определения площади каждой металлографической структуры. Далее, 10 или более полей зрения (10 мест) используются в качестве полей зрения оптического микроскопа, и среднее значение долей площади может использоваться в качестве доли площади наблюдаемой части.

[0030]

Способ оценки металлографической структуры является следующим.

[Процедура оценки и способ оценки металлографической структуры]

- Процедура оценки

Взятие тестового образца для измерения: образец вырезался из поперечного сечения части головки рельса

Предварительная обработка: травление 3%-ным ниталем выполнялось после полирования образца с алмазными абразивными частицами

Наблюдение структуры: оптический микроскоп (с увеличением 200)

Поля зрения: 10 или более полей зрения от наружной поверхности части головки до глубины 2 мм и 10 или более полей зрения от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм

- Способ оценки

Определение структуры: структура определялась на основе учебников по металлографии (например, «Introduction to Structures and Properties of metallic materials and Heat Treatment Utilizing Materials and Microstructure Control»: The Japan Society for Heat Treatment); когда структура была неясна, она определялась с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM)

Определение доли: измерялась площадь каждой структуры, вычислялась доля площади в поле зрения, и среднее значение для всего поля зрения принималось в качестве представительного значения этой части

[0031]

В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, когда средняя доля площади перлитной структуры в двух положениях, включая положение на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения и положение на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки с как исходного положения оставляет 95% или больше, можно сказать, что 95% или больше площади металлографической структуры в диапазоне от наружной поверхности части головки до глубины по меньшей мере 25 мм являются перлитной структурой.

[0032]

<Причина ограничения твердости структуры, включающей перлит>

В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо ограничивать твердость структуры, включающей перлитную структуру, так, чтобы она находилась в диапазоне 360-500 HV. Далее будет описана причина ограничения в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления твердости структуры, включающей перлитную структуру, диапазоном HV 360-500.

[0033]

Авторами настоящего изобретения была исследована твердость металлографической структуры, включающей в себя перлитную структуру, требуемая для того, чтобы гарантировать сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса.

[0034]

Путем выполнения прокатки рельса с использованием стали (заэвтектоидной стали), включающей в качестве компонентов 0,90% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,010% - 0,200% V, 0,0150% P, 0,0120% S и 0,0030% - 0,0200% N, было исследовано соотношение между твердостью части головки рельса и износостойкостью и стойкостью к внутреннему усталостному повреждению. Условия прокатки рельса, условия термической обработки и условия испытания на усталость при качении были следующими.

[0035]

[Прокатка реального рельса, тест термической обработки]

- Стальной компонент

0,90% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,010% - 0,200% V, 0,0150% P, 0,0120% S и 0,0030% - 0,0200% N (с остатком из Fe и примесей)

- Форма рельса

141 фунт (вес: 70 кг/м)

- Условия прокатки и термической обработки

Температура финишной прокатки (наружная поверхность части головки): 950°C

Условия термической обработки: прокатка → ускоренное охлаждение

Условия ускоренного охлаждения (наружная поверхность части головки): охлаждение от 800°C до диапазона температур 580°C - 680°C со скоростью охлаждения 2-15°C/с

Ускоренное охлаждение выполнялось путем распыления охлаждающего агента, такого как воздух или охлаждающая вода, на поверхность рельса. В настоящем варианте осуществления начальное время и конечное время ускоренного охлаждения представляют собой время начала и время окончания распыления охлаждающей воды.

[0036]

[Условия испытания на усталость при качении]

- Условия теста

Испытательный прибор: прибор для испытания на усталость при качении (см. Фиг. 2)

Форма тестового образца

Рельс: 141-фунтовый рельс × 2 м

Колесо: типа AAR (диаметр 920 мм)

Нагрузка

Радиальная: от 275 до 325 кН

Осевая: от 50 до 80 кН

Смазка: без смазки (износостойкость), смазка маслом (стойкость к внутреннему усталостному повреждению)

Совокупный пропускаемый тоннаж

Без смазки (износостойкость): пропускаемый тоннаж накапливался до тех пор, пока величина износа части поверхностного слоя головки рельса не превысила 25 мм

Смазка маслом (износостойкость): пропускаемый тоннаж накапливался до тех пор, пока не образовалась трещина (максимум 200 Мбт) (миллионов брутто-тонн)

* общий вес грузовых вагонов, перевезенных по железной дороге; в этом тесте оценивается как удвоенная масса проходящих нагрузок от колес

- Оценка

Износостойкость: совокупный пропускаемый тоннаж получался, когда величина износа достигала 25 мм

Стойкость к внутреннему усталостному повреждению: с использованием ультразвукового дефектоскопа определялось, образовались ли трещины в части головки по всей длине рельса, трещина, имеющая длину 2 мм или больше, определялась как дефект, и получался совокупный пропускаемый тоннаж, накопленный до того момента, когда образовалась трещина. В этом тесте оценка выполнялась три раза, и минимальное значение принималось за репрезентативное значение совокупного пропускаемого тоннажа, накопленного до того момента, когда образовалась трещина.

[0037]

В результате было найдено, что, когда твердость структуры, включающей перлитную структуру, составляет меньше чем HV 360, величина износа части поверхностного слоя головки рельса достигает 25 мм при малом совокупном пропускаемом тоннаже, и становится трудно гарантировать износостойкость, требуемую для части головки рельса. В дополнение к этому было найдено, что когда твердость структуры, включающей перлитную структуру, составляет меньше чем HV 360, грубая усталостная трещина, имеющая длину 2 мм или больше, образуется и распространяется в части головки рельса при малом совокупном пропускаемом тоннаже, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению ухудшается.

[0038]

В дополнение к этому было найдено, что когда твердость перлитной структуры составляет больше чем HV 500, благодаря хрупкости структуры, включающей перлитную структуру, грубая усталостная трещина, имеющая длину 2 мм или больше, образуется и распространяется в части головки рельса при малом совокупном пропускаемом тоннаже, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению ухудшается.

[0039]

Из вышеописанного теста было найдено, что для того, чтобы гарантировать износостойкость, стойкость к поверхностному повреждению и определенный уровень стойкости к внутреннему усталостному повреждению в части головки рельса, твердость металлографической структуры, включающей перлитную структуру, в диапазоне от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм необходимо поддерживать в диапазоне HV 360-500. Следовательно, твердость структуры, включающей перлитную структуру, ограничивается диапазоном HV 360-500. Для того, чтобы устойчиво гарантировать износостойкость и стойкость к поверхностному повреждению, и устойчиво улучшить стойкость к внутреннему усталостному повреждению, желательно, чтобы твердость металлографической структуры, включающей перлитную структуру, в диапазоне от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм поддерживалась на уровне HV 380 или больше, HV 390 или больше, или HV 400 или больше. По той же самой причине желательно, чтобы твердость металлографической структуры, включающей перлитную структуру, в диапазоне от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм могла быть равна HV 480 или меньше, HV 470 или меньше, или HV 460 или меньше.

[0040]

Что касается твердости структуры, включающей перлитную структуру, она измеряется в 20 или больше точках в положении измерения (например, в положении на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения), и ее среднее значение этого принимается за величину твердости в данном положении. В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления доля площади перлитной структуры составляет 95% или большие, но другие структуры (доэвтектоидный цементит, доэвтектоидный феррит, мартенсит, бейнит и т.п.) присутствуют в диапазоне 5% или меньше. Следовательно, может иметь место случай, когда твердость структуры, включающей перлитную структуру, не может быть представлена одним значением твердости, измеренной в одном положении.

[0041]

Способ измерения и условия измерения твердости являются следующими.

[Способ измерения и условия измерения твердости части головки рельса]

- Способ измерения

Устройство: твердомер Виккерса (нагрузка 98 Н)

Взятие тестового образца для измерения: образец вырезался из поперечного сечения части головки рельса

Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось алмазными абразивными частицами, имеющими средний размер зерна 1 мкм

Способ измерения: твердость измерялась в соответствии со стандартом JIS Z 2244

- Способ вычисления

Поверхность части головки: твердость измерялась в 20 точках в любом положении на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, и ее среднее значение принималось в качестве твердости поверхности части головки

Внутренность части головки: твердость измерялась в 20 точках в любом положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, и ее среднее значение принималось в качестве внутренней твердости поверхностной части головки

[0042]

В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, когда величины твердости в двух положениях, включая положение на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки и положение на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки составляют HV 360-500, можно сказать, что твердость диапазона от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм составляет HV 360-500.

[0043]

<Причина ограничения размера зерна и численной плотности нитрида V, включающего Cr, в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения>

Далее будет описана причина ограничения численной плотности нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, в поперечном сечении в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки диапазоном 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3. В настоящем варианте осуществления «нитрид V, включающий Cr» представляет собой включение, которое формируется из нитрида V и включает в себя один или более атомов Cr. Присутствуют ли атомы Cr, можно проверить, используя описанный ниже трехмерный атомный зонд (3DAP).

[0044]

Сначала авторы настоящего изобретения провели подробное исследование начального состояния усталостного повреждения в части головки после испытания на усталость при качении. В результате было найдено, что трещина, имеющая длину меньше чем 2 мм, которая с меньшей вероятностью может быть обнаружена при исследовании того, образовалась ли трещина, с помощью ультразвукового дефектоскопа после испытания на усталость при качении, остается в части головки рельса, который проходит оценочное испытание. Поскольку оставшиеся трещины значительно влияют на основные характеристики рельса, для обеспечения безопасности необходимо предотвращать инициирование трещин. Авторы настоящего изобретения исследовали способ устранения трещин.

[0045]

В результате подробного исследования взаимоотношения между трещинами, остающимися в части головки рельса, и микроскопической твердостью было найдено, что хотя макроскопическая твердость перлитной структуры в части инициирования трещин не изменяется, микроскопическая размягченная часть присутствует в феррите перлитной структуры. В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что напряжения концентрируются на этой микроскопической размягченной части в феррите внутри части головки благодаря контакту с колесами, так что становится вероятным инициирование трещины.

[0046]

Поэтому авторы настоящего изобретения посчитали, что желательно подавить микроскопическое размягчение феррита в перлитной структуре в части головки и сделать максимально однородной прочность материала в поперечном сечении части головки.

[0047]

Авторы настоящего изобретения посчитали, что дисперсионное твердение будет эффективным для улучшения микроскопической твердости в части головки. Авторы настоящего изобретения искали элемент, который в очень дисперсном виде присутствует в феррите перлитной структуры, чтобы вызвать дисперсионное твердение.

[0048]

В результате проверки применения карбида, нитрида, карбонитрида и т.п. было найдено, что нитрид является эффективным в качестве компонента для дисперсионного твердения с точек зрения стабильности увеличения твердости и стойкости к усталостным трещинам. С другой стороны, карбид или карбонитрид включают в себя углерод, который может диффундировать или разлагаться. Следовательно, устойчивость к нагреванию или напряжению является низкой, и карбид или карбонитрид являются неэффективными для устойчивого дисперсионного твердения.

[0049]

Кроме того, авторы настоящего изобретения провели подробное исследование нитрида. В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что желательно использовать нитрид V в качестве основы и дополнительно увеличить стабильность. Кроме того, было найдено, что нитрид V, включающий Cr, в котором Cr присутствует сложным образом, имеет очень высокую устойчивость к нагреванию или напряжению, подавляет микроскопическое размягчение феррита в перлитной структуре внутри части головки, и устойчиво улучшает твердость феррита в перлитной структуре.

[0050]

Следовательно, для того, чтобы проверить эффекты нитрида V, включающего Cr, авторы настоящего изобретения провели исследование выделений в части головки и твердости части головки путем выполнения прокатки рельса с использованием стали (заэвтектоидной стали), включающей V, Cr и азот, и выполнения термической обработки для того, чтобы способствовать формированию нитрида V, включающего Cr. Кроме того, была оценена стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса.

[0051]

Авторы настоящего изобретения провели исследование выделений в части головки и твердости части головки путем выполнения прокатки рельса с использованием стали (заэвтектоидной стали) и выполнения термической обработки для того, чтобы способствовать формированию нитрида V, включающего Cr, причем эта сталь имела химический состав, включающий в качестве компонентов 0,90% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,0150% P и 0,0120% S в качестве основы, в которой содержание V являлось переменным в диапазоне 0,010% - 0,200%, а содержание N являлось переменным в диапазоне 0,0030% - 0,0200%.

[0052]

Кроме того, для проверки эффектов нитрида V, включающего Cr, было выполнено испытание на усталость при качении. Условия прокатки рельса, условия термической обработки, способ исследования нитрида V, включающего Cr, измерение твердости части головки и условия испытания на усталость при качении были следующими.

[0053]

[Прокатка реального рельса, тест термической обработки]

- Состав стали

0,90% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,0150% P, 0,0120% S, 0,010% - 0,200% V и 0,0030% - 0,0200% N (с остатком, содержащим Fe и примеси)

- Форма рельса

141 фунт (вес: 70 кг/м)

- Условия прокатки и термической обработки

Температура финишной прокатки (наружная поверхность части головки): 950°C

Условия термической обработки: прокатка → ускоренное охлаждение+регулируемое охлаждение

Условия ускоренного охлаждения (наружная поверхность части головки): охлаждение от 800°C до диапазона температур 660°C - 580°C со скоростью охлаждения 5°C/с

Условия регулируемого охлаждения (наружная поверхность части головки): после остановки ускоренного охлаждения сталь выдерживалась в диапазоне температур 580°C - 660°C в течение 5-120 с, а затем выполнялось ускоренное охлаждение.

Выдержка во время регулируемого охлаждения: температура регулировалась путем управления скоростью ускоренного охлаждения, повторения выполнения и остановки ускоренного охлаждения, а также выполнения ускоренного охлаждения в соответствии с повторным нагревом от внутренней части рельса.

[0054]

Способ исследования нитрида V, включающего Cr, является следующим.

[Способ исследования нитрида V, включающего Cr]

- Положение взятия образца: внутренность части головки (положение на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки)

- Предварительная обработка: три игольчатых образца, имеющих радиус кривизны 30-80 нм, были подготовлены с использованием способа сфокусированного ионного пучка (FIB)

- Измерительный прибор: способ трехмерного атомного зонда (3DAP)

- Способ измерения

Путем приложения постоянного напряжения к игольчатому образцу и дополнительной подачи импульсного напряжения или облучения игольчатого образца импульсным лазером ионы составляющих атомов испарялись полем с кончика иглы. Эти ионы регистрировались координатным детектором. Тип элемента определялся исходя из времени пролета иона. Трехмерное положение элемента и количество атомов определялись на основе обнаруженных координат и порядка измерения.

Напряжение: постоянный ток, импульс напряжения (кратность импульсов: 15% или больше) или лазерный импульс (40 пДж), температура образца: 40 K - 70 K

- Способ определения и способ подсчета нитрида V, включающего Cr

Данные измерения были проанализированы с использованием программного обеспечения IVAS (производства компании CAMECA). В спектре отношения массы к заряду пик 25,5 Дальтон был идентифицирован как V²⁺, и пики 25, 26, и 26,5 были идентифицированы как Cr²⁺. Что касается N, пик NN⁺ накладывается на главный пик Fe²⁺. Следовательно, N не может быть идентифицирован напрямую в химическом составе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Следовательно, пик NV²⁺ при 32,5 Дальтон идентифицировался как N. Ионы, соответствующие этому пику, включают в себя то же самое количество V, что и количество N.

После получения трехмерной карты элементов на основе координат, в которых были обнаружены ионы, и порядка измерения, нитридные выделения были определены с использованием данных о положении атомов для V и CrN. С этой целью в IVAS использовался способ максимального разделения. Этот способ представляет собой отделения от матрицы групп атомов V, Cr и N, в которых расстояние между соответствующими элементами составляет конкретное значение или меньше, чтобы идентифицировать выделение. В этом эксперименте в качестве «конкретного значения» использовалась величина 1 нм.

После идентификации выделения с использованием вышеописанного способа количество выделений, определенных как выделения V, включающие Cr, в феррите перлитной структуры в области измерения, было посчитано с использованием программного обеспечения IVAS.

В перлитной структуре присутствовали феррит и цементит. В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления нитрид V, включающий Cr, используется для упрочнения феррита перлитной структуры. Следовательно, в этом эксперименте выделения, присутствующие в центральной части феррита перлитной структуры, были выбраны в качестве мишени для обработки. Разделение цементита и феррита в области измерения может быть определено на основе распределения C (концентрация C в цементите составляет 25% по количеству атомов).

- Способ измерения численной плотности нитрида V, включающего Cr

Численная плотность нитрида, включающего Cr, определенная с использование вышеописанного способа, измерялась следующим образом.

Объем аналитической области оценивается по количеству атомов в аналитической области, которые должны быть измерены с помощью 3DAP. В случае обычной стали, предполагая, что количество элементов сплава, отличающихся от железа, является чрезвычайно малым, так что все атомы, формирующие аналитическую область, являются атомами железа, даже когда объем аналитической области вычисляется на основе количества атомов элементов в аналитической области, считается, что нет никакой значительной разницы между расчетным значением и истинным значением. Следовательно, количество атомов железа корректируется с использованием коэффициента обнаружения ионного детектора, и скорректированное значение делится на плотность атомов Fe (85 атомов/нм³). В этом случае полученное значение можно считать объемом (нм³) участка измерения. Коэффициент обнаружения изменяется в зависимости от устройств, но коэффициент обнаружения устройства, использованного в этом эксперименте, составлял 35%. Следовательно, значение, полученное путем деления обнаруженного числа атомов на 0,35, принималось за количество атомов в аналитической области.

Путем деления количества выделений в области в центральной части феррита, где распределены выделения, на объем области среза, может быть получена численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, в феррите перлитной структуры. Например, когда одно выделение наблюдается при измерении объема, соответствующего 30000000 атомов железа в феррите, объем аналитической области составляет 3 × 10⁷/0,35 (коэффициент обнаружения детектора ионов) / 85 атомов (атомная плотность Fe) = 1,0 × 10⁶ нм³, а численная плотность составляет 1,0 × 10^-6 нм^-3. Для перевода в см³, это значение необходимо умножить на 10²¹. В этом случае численная плотность составляет 1,0 × 10¹⁷ (см^-3). Среднее значение численных плотностей трех игольчатых образцов принималось в качестве численной плотности рельса.

- Способ измерения размера зерна нитрида V, включающего Cr

В этом эксперименте измерялась только численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr. Причина этого заключается в том, что нитрид V, имеющий размер зерна менее 0,5 нм или более 4,0 нм и включающий Cr, не способствует улучшению характеристик рельса. Соответственно, при оценке нитрида V, включающего Cr, из нитрида V, включающего Cr, брался только нитрид V, имеющий размер зерна 0,5-4,0 нм, и подсчитывалось его количество.

Способ измерения размера зерна каждого из этих нитридов V, включающих Cr, является следующим. Сначала получается общее количество атомов V и Cr, формирующих нитрид V, включающий Cr. Предполагая, что присутствует одинаковое количество атомов N и атомов V и Cr, кристаллическая структура принимается за кристаллическую структуру типа NaCl, и оценивается объем каждого из выделений. Используя литературные значения 0,413 нм и 0,415 нм в качестве постоянных решетки VN и CrN, соответственно, и используя 0,414 нм в качестве постоянной решетки нитрида V, включающего Cr, можно подсчитать количество атомов на 1 нм³, которое составляет приблизительно 113 атомов. На основе количества атомов в выделениях может быть оценен их объем. Здесь, предполагая, что нитрид V, включающий Cr, имеет форму сферы, диаметр этой сферы был принят в качестве размера зерна нитрида V, включающего Cr. Таким образом был получен эквивалентный диаметр сферы нитрида V, включающего Cr.

[0055]

В результате подробного исследования нитрида V, включающего Cr, который формируется в части головки прокатанного и термообработанного рельса, было найдено, что за счет включения V, Cr и N в химический состав рельса и дополнительного управления условиями термической обработки после прокатки в феррите перлитной структуры может быть сформировано заданное количество нитрида V, включающего Cr.

[0056]

В дополнение к этому, было найдено, что путем формирования в феррите перлитной структуры нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, микроскопическая размягченная часть в феррите перлитной структуры в части головки рельса уменьшается, и твердость феррита в перлитной структуре становится стабильной.

[0057]

Кроме того, было найдено, что путем управления численной плотностью нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, в части головки (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) так, чтобы она находилась в диапазоне 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3, микроскопическая размягченная часть уменьшается, и твердость становится стабильно однородной.

[0058]

Причина, по которой размер зерна нитрида V, включающего Cr, численной плотностью которого нужно управлять, ограничивается диапазоном 0,5-4,0 нм, заключается в том, что когда нитрид V, включающий Cr, выделяется в феррите перлитной структуры, вышеописанный размер зерна является самым эффективным для уменьшения микроскопической размягченной части в перлитной структуре и выравнивания твердости. Нитрид V, имеющий размер зерна менее 0,5 нм или более 4,0 нм и включающий Cr, не способствуют улучшению характеристик рельса, и таким образом предполагается, что его количество предпочтительно является малым. Однако предполагается, что если численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, поддерживается в предопределенном диапазоне, величина численной плотности нитрида с размером зерна вне диапазона 0,5-4,0 нм не влияет на характеристики рельса. При оценке нитрида V, включающего Cr, нитрид V, имеющий размер зерна меньше чем 0,5 нм или больше чем 4,0 нм, игнорируется.

[0059]

Используя прибор для испытания на усталость при качении, показанный на Фиг. 2, авторы настоящего изобретения оценивали стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса, в котором численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки находилась в диапазоне 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3. Компоненты рельса, использованного в тесте, металлографическая структура, твердость и условия испытания на сопротивление усталости при качении являются следующими.

[Рельс]

- Стальной элемент

0,90% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,0150% P, 0,0120% S, 0,010% - 0,200% V и 0,0030% - 0,0200% N (с остатком, содержащим Fe и примеси)

- Форма рельса

141 фунт (вес: 70 кг/м)

- Металлографическая структура

Перлит

- Твердость

HV 360-500 (в диапазоне от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм)

[Условия испытания на усталость при качении]

- Условия теста

Испытательный прибор: прибор для испытания на усталость при качении (см. Фиг. 2)

Форма тестового образца

Рельс: 141-фунтовый рельс × 2 м

Колесо: типа AAR (диаметр 920 мм)

Нагрузка

Радиальная: от 275 до 325 кН

Осевая: от 50 до 80 кН

Смазка: смазка маслом

Совокупный пропускаемый тоннаж: пропускаемый тоннаж накапливался до тех пор, пока не образовалась трещина (максимум 200 Мбт) (миллионов брутто-тонн)

* общий вес грузовых вагонов, перевезенных по железной дороге; в этом тесте оценивается как удвоенная масса проходящих нагрузок от колес

- Оценка

С использованием ультразвукового дефектоскопа определялось, образовались ли трещины в части головки по всей длине рельса, трещина, имеющая длину 0,5 мм или больше, определялась как дефект, и совокупный пропускаемый тоннаж, накопленный до того момента, когда образовалась трещина, получался в качестве оценочного индекса, представляющего стойкость к внутреннему усталостному повреждению. В этом тесте оценка выполнялась три раза, и минимальное значение принималось за репрезентативное значение совокупного пропускаемого тоннажа, накопленного до того момента, когда образовалась трещина.

[0060]

В результате было найдено, что благодаря формированию нитрида V, включающего Cr, трещины не остаются в части головки рельса, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса значительно улучшается.

[0061]

Как было описано выше, при управлении численной плотностью нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, в части головки (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) так, чтобы она находилась в диапазоне 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3, микроскопическая размягченная часть в феррите перлитной структуры в части головки рельса подавляется, образования трещин не происходит в части головки рельса, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса значительно улучшается.

[0062]

Соответственно, в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, находится в диапазоне 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3.

[0063]

Когда количество сформированного нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, составляет менее 1,0 × 10¹⁷ см^-3, улучшение микроскопической размягченной части в феррите перлитной структуры в части головки (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения) становится недостаточным, и улучшение стойкости к внутреннему усталостному повреждению не наблюдается. С другой стороны, когда количество сформированного нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, составляет более 5,0 × 10¹⁷ см^-3, численная плотность осадка является чрезмерно большой, перлитная структура в части головки (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения) становится хрупкой, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению ухудшается благодаря инициированию и распространению трещин. Следовательно, численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения ограничивается диапазоном 1,0 × 10¹⁷-5,0 × 10¹⁷ см^-3. Для того, чтобы улучшить микроскопическую размягченную часть в феррите перлитной структуры и устойчиво улучшить стойкость к внутреннему усталостному повреждению, желательно управлять численной плотностью нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, так, чтобы она составляла 1,5 × 10¹⁷ см^-3 или больше, 1,8 × 10¹⁷ см^-3 или больше, или 2,0 × 10¹⁷ см^-3 или больше. По той же самой причине численной плотностью нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, можно управлять так, чтобы она составляла 4,0 × 10¹⁷ см^-3 или меньше, 3,5 × 10¹⁷ см^-3 или меньше, или 3,0 × 10¹⁷ см^-3 или меньше.

[0064]

Причина, по которой положение на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения выбирается в качестве поверхности части головки, а положение на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения выбирается в качестве внутренней части головки, заключается в том, что в этих положениях износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению являются наиболее значимыми для готового рельса. Сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления могут быть улучшены за счет управления твердостью в этих положениях. Способ измерения твердости был описан выше. Если эти условия удовлетворяются, любое положение может быть выбрано в качестве положения измерения твердости, чтобы получить числовое значение, представляющее весь диапазон от верхней части головки до угловой части головки рельса.

[0065]

Размером зерна и численной плотностью нитрида V, включающего Cr, можно управлять путем управления главным образом скоростью охлаждения во время ускоренного охлаждения и условиями температурной выдержки во время регулируемого охлаждения после остановки ускоренного охлаждения.

[0066]

Размером зерна нитрида V, включающего Cr управляют главным образом путем управления температурой и временем выдержки во время регулируемого охлаждения. При установке температуры высокой, а времени выдержки большим нитрид V, включающий Cr, растет, и размер зерна нитрида V, включающего Cr, увеличивается. С другой стороны, при установке температуры низкой, а времени выдержки малым рост нитрида V, включающего Cr, подавляется, и размер его зерна уменьшается.

[0067]

В дополнение к этому, численная плотность регулируется путем управления главным образом температурой во время регулируемого охлаждения. Когда температура во время регулируемого охлаждения является высокой, ускоряется формирование нитрида V, включающего Cr, и его численная плотность увеличивается. С другой стороны, когда температура во время регулируемого охлаждения является низкой, формирование нитрида V, включающего Cr, подавляется, и его численная плотность уменьшается.

[0068]

Как было описано выше, размером зерна и численной плотностью нитрида V, включающего Cr, можно управлять, управляя главным образом условиями температурной выдержки во время регулируемого охлаждения после остановки ускоренного охлаждения, и размер зерна и численная плотность нитрида V, включающего Cr, могут быть ограничены предопределенными диапазонами путем управления температурой и временем выдержки во время регулируемого охлаждения.

[0069]

<Причина управления количеством атомов V (VA) и количеством атомов Cr (CA) так, чтобы они удовлетворяли следующему Выражению 1>

Далее будет описана причина, по которой авторы настоящего изобретения ограничили отношение количества атомов Cr к количеству атомов V в нитриде V, включающем Cr, чтобы дополнительно улучшить стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению.

[0070]

Как было описано выше, путем ограничения численной плотности нитрида V, имеющего предопределенный размер зерна и включающего Cr, предопределенным диапазоном в предопределенном положении можно подавить инициирование трещин, имеющих длину менее 2 мм, которые не могут быть в достаточной степени подавлены за счет управления количеством и твердостью перлитной структуры. В результате износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления могут быть в достаточной степени улучшены. Однако с точки зрения дополнительно повышения уровня безопасности авторы настоящего изобретения провели исследование способа улучшения этих характеристик при длительном использовании. В результате подробного исследования рельса, подвергшегося вышеописанному испытанию на усталостную стойкость, было найдено, что волосные трещины (имеющие длину менее 0,5 мм) могут присутствовать вокруг нитрида V, включающего Cr. Авторы настоящего изобретения провели исследование способа устранения этих волосных трещин.

[0071]

Для этого авторы настоящего изобретения провели подробное исследование взаимосвязи между составом нитрида V, включающего Cr, и волосными трещинами, присутствующими вокруг нитрида V. Способ исследования является следующим.

[0072]

[Способ исследования волосных трещин]

- Подготовка образца

Рельс резался для того, чтобы подготовить образец из положения на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки

- Предварительная обработка: поперечное сечение полировалось с помощью алмазных абразивных частиц

· Способ наблюдения

Устройство: сканирующий электронный микроскоп

Увеличение: от 10000 до 100000

Положение наблюдения: на наблюдаемом сечении подробно наблюдалась периферия нитрида V, имеющего размер зерна 1-3 нм и включающего Cr, и предполагая, что нитрид, наблюдаемый с помощью сканирующего электронного микроскопа, является круглым, размер его зерна получался как диаметр круга.

[0073]

[Способ исследования состава нитрида V, включающего Cr]

Положение взятия образца, предварительная обработка, измерительный прибор и способ определения нитрида V, включающего Cr, были теми же самыми, что и в вышеописанном «Способе исследования нитрида V, включающего Cr».

- Вычисление отношения между количествами атомов V и Cr и составов

Нитриды, которые были определены как нитрид V, включающий Cr, анализируются с использованием вышеописанного способа. Для каждого из нитридов подсчитываются количества атомов V и Cr, и вычисляется отношение количества атомов Cr (CA) к количеству атомов V (VA). В качестве измеряемых выделений пять или более выделений случайным образом выбираются из нитридов V, имеющих размер зерна 0,5-4,0 нм и включающих Cr, и их среднее значение принимается в качестве репрезентативного значения. В дальнейшем, среднее значение отношения количества атомов Cr (CA) к количеству атомов V (VA) в нитриде V, имеющем размер зерна 0,5-4,0 нм и включающем Cr, в феррите перлитной структуры на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки будет упоминаться как «CA/VA». Среднее значение CA/VA в трех игольчатых образцах принимается в качестве значения CA/VA рельса.

[0074]

В результате подробного исследования было обнаружено, что инициирование волосных трещин, имеющих длину менее 0,5 мм, и значение CA/VA коррелируют между собой, и с увеличением количества атомов Cr (CA) твердость нитрида V, включающего Cr, значительно увеличивается, а количество волосных трещин (менее 0,5 мм) первичной фазы вокруг образовавшегося нитрида V имеет тенденцию к увеличению. В результате более подробного исследования, как показано на Фиг. 3, было найдено, что инициирование волосных трещин устраняется при поддержании значения CA/VA равным 0,70 или меньше. Значение CA/VA может составлять 0,65 или меньше, 0,60 или меньше, или 0,55 или меньше.

С точки зрения предотвращения волосных трещин нет никакой необходимости ограничивать значение нижнего предела значения CA/VA. Однако, поскольку нитрид V, включающий Cr, содержит Cr, значение CA/VA не может быть установлено равным 0. В соответствии с экспериментом авторов настоящего изобретения, рельс, имеющий значение CA/VA менее 0,01, не был найден. Следовательно, значение нижнего предела значения CA/VA может составлять 0,01, 0,02 или 0,05. В дополнение к этому предполагается, что нитрид V, имеющий размер зерна менее 0,5 нм или более 4,0 нм и включающий Cr, по существу не влияет на характеристики рельса. Поэтому этот нитрид V исключается из измерения CA/VA.

0,01≤CA/VA≤0,70 Выражение 1.

[0075]

На основе этих результатов было найдено, что для того, чтобы подавить и предотвратить инициирование трещин и волосных трещин в части головки и дополнительно повысить уровень безопасности рельса, предпочтительно управлять не только размером зерна и численной плотностью нитрида V, включающего Cr, но также и составом нитрида V, включающего Cr, как источника трещин.

[0076]

Значением CA/VA можно управлять, управляя главным образом температурными условиями выдержки во время регулируемого охлаждения после остановки ускоренного охлаждения.

[0077]

Значением CA/VA управляют главным образом посредством температуры во время регулируемого охлаждения. Когда температура во время регулируемого охлаждения является высокой, количество атомов V в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, и значение CA/VA уменьшается. С другой стороны, когда температура во время регулируемого охлаждения является низкой, количество атомов Cr в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, и значение CA/VA увеличивается.

[0078]

Как было описано выше, значением CA/VA можно управлять, управляя главным образом температурными условиями выдержки во время регулируемого охлаждения после остановки ускоренного охлаждения. Значение CA/VA может быть ограничено предопределенным диапазоном путем управления температурой во время температурной выдержки.

[0079]

<Причины ограничения химического состава рельса>

Далее будут подробно описаны причины ограничения химического состава рельсовой стали (стали, служащей материалом для рельса) в рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления. В дальнейшем символ «%» в содержании каждого элемента означает «мас.%».

[0080]

C: 0,75% - 1,20%

C является элементом, эффективным для ускорения перлитного превращения и гарантирования сопротивления износу. Когда содержание C составляет менее 0,75%, в этой компонентной системе минимальная прочность и износостойкость, требуемые для рельса, не могут быть поддержаны. В дополнение к этому, когда содержание C составляет менее 0,75%, формируется структура доэвтектоидного феррита, и износостойкость рельса значительно ухудшается. Кроме того, когда содержание C составляет менее 0,75, может формироваться мягкая доэвтектоидная ферритная структура, в которой усталостные трещины могут образовываться в части головки, что может приводить к внутреннему усталостному повреждению. С другой стороны, когда содержание C составляет более 1,20%, вероятно образование структуры доэвтектоидного цементита в части головки, и усталостные трещины образуются от границы между перлитной структурой и структурой доэвтектоидного цементита, что может приводить к внутреннему усталостному повреждению. Следовательно, содержание C регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,75% - 1,20%. Для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры и улучшить стойкость к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы содержание C составляло 0,80% или больше, 0,83% или больше, или 0,85% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание C составляло 1,10% или меньше, 1,05% или меньше, или 1,00% или меньше.

[0081]

Si: 0,10% - 2,00%

Si является элементом, который твердорастворяется в феррите перлитной структуры, увеличивает твердость (прочность) части головки рельса и улучшает сопротивление износу. Однако, когда содержание Si составляет меньше чем 0,10%, эти эффекты не могут быть получены в достаточной степени. С другой стороны, когда содержание Si составляет более 2,00%, во время горячей прокатки рельса образуется большое количество поверхностных вмятин. Кроме того, когда содержание Si составляет более 2,00%, прокаливаемость значительно увеличивается, структура мартенсита формируется в части головки рельса, и износостойкость ухудшается. Следовательно, содержание Si регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,10% - 2,00%. Для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры и улучшить износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы содержание Si составляло 0,20% или больше, 0,4% или больше, или 0,50% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание Si составляло 1,80% или меньше, 1,50% или меньше, или 1,30% или меньше.

[0082]

Mn: 0,10% - 2,00%

Mn является элементом, который увеличивает прокаливаемость, стабилизирует перлитное превращение, улучшает расположение чешуек перлитной структуры, гарантирует твердость перлитной структуры и дополнительно улучшает износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению. Однако, когда содержание Mn составляет меньше чем 0,10%, сопротивление износу не улучшается. В дополнение к этому, когда содержание Mn составляет менее 0,10%, формируется мягкая доэвтектоидная ферритная структура, в которой усталостные трещины могут образовываться в части головки, и становится трудным гарантировать стойкость к внутреннему усталостному повреждению. С другой стороны, когда содержание Mn составляет более 2,00%, прокаливаемость значительно увеличивается, структура мартенсита формируется в части головки рельса, и износостойкость или стойкость к поверхностному повреждению ухудшаются. Следовательно, содержание Mn регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,10% - 2,00%. Для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры и улучшить износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса, предпочтительно, чтобы содержание Mn составляло 0,40% или больше, 0,50% или больше, или 0,60% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание Mn составляло 1,80% или меньше, 1,50% или меньше, или 1,30% или меньше.

[0083]

Cr: 0,10% - 1,20%

Cr является элементом, который улучшает расположение чешуек перлитной структуры, улучшает твердость перлитной структуры и износостойкость рельса за счет увеличения температуры равновесного фазового превращения стали и увеличения степени переохлаждения. Кроме того, Cr является элементом, который подавляет микроскопическое смягчение феррита перлитной структуры в части головки рельса и улучшает стойкость к внутреннему усталостному повреждению в части головки за счет дисперсионного твердения, вызываемого образованием тонкого нитрида V, включающего Cr, в феррите перлитной структуры. Однако, когда содержание Cr составляет меньше чем 0,10%, эти эффекты являются малыми, количество тонкого нитрида V, включающего Cr, выделяющегося в феррит перлитной структуры, является малым, улучшение микроскопической размягченной части феррита перлитной структуры в части головки рельса является недостаточным, и улучшения стойкости к внутреннему усталостному повреждению не наблюдается. С другой стороны, когда содержание Cr составляет более 1,20%, прокаливаемость значительно увеличивается, структура бейнита или структура мартенсита образуется в части головки рельса, и таким образом износостойкость или стойкость рельса к поверхностному повреждению ухудшаются. Кроме того, когда содержание Cr составляет более 1,20%, количество мелкодисперсного нитрида V, включающего Cr, является чрезмерно большим, перлитная структура в части головки рельса (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) становится хрупкой, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению ухудшается благодаря инициированию и распространению трещин. Следовательно, содержание Cr регулируется так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,10% - 1,20%. Для того, чтобы стабилизировать формирование перлитной структуры и устойчиво сформировать нитрид V, включающий Cr, для улучшения износостойкости или стойкости рельса к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы содержание Cr составляло 0,30% или больше, 0,35% или больше, или 0,40% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание Cr составляло 1,10% или меньше, 1,00% или меньше, или 0,90% или меньше.

[0084]

V: 0,010% - 0,200%

V является элементом, который подавляет микроскопическое смягчение феррита перлитной структуры в части головки рельса и улучшает стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса за счет дисперсионного твердения, вызываемого образованием тонкого нитрида V, включающего Cr, в феррите перлитной структуры в процессе охлаждения после горячей прокатки рельса. Однако, когда содержание V составляет меньше чем 0,010%, количество медкодисперсного нитрида V, включающего Cr, выделяющегося в феррит перлитной структуры, является малым, улучшение микроскопической размягченной части феррита перлитной структуры в части головки рельса является недостаточным, и улучшения стойкости рельса к внутреннему усталостному повреждению не наблюдается. С другой стороны, когда содержание V составляет более 0,200%, количество тонкого нитрида V, включающего Cr, является чрезмерно большим, перлитная структура в части головки рельса (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) становится хрупкой, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению ухудшается благодаря инициированию и распространению трещин. Следовательно, содержание V устанавливается так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,010% - 0,200%. Для того, чтобы устойчиво сформировать нитрид V, включающий Cr, для улучшения стойкости рельса к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы содержание V составляло 0,030% или больше, 0,035% или больше, или 0,040% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание V составляло 0,180% или меньше, 0,150% или меньше, или 0,100% или меньше.

[0085]

N: 0,0030% - 0,0200%

N представляет собой элемент, который способствует формированию нитрида V, включающего Cr, в феррите перлитной структуры в процессе охлаждения после горячей прокатки рельса, за счет его включения вместе с Cr и V. Когда формируется мелкодисперсный нитрид V, включающий Cr, микроскопическое смягчение феррита перлитной структуры в части головки рельса подавляется, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению улучшается. Однако, когда содержание N составляет меньше чем 0,0030%, количество тонкого нитрида V, включающего Cr, образующегося в феррите перлитной структуры, является малым, улучшение микроскопической размягченной части феррита перлитной структуры в части головки рельса является недостаточным, и улучшения стойкости рельса к внутреннему усталостному повреждению не наблюдается. С другой стороны, когда содержание N составляет более 0,0200%, количество мелкодисперсного нитрида V, включающего Cr, является чрезмерно большим, перлитная структура в части головки рельса (на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки) становится хрупкой, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению ухудшается благодаря инициированию и распространению трещин. Кроме того, когда содержание N составляет больше чем 0,0200%, становится трудным сформировать твердый раствор N в стали, образуются пузырьки, служащие исходной точкой для усталостного повреждения, и становится вероятным внутреннее усталостное повреждение рельса. Следовательно, содержание N устанавливается так, чтобы оно находилось в диапазоне 0,0030% - 0,0200%. Для того, чтобы устойчиво сформировать нитрид V, включающий Cr, для улучшения стойкости к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно, чтобы содержание N составляло 0,0080% или больше, 0,0090% или больше, или 0,0100% или больше. По той же самой причине предпочтительно, чтобы содержание N составляло 0,0180% или меньше, 0,0150% или меньше, или 0,0120% или меньше.

[0086]

P: 0,0250 мас.% или меньше

P представляет собой загрязняющий элемент, который неизбежно содержится в стали, и его содержанием можно управлять путем выполнения очистки стали в конвертере. Предпочтительно, чтобы содержание P было настолько низким, насколько это возможно. Однако, когда содержание P составляет больше чем 0,0250%, перлитная структура станвоится хрупкой, хрупкие трещины инициируются в части головки, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению ухудшается. Следовательно содержание фосфора ограничивается величиной 0,0250 мас.% или меньше. Содержание P может составлять 0,220% или меньше, 0,200% или меньше, или 0,180% или меньше. Нижний предел содержания Р особенно не ограничивается, и может составлять 0%. Однако с учетом возможности дефосфорации и экономической эффективности в процессе очистки значение нижнего предела содержания P может составлять 0,0020%, 0,0030%, или 0,0050%.

[0087]

S: 0,0250 мас.% или меньше

Сера представляет собой загрязняющий элемент, который неизбежно содержится в стали, и ее содержанием можно управлять путем выполнения десульфурации в ковше с расплавленным чугуном. Предпочтительно, чтобы содержание серы было настолько низким, насколько это возможно. Однако когда содержание S составляет больше чем 0,0250%, повышается вероятность образования включений грубых сульфидов на основе MnS, усталостные трещины инициируются в части головки благодаря концентрации напряжений на периферии включения, и таким образом стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению ухудшается. Следовательно содержание серы ограничивается величиной 0,0250 мас.% или меньше. Содержание S может составлять 0,220% или меньше, 0,200% или меньше, или 0,180% или меньше. Нижний предел содержания S особенно не ограничивается, и может составлять 0%. Однако с учетом возможности десульфурации и экономической эффективности в процессе очистки значение нижнего предела содержания S может составлять 0,0020%, 0,0030%, или 0,0050%.

[0088]

В основном рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления имеет вышеописанный химический состав, а остаток состоит из Fe и примесей. Здесь примеси относятся к элементам, которые во время промышленного производства примешиваются из сырья, такого как руда или лом, или благодаря различным факторам в процессе производства, и которые могут содержаться в таком количестве, которое не оказывает негативного влияния на характеристики рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Однако вместо части Fe остаток может дополнительно содержать по меньшей мере один элемент, выбираемый из группы, состоящей из Mo, Co, B, Cu, Ni, Nb, Ti, Mg, Ca, РЗМ, Zr и Al, в описанных ниже диапазонах с целью улучшения сопротивления износу и стойкости к внутреннему усталостному повреждению благодаря увеличению твердости (прочности) перлитной структуры, улучшению ударной вязкости, предотвращению размягчения зоны теплового воздействия сварного соединения и управления распределением твердости в поперечном сечении в части головки. В частности, действие каждого из необязательных элементов является следующим.

(Группа a) Мо увеличивает точку равновесного превращения, улучшает расположение чешуек перлитной структуры и улучшает твердость рельса.

(Группа b) Co улучшает ламеллярную структуру на поверхности износа и увеличивает твердость поверхности износа.

(Группа c) B уменьшает зависимость температуры перлитного фазового превращения от скорости охлаждения для того, чтобы сделать распределение твердости в части головки рельса однородным.

(Группа d) Cu твердорастворяется в феррите перлитной структуры и увеличивает твердость рельса. Ni улучшает ударную вязкость и твердость перлитной структуры и предотвращает размягчение зоны теплового воздействия сварного соединения.

(Группа e) Nb и Ti улучшают усталостную прочность перлитной структуры за счет дисперсионного твердения карбида и нитрида, образующихся во время горячей прокатки и процесса охлаждения после горячей прокатки. В дополнение к этому, Nb и Ti заставляют карбид или нитрид устойчиво образовываться во время повторного нагревания и предотвращают размягчение зоны теплового воздействия сварного соединения.

(Группа f) Mg, Ca и РЗМ тонко диспергируют сульфиды на основе MnS и уменьшают внутреннее усталостное повреждение, происходящее от включений.

(Группа g) Zr подавляет формирование зоны сегрегации центральной части отливки и подавляет образование доэвтектоидного цементита или мартенситной структуры за счет увеличения равноосного кристаллического отношения структуры отверждения.

(Группа h) Al является элементом, который функционирует как раскислитель. В дополнение к этому, Al изменяет температуру эвтектоидного фазового превращения в сторону ее повышения и способствует увеличению твердости (прочности) перлитной структуры.

Следовательно, эти элементы могут включаться для того, чтобы получить вышеописанные эффекты. В дополнение к этому, даже если количество каждого из этих элементов равно или меньше, чем описанный ниже диапазон, характеристики рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления не ухудшаются. Кроме того, поскольку эти элементы необязательно должны содержаться, нижний предел их содержания составляет 0%.

[0089]

Mo: Предпочтительно от 0,01% до 0,50%

Мо является элементом, который улучшает расположение чешуек перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) перлитной структуры за счет увеличения температуры равновесного фазового превращения и увеличения степени переохлаждения. В результате этого улучшаются износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Однако, когда содержание Mo составляет меньше чем 0,01%, эти эффекты становятся малыми, и эффект улучшения твердости рельсовой стали не может быть получен. В то же время, когда содержание Mo составляет больше чем 0,50%, скорость превращения значительно уменьшается, мартенситная структура формируется в части головки рельса, и таким образом износостойкость ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Mo находилось в диапазоне 0,01% - 0,50%, когда Mo содержится.

[0090]

Co: Предпочтительно от 0,01% до 1,00%

Co является элементом, который твердорастворяется в феррите перлитной структуры, улучшает ламеллярную структуру перлитной структуры, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры и улучшает износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Однако, когда содержание Co составляет меньше чем 0,01%, улучшения ламеллярной структуры не происходит, и таким образом эффекты улучшения сопротивления износу или стойкости к внутреннему усталостному повреждению не могут быть получены. С другой стороны, когда содержание Co составляет больше чем 1,00%, вышеописанные эффекты насыщаются, и может иметь место случай, когда ламеллярная структура в зависимости от содержания не может быть измельчена. В дополнение к этому, когда содержание Co составляет больше чем 1,00%, экономическая эффективность может ухудшиться благодаря увеличению стоимости легирующей добавки. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Co находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Co содержится.

[0091]

B: Предпочтительно от 0,0001% до 0,0050%

B является элементом, который формирует борокарбиды железа (Fe₂₃(CB)₆) на границах аустенитного зерна и уменьшает зависимость температуры перлитного фазового превращения от скорости охлаждения благодаря эффекту ускорения перлитного превращения. Кроме того, B является элементом, который придает более однородное распределение твердости участку рельса от наружной поверхности части головки до ее внутренней части и увеличивает срок службы рельса. Однако, когда содержание B составляет меньше чем 0,0001%, эти эффекты становятся недостаточными, и улучшения распределения твердости в части головки рельса не наблюдается. С другой стороны, когда содержание B составляет больше чем 0,0050%, образуются грубые борокарбиды железа, способствующие хрупкому разрушению, и ударная вязкость рельса может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание В находилось в диапазоне 0,0001% - 0,0050%, когда В содержится.

[0092]

Cu: Предпочтительно от 0,01% до 1,00%

Cu является элементом, который твердорастворяется в феррите перлитной структуры и улучшает твердость (прочность) за счет упрочнения твердым раствором, так что износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению улучшаются. Однако, когда содержание меди составляет менее 0,01 мас.%, этот эффект не может быть получен. С другой стороны, когда содержание Cu составляет больше чем 1,00%, мартенситная структура формируется в части головки рельса благодаря значительному улучшению прокаливаемости, и износостойкость может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Cu находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Cu содержится.

[0093]

Ni: Предпочтительно от 0,01% до 1,00%

Ni является элементом, который улучшает ударную вязкость перлитной структуры и твердость (прочность) за счет упрочнения твердым раствором, и улучшает износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Кроме того, Ni является элементом, который связывается к Ti таким образом, что интерметаллическое соединение Ni₃Ti тонко выделяется в зоне теплового воздействия сварного шва и подавляет размягчение благодаря дисперсионному твердению. В дополнение к этому, Ni является элементом, который подавляет охрупчивание границ зерна в стали, содержащей Cu. Однако, когда содержание Ni составляет меньше чем 0,01%, эти эффекты являются чрезвычайно малыми. С другой стороны, когда содержание Ni составляет больше чем 1,00%, мартенситная структура формируется в части головки рельса благодаря значительному улучшению прокаливаемости, и износостойкость рельса может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ni находилось в диапазоне 0,01% - 1,00%, когда Ni содержится.

[0094]

Nb: Предпочтительно от 0,0010% до 0,0500%

Nb является элементом, который выделяется как карбид Nb и/или нитрид Nb в процессе охлаждения после горячей прокатки, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения и улучшает износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Кроме того, Nb является элементом, эффективным для предотвращения размягчения зоны теплового воздействия сварного соединения, вызывая устойчивое формирование карбида Nb или нитрида Nb от низкотемпературного диапазона до высокотемпературного диапазона в зоне теплового воздействия, повторно нагретой до диапазона температур ниже или равных точке Ac₁. Однако, когда содержание Nb составляет меньше чем 0,0010%, эти эффекты не могут быть получены в достаточной степени, и улучшения твердости (прочности) перлитной структуры не наблюдается. С другой стороны, когда содержание Nb составляет больше, чем 0,0500%, дисперсионное твердение карбида Nb или нитрида Nb является чрезмерным, перлитная структура делается хрупкой, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Nb находилось в диапазоне 0,0010% - 0,0500%, когда Nb содержится.

[0095]

Ti: Предпочтительно от 0,0030% до 0,0500%

Ti является элементом, который выделяется как карбид и/или нитрид Ti в процессе охлаждения после горячей прокатки, увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры за счет дисперсионного твердения и улучшает износостойкость и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Кроме того, Ti является элементом, эффективным для предотвращения охрупчивание сварного соединения за счет улучшения структуры зоны теплового воздействия, нагретой до аустенитной области, с использованием конфигурации, в которой выделившийся карбид Ti или нитрид Ti не растворяется во время повторного нагревания при сварке. Однако когда содержание Ti составляет меньше чем 0,0030%, эти эффекты являются чрезвычайно малыми. С другой стороны, когда содержание Ti превышает 0,0500%, формируется грубый карбид Ti или нитрид Ti, и усталостные трещины инициируются благодаря концентрации напряжений, так что стойкость к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ti находилось в диапазоне 0,0030% - 0,0500%, когда Ti содержится.

[0096]

Mg: Предпочтительно от 0,0005% до 0,0200%

Mg является элементом, который связывается с серой, образуя тонкий сульфид. Этот сульфид Mg тонко диспергирует MnS, ослабляет концентрацию напряжений и улучшает стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Однако, когда содержание Mg составляет меньше чем 0,0005%, эти эффекты являются малыми. С другой стороны, когда содержание Mg превышает 0,0200%, формируется грубый оксид Mg, и усталостные трещины инициируются благодаря концентрации напряжений, так что стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Mg находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0200%, когда Mg содержится.

[0097]

Ca: Предпочтительно от 0,0005% до 0,0200%

Ca является элементом, который имеет прочную силу связи с серой и образует CaS (сульфид). Этот CaS тонко диспергирует MnS, ослабляет концентрацию напряжений и улучшает стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению. Однако, когда содержание Ca составляет меньше чем 0,0005%, эти эффекты являются малыми. С другой стороны, когда содержание Ca превышает 0,0200%, формируется грубый оксид Ca, и усталостные трещины инициируются благодаря концентрации напряжений, так что стойкость к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Ca находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0200%, когда Ca содержится.

[0098]

РЗМ: Предпочтительно от 0,0005% до 0,0500%

РЗМ является элементом для раскисления и десульфуризации и формирует оксисульфид РЗМ (РЗМ₂O₂S), служащий ядром для формирования включения на основе сульфида Mn, когда РЗМ содержится. Кроме того, поскольку точка плавления оксисульфида (РЗМ₂O₂S) является высокой, удлинение включений на основе сульфида Mn после горячей прокатки подавляется. В результате, когда РЗМ содержится, MnS тонко диспергируется, концентрация напряжений ослабляется, и стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению улучшается. Однако когда содержание РЗМ составляет менее 0,0005%, его становится недостаточно в качестве ядер, образующих сульфиды на основе MnS, и эти эффекты становятся малыми. В то же время, когда содержание РЗМ превышает 0,0500%, твердый оксисульфид РЗМ (РЗМ₂O₂S) формируется в избытке, и усталостные трещины инициируются благодаря концентрации напряжений, так что стойкость к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание РЗМ находилось в диапазоне 0,0005% - 0,0500%, когда РЗМ содержится.

[0099]

Кроме того, РЗМ представляет собой редкоземельный металл, такой как Ce, La, Pr или Nd. Содержание РЗМ означает полное содержание этих элементов. Когда это полное содержание находится в вышеописанном диапазоне, те же самые эффекты могут быть получены независимо от того, присутствует ли единственный элемент или комбинация элементов (два или более).

[0100]

Zr: Предпочтительно от 0,0001% до 0,0200%

Zr связывается с O и образует включения ZrO₂. Поскольку эти включения ZrO₂ имеют превосходное соответствие решетки с γ-Fe, включения ZrO₂ служат отвержденным ядром высокоуглеродистой рельсовой стали, в которой γ-Fe является отвержденной первичной фазой и подавляет формирование зоны сегрегации в центральной части отливки за счет увеличения равноосного кристаллического отношения структуры отверждения. В дополнение к этому, Zr является элементом, который подавляет формирование мартенситной структуры в сегрегационной части рельса путем подавления формирования зоны сегрегации в центральной части отливки. Однако, когда содержание Zr составляет меньше чем 0,0001%, количество образуемых включений на основе ZrO₂ становится малым, и эти включения в недостаточной степени проявляют эффекты ядер отверждения. С другой стороны, когда содержание Zr превышает 0,0200%, образуется большое количество грубых включений на основе Zr, и усталостные трещины инициируются благодаря концентрации напряжений, так что стойкость рельса к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Zr находилось в диапазоне 0,0001% - 0,0200%, когда Zr содержится.

[0101]

Al: Предпочтительно от 0,0100% до 1,00%

Al является элементом, который функционирует как раскислитель. Кроме того, Al является элементом, который сдвигает температуру эвтектоидного фазового превращения в сторону ее повышения, способствует увеличению твердости (прочности) перлитной структуры и таким образом улучшает сопротивление износу или стойкость к внутреннему усталостному повреждению перлитной структуры. Однако, когда содержание Al составляет менее 0,0100%, эти эффекты являются малыми. С другой стороны, когда содержание Al превышает 1,00%, растворение Al в стали затрудняется, и таким образом формируются грубые включения на основе глинозема. Поскольку эти грубые включения на основе алюминия являются источником усталостных трещин, стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса может ухудшиться. Кроме того, когда содержание Al превышает 1,00%, во время сварки образуется оксид, и свариваемость может значительно ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы содержание Al находилось в диапазоне 0,0100% - 1,00%, когда Al содержится.

[0102]

В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления контролируются легирующий компонент рельсовой стали, структура, твердость поверхности или внутренней части головки, численная плотность тонкого нитрида V, включающего Cr, а также состав нитрида V, включающего Cr. В результате износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса для использования на грузовых железных дорогах улучшаются, и его срок службы может быть значительно улучшен.

[0103]

Далее будет описан предпочтительный способ производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Когда рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя вышеописанные элементы, структуры и т.п., эффекты могут быть получены независимо от способа производства. Однако способ производства, включающий следующие процессы, является предпочтительным, потому что он позволяет устойчиво получать рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0104]

В способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления рельс может быть получен путем нагрева блюма, имеющего химический состав рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления, горячей прокатки нагретого блюма для формирования рельса и выполнения ускоренного охлаждения и регулируемого охлаждения рельса. Предпочтительные производственные условия показаны в следующей таблице, и конкретные причины этого будут описаны ниже. Конечное обжатие при прокатке представляет собой уменьшение площади поперечного сечения в части головки рельса. В дополнение к этому, температура (отличающаяся от температуры блюма), показанная как условие термической обработки, относится к температуре наружной поверхности части головки рельса. В рельсе в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо управлять структурой диапазона от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм, твердостью и нитридом V, включающим Cr, в положении от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм, а конфигурация других положений особенно не ограничивается. Следовательно, условия термической обработки также определяются для наружной поверхности части головки.

[0105]

[Таблица 1]

Скорость нагревания блюма 1-8°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C Конечная температура нагрева блюма 1200°C или выше Температура финишной прокатки 850°C - 1000°C Конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения в части головки рельса) 2% - 20% Начальная температура ускоренного охлаждения 750°C или выше Средняя скорость ускоренного охлаждения 2-30°C/с Конечная температура ускоренного охлаждения 580°C - 660°C Температура выдержки при регулируемом охлаждении от 580°C до 660°C Колебание температуры поверхности рельса при выдержке в ходе регулируемого охлаждения 60°C или ниже Время выдержки при регулируемом охлаждении 5-150 с Охлаждение после выдержки при регулируемом охлаждении воздушное охлаждение или ускоренное охлаждение

[0106]

Рельс в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть произведен путем плавки сырья в обычно используемой плавильной печи, такой как конвертер или электропечь, чтобы получить расплавленную сталь, имеющую регулируемый состав, отливки расплавленной стали с использованием способа получения слитка и блюмной заготовки или способа непрерывной разливки для получения блюма (блюма или сляба), повторного нагрева и горячей прокатки блюма формирования рельса, и выполнения термической обработки после горячей прокатки. Химический состав блюма может быть тем же самым, что и у вышеописанного рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0107]

Для управления численной плотностью и размером зерна нитрида V, включающего Cr, в ходе ряда процессов необходимо управлять нагревающимися условиями нагрева блюма перед прокаткой, а также управлять условиями термической обработки после прокатки. В дополнение к этому, чтобы управлять твердостью или структурой части головки рельса, необходимо управлять условиями прокатки рельса и условиями термической обработки после прокатки.

[0108]

Сначала будет описано управление условиями нагрева блюма перед прокаткой. Процесс нагревания блюма является самым важным для того, чтобы устойчиво формировать тонкий нитрид V, включающий Cr, посредством термической обработки рельса. Поскольку регулируемое охлаждение не выполняется во время производства блюма, нитрид V, включающий Cr, огрубляется. Соответственно для того, чтобы устойчиво формировать тонкий нитрид V, включающий Cr, после термической обработки рельса, необходимо повторно растворить огрубленный нитрид V, включающий Cr, в блюме перед прокаткой. Следовательно, в диапазоне температур (1000°C - 1200°C), в котором повторно растворяется нитрид V, включающий Cr, необходимо управлять условиями нагрева блюма.

[0109]

Условия нагрева блюма предпочтительно являются следующими.

Скорость нагревания: 1-8°C/мин

Диапазон температур с управляемой скоростью: 1000°C - 1200°C

Вышеописанная температура является температурным условием блюма, и предпочтительно, чтобы температура нагревательной печи контролировалась так, чтобы удовлетворять вышеописанным условиям нагрева. В дополнение к этому, следует отметить, что скорость нагревания блюма перед горячей прокаткой не является средней скоростью нагревания. То есть скорость нагревания - это скорость постепенного нагревания во время нагревания. В способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо устанавливать скорость повышения температуры постоянно равной 1-8°C/мин, в то время как температура блюма увеличивается от 1000°C до 1200°C. Другими словами, когда зависимость температуры T [°C] блюма от времени t [мин] определяется как T(t), в способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления необходимо устанавливать значение dT(t)/dt [°C/мин] постоянным и равным 1-8, в то время как температура блюма увеличивается от 1000°C до 1200°C.

[0110]

Сначала будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы скорость нагревания блюма находилась в диапазоне 1-8°C/мин.

Когда скорость нагревания составляет менее 1°C/мин, нитрид V, включающий Cr, огрубленный во время отливки, повторно растворяется. В этом случае нитрид V, включающий Cr, снова выделяется во время нагревания и огрубляется. Следовательно, становится трудным растворить нитрид V, включающий Cr, и может быть трудным устойчиво формировать тонкий нитрид V, включающий Cr, во время термической обработки рельса. Кроме того, когда скорость нагревания составляет менее 1°C/мин, нагрев блюма является чрезмерным, и трещины инициируются в блюме в ходе обезуглероживания поверхности блюма. Следовательно, может иметь место случай, когда качество готового рельса после горячей прокатки и термической обработки не может быть обеспечено. В дополнение к этому, когда скорость нагревания составляет менее 1°C/мин, используется большое количество топлива для нагрева, и таким образом экономическая эффективность может ухудшиться.

[0111]

С другой стороны, когда скорость нагревания составляет более 8°C/мин, трудно повторно растворить нитрид V, включающий Cr, огрубленный во время отливки, и остается огрубленный нитрид V, включающий Cr. Кроме того, может быть трудным устойчиво формировать тонкий нитрид V, включающий Cr, во время термической обработки рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы скорость нагревания находилась в диапазоне 1-8°C/мин. Скорость нагревания может составлять 2°C/мин или больше или 3°C/мин или больше. Скорость нагревания может составлять 7°C/мин или меньше, 6°C/мин или меньше, или 5°C/мин или меньше.

[0112]

Как было описано выше, скорость нагревания представляет собой скорость постепенного нагревания во время нагревания блюма. При управлении скоростью постепенного нагревания блюма в вышеописанном диапазоне тонкий нитрид V, включающий Cr, может быть устойчиво сформирован посредством термической обработки рельса, полученного путем горячей прокатки блюма. Скорость нагревания после того, как температура блюма превысит 1200°C, особенно не ограничивается. В дополнение к этому, температура (конечная температура нагрева), при которой останавливается нагревание блюма, может иметь любое значение от 1200°C и выше. Конечная температура нагрева блюма может быть равна 1220°C или выше, 1250°C или выше, или 1300°C или выше.

[0113]

Далее будет описано управление условиями прокатки рельса и условиями термической обработки после прокатки. Для того, чтобы управлять твердостью или структурой части головки рельса, необходимо управлять условиями прокатки и условиями термической обработки после прокатки. В дополнение к этому, чтобы управлять численной плотностью и размером зерна нитрида V, включающего Cr, необходимо управлять условиями термической обработки после прокатки. Предпочтительно, чтобы условия прокатки и условия термической обработки после прокатки находились в следующем диапазоне. Ускоренное охлаждение относится к охлаждению, которое выполняется путем распыления охлаждающего агента, такого как вода и т.п., на поверхность рельса. Время начала и время окончания ускоренного охлаждения представляют собой время начала и время окончания распыления охлаждающего агента. В дополнение к этому, скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения относится к средней скорости охлаждения, и конкретно является значением, получаемым путем деления разности между температурами поверхности рельса во время начала и во время окончания ускоренного охлаждения на фактическое время между моментом начала и моментом окончания ускоренного охлаждения.

[0114]

- Условия горячей прокатки

Температура наружной поверхности части головки при финишной прокатке: 850°C - 1000°C

Конечное обжатие при прокатке поперечного сечения части головки (уменьшение площади поперечного сечения в части головки рельса): 2-20%

- Условия термической обработки после горячей прокатки (наружная поверхность части головки): ускоренное охлаждение и регулируемое охлаждение выполняются после прокатки

Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки)

Средняя скорость охлаждения: 2-30°C/с

Температура начала ускоренного охлаждения: 750°C или выше

Температура конца ускоренного охлаждения: 580°C - 660°C

Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки)

Температура наружной поверхности части головки удерживается в диапазоне 580°C - 660°C в течение 5-150 с после остановки ускоренного охлаждения, после чего выполняются воздушное охлаждение и ускоренное охлаждение.

Выдержка при температуре: температура регулируется путем управления скоростью ускоренного охлаждения, повторения выполнения и остановки ускоренного охлаждения, а также выполнения ускоренного охлаждения в соответствии с повторным нагревом от внутренней части рельса.

[0115]

Когда отношением количества атомов Cr (CA) к количеству атомов V (VA) в нитриде V, включающем Cr, управляют для предотвращения инициирования волосных трещин вокруг нитрида, предпочтительно, чтобы описанные выше условия ускоренного охлаждения и условия регулируемого охлаждения изменялись на следующие условия.

[0116]

Ускоренное охлаждение (наружная поверхность части головки)

Средняя скорость охлаждения: 2-30°C/с

Температура начала ускоренного охлаждения: 750°C или выше

Температура конца ускоренного охлаждения: 600°C - 650°C

Регулируемое охлаждение (наружная поверхность части головки)

Температура наружной поверхности части головки удерживается в диапазоне 600°C - 650°C в течение 20-150 с после остановки ускоренного охлаждения, после чего выполняются воздушное охлаждение и ускоренное охлаждение.

Выдержка при температуре во время регулируемого охлаждения: температура регулируется в предопределенном диапазоне температур путем управления скоростью ускоренного охлаждения, повторения выполнения и остановки ускоренного охлаждения в соответствии с повторным нагревом от внутренней части рельса.

[0117]

Сначала будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы температура финишной прокатки (наружной поверхности части головки) во время горячей прокатки находилась в диапазоне 850°C - 1000°C.

Когда температура финишной прокатки (наружной поверхности части головки) является более низкой, чем 850°C, измельчение аустенитных зерен после прокатки становится значительным. В этом случае прокаливаемость значительно ухудшается, и может быть трудным гарантировать твердость части головки рельса. Кроме того, когда конечная температура прокатки (наружной поверхности части головки) является более высокой, чем 1000°C, аустенитные зерна после прокатки становятся грубыми, прокаливаемость чрезмерно увеличивается, и бейнитная структура, вредная для износостойкости, легко образуется в части головки рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы конечная температура прокатки (наружной поверхности части головки) находилась в диапазоне 850°C - 1000°C. Конечная температура прокатки может быть равна 860°C или выше, 880°C или выше, или 900°C или выше. Конечная температура прокатки может быть равна 980°C или ниже, 960°C или ниже, или 940°C или ниже.

[0118]

Далее будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади) находилось в диапазоне 2-20%.

Когда конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения части головки рельса) составляет менее 2%, аустенитные зерна после прокатки огрубляются, прокаливаемость чрезмерно увеличивается, бейнитная структура, вредная для износостойкости, легко образуется в части головки рельса, размер зерна перлитной структуры увеличивается, и может иметь место случай, когда пластичность или ударная вязкость, требуемые для рельса, не могут быть обеспечены. С другой стороны, когда конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения части головки рельса) составляет более 20%, измельчение аустенитных зерен после прокатки становится значительным, прокаливаемость значительно ухудшается, и становится трудным гарантировать твердость части головки рельса. Поэтому предпочтительно, чтобы конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения части головки рельса) находилось в диапазоне 2-20%. Конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения части головки рельса) может составлять 4% или больше, 6% или больше, или 8% или больше. Конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади поперечного сечения части головки рельса) может составлять 18% или меньше, 16% или меньше, или 14% или меньше.

[0119]

Если вышеописанные условия удовлетворяются, другие условия прокатки части головки рельса особенно не ограничиваются. Для того, чтобы гарантировать твердость части головки рельса, необходимо только контролировать температуру финишной прокатки. В качестве способа прокатки может использоваться, например, способ, описанный в первой публикации японской нерассмотренной патентной заявки № 2002-226915, в котором получается главным образом перлитная структура. А именно, после выполнения черновой прокатки блюма промежуточная прокатка выполняется за множество проходов с использованием реверсивной клети, а затем финишная прокатка выполняется за два прохода или больше с использованием непрерывно действующей клети. Температурой финишной прокатки можно управлять в вышеописанном диапазоне температур.

[0120]

Далее рассматривается причина, по которой предпочтительно, чтобы средняя скорость ускоренного охлаждения (наружной поверхности части головки) находилась в диапазоне 2°C/с - 30°C/с.

Когда средняя скорость охлаждения составляет меньше чем 2°C/с, перлитное превращение начинается в диапазоне высоких температур во время ускоренного охлаждения. В результате в компонентной системе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления часть, имеющая твердость меньше чем HV 360, формируется на поверхности части головки рельса, и может быть трудным гарантировать износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению, требуемые для рельса. С другой стороны, когда средняя скорость охлаждения составляет более 30°C/с, в компонентной системе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления твердость перлитной структуры значительно увеличивается. Кроме того, бейнитная структура или мартенситная структура формируются на поверхности части головки рельса, что вызывает ухудшение износостойкости или ударной вязкости рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 2°C/с - 30°C/с. Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения может составлять 3°C/с или больше, 4°C/с или больше, или 5°C/с или больше. Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения может составлять 25°C/с или меньше, 20°C/с или меньше, или 15°C/с или меньше.

[0121]

Далее будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы температура начала ускоренного охлаждения (то есть температура рельса, при которой начинается распыление охлаждающего агента) составляла 750°C или выше, а температура конца ускоренного охлаждения (то есть температура рельса, при которой останавливается распыление охлаждающего агента) находилась в диапазоне 580°C - 660°C.

Когда температура начала ускоренного охлаждения наружной поверхности части головки является более низкой, чем 750°C, перлитная структура иногда образуется в области высокой температуры до ускоренного охлаждения. В этом случае, предопределенная твердость не может быть получена, и становится трудно гарантировать износостойкость или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса. Кроме того, в этом случае в стали, имеющей относительно большое количество углерода, возникает опасность образования доэвтектоидного цементита, при этом перлитная структура становится хрупкой, и ударная вязкость рельса ухудшается. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура наружной поверхности части головки рельса во время начала ускоренного охлаждения составляла 750°C или выше. Для того, чтобы установить начальную температуру ускоренного охлаждения равной 750°C или выше с учетом вышеописанной температуры финишной прокатки, предполагается, что ускоренное охлаждение требуется начать в пределах 180 с после завершения горячей прокатки.

[0122]

В дополнение к этому, когда температура остановки ускоренного охлаждения является более высокой, чем 660°C, перлитное превращение начинается в области высоких температур сразу же после охлаждения, и образуется большое количество перлитной структуры, имеющей низкую твердость. В результате твердость поверхности части головки рельса не может быть обеспечена, и может быть трудно гарантировать износостойкость или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса. С другой стороны, когда температура остановки ускоренного охлаждения является более низкой, чем 580°C, большое количество бейнитной структуры, вредной для износостойкости, формируется на поверхности части головки рельса немедленно после охлаждения, и может быть трудно гарантировать износостойкость, требуемую для рельса. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура остановки ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 660°C.

[0123]

Охлаждающий агент для термической обработки части головки рельса во время ускоренного охлаждения особенно не ограничивается. Для того, чтобы управлять твердостью в предопределенном диапазоне с тем, чтобы придать рельсу износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, предпочтительно управлять скоростью охлаждения части головки рельса во время термической обработки с использованием охлаждения путем обдува воздухом, охлаждения туманом, охлаждения смешанным обдувом водой и воздухом, или их комбинации.

[0124]

Далее будет описана причина ограничения предпочтительных условий для регулируемого охлаждения, которое выполняется после ускоренного охлаждения. Этот процесс в значительной степени влияет на численную плотность и размер зерна нитрида V, включающего Cr. В способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления во время регулируемого охлаждения температура рельса уменьшается после выдержки в предопределенном диапазоне в течение предопределенного времени путем распыления охлаждающего агента в соответствии со степенью повторного нагрева. Таким образом, процесс регулируемого охлаждения можно также назвать комбинацией процесса выдержки температуры и последующего процесса охлаждения.

[0125]

Один пример конфигурации регулируемого охлаждения будет описан ниже. В способе производства рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления сначала заканчивается вышеописанное ускоренное охлаждение. Время окончания ускоренного охлаждения является также временем начала выдержки температуры во время регулируемого охлаждения. После остановки ускоренного охлаждения в рельсе создается повторный нагрев, и температура поверхности рельса обычно увеличивается. Температура поверхности рельса увеличивается до некоторой степени благодаря повторному нагреванию, а затем снова уменьшается, когда охлаждающий агент распыляется на рельс. Температура поверхности рельса уменьшается до некоторой степени благодаря распылению охлаждающего агента, а затем снова увеличивается, когда распыление охлаждающего агента на рельс останавливается. Таким образом, выдержка температуры во время регулируемого охлаждения рельса обычно достигается путем повторения увеличения температуры за счет повторного нагрева и уменьшения температуры за счет охлаждения. Таким образом, предпочтительно, чтобы ускоренное охлаждение останавливалось на низкотемпературной стороне в температурной области, в которой выдерживается температура, и чтобы охлаждение начиналось после наблюдения повторного нагревания, образующейся изнутри части головки рельса, и чтобы охлаждение останавливалось прежде, чем температура достигнет нижнего предела предопределенного диапазона температур. Кроме того, предпочтительно, чтобы это регулирование температуры выполнялось неоднократно для того, чтобы управлять временем выдержки. Когда величина повторного нагрева является малой, также эффективно выполнять нагрев с использованием катушки индуктивного нагрева и т.п. Однако степень повторного нагрева является малой, и даже когда охлаждающий агент не распыляется, колебание температуры на поверхности рельса может поддерживаться внутри заданного диапазона. В этом случае температура может выдерживаться просто путем оставления рельса.

[0126]

Во время температурной выдержки регулируемого охлаждения предпочтительно, чтобы температура поверхности рельса находилась в диапазоне 580°C - 660°C, предпочтительно, чтобы колебание температуры поверхности рельса не превышало 60°C, и предпочтительно, чтобы время температурной выдержки находилось в диапазоне 5-150 с.

[0127]

Сначала будет описана причина, почему предпочтительно, чтобы температура выдержки после ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 660°C, а колебание температуры поверхности рельса не превышало 60°C.

Когда температура выдержки превышает 660°C, в компонентной системе рельса в соответствии с настоящим вариантом осуществления перлитное превращение начинается в диапазоне высоких температур немедленно после охлаждения, и большое количество перлитной структуры, имеющей низкую твердость, формируется на поверхности части головки рельса. В результате твердость не может быть обеспечена, и трудно гарантировать износостойкость или стойкость к поверхностному повреждению, требуемые для рельса. Кроме того, в этом случае ускоряется формирование нитрида V, включающего Cr, в части головки рельса, и численная плотность чрезмерно увеличивается. В результате перлитная структура в части головки рельса становится хрупкой, ускоряется инициирование трещин, и стойкость к внутреннему усталостному повреждению может ухудшиться.

[0128]

С другой стороны, когда температура выдержки является более низкой, чем 580°C, большое количество бейнитной структуры, вредной для износостойкости, формируется на поверхности части головки рельса. В результате может быть трудно гарантировать износостойкость, требуемую для рельса. Кроме того, в этом случае формирование нитрида V, включающего Cr, в части головки рельса подавляется, и численная плотность уменьшается. В результате улучшение микроскопического размягчения в феррите перлитной структуры становится недостаточным, и улучшения стойкости к внутреннему усталостному повреждению рельса не наблюдается. Следовательно, предпочтительно, чтобы температура выдержки после ускоренного охлаждения находилась в диапазоне 580°C - 660°C.

[0129]

Когда колебание температуры поверхности рельса превышает 60°C, макроскопическая твердость перлитной структуры на поверхности части головки рельса становится неоднородной. В результате может быть трудно гарантировать износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению, требуемые для рельса. Поэтому предпочтительно, чтобы колебание температуры поверхности рельса не превышало 60°C.

[0130]

Далее будет описана причина, по которой предпочтительно, чтобы время выдержки находилось в диапазоне 5-150 с. Когда температура выдерживается с помощью комбинации повторного нагрева и распыления охлаждающего агента, время выдержки относится к промежутку времени от конца ускоренного охлаждения до конца окончательного повторного нагрева (то есть момента времени, когда температура рельса начинает уменьшаться естественным образом, или до момента начала распыления охлаждающего агента). Когда температура выдерживается только с помощью повторного нагревания или нагревания за счет превращения, время выдержки относится к промежутку времени от конца ускоренного охлаждения до конца повторного нагрева или нагревания за счет превращения (то есть момента времени, когда температура рельса начинает уменьшаться естественным образом, или до момента начала распыления охлаждающего агента).

Когда время выдержки составляет более 150 с, происходит отпуск перлитной структуры во время выдержки, и перлитная структура размягчается. В результате твердость поверхности и внутренней части головки рельса не могут быть обеспечены, и трудно гарантировать износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению, требуемые для рельса. Кроме того, в этом случае в части головки рельса растет нитрид V, включающий Cr, и размер его зерна увеличивается. В результате численная плотность тонкого нитрида V, включающего Cr, уменьшается, и нельзя ожидать улучшения микроскопического размягчения феррита перлитной структуры.

С другой стороны, когда время выдержки составляет менее 5 с, перлитное превращение не завершается во время выдержки, и формируется мартенситная структура. В результате становится трудно гарантировать износостойкость или стойкость к внутреннему усталостному повреждению поверхности и внутренней части головки рельса. В дополнение к этому, в этом случае рост нитрида V, включающего Cr, подавляется, и размер его зерна уменьшается. В результате численная плотность тонкого нитрида V, включающего Cr, уменьшается, микроскопическое размягчение феррита перлитной структуры не улучшается, и нельзя ожидать улучшения стойкости к внутреннему усталостному повреждению. Поэтому предпочтительно, чтобы время выдержки температуры после ускоренного охлаждения находилось в диапазоне 5-150 с.

[0131]

Способ выдержки температуры во время регулируемого охлаждения особенно не ограничивается. Предпочтительно выполнять охлаждение, которое управляет повторным нагревом изнутри части головки рельса, путем повторяющегося выполнения охлаждения и остановки для наружной поверхности части головки рельса с использованием обдува охлаждающим воздухом, охлаждения туманом, смешанного охлаждения потоком воздуха и воды или хладагента, получаемого путем их комбинации.

[0132]

Далее будет описана причина, по которой при управлении количеством нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, и значением CA/VA предпочтительно, чтобы температура выдержки находилась в диапазоне 600°C - 650°C, а время выдержки находилось в диапазоне 20-120 с во время регулируемого охлаждения.

[0133]

Когда температура выдержки составляет менее 600°C, количество атомов Cr в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, значение CA/VA увеличивается, и трудно достичь предопределенного значения CA/VA. В результате становится трудно предотвратить инициирование волосных трещин вокруг нитрида V, включающего Cr. С другой стороны, когда температура выдержки превышает 650°C, количество атомов V в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, и становится трудно устойчиво поддерживать значение CA/VA. Поэтому предпочтительно, чтобы температура выдержки находилась в диапазоне 600°C - 650°C.

[0134]

Когда время выдержки составляет менее 20 с, количество атомов Cr в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, значение CA/VA увеличивается, и становится трудно достичь предопределенного значения CA/VA. В результате становится трудно предотвратить инициирование волосных трещин вокруг нитрида V, включающего Cr. С другой стороны, когда время выдержки превышает 120 с, количество атомов V в нитриде V, включающем Cr, увеличивается, значение CA/VA уменьшается, и становится трудно достичь предопределенного значения CA/VA. В результате становится трудно предотвратить инициирование волосных трещин вокруг нитрида V, включающего Cr. Поэтому предпочтительно, чтобы время выдержки находилось в диапазоне 20-120 с.

[0135]

После температурной выдержки выполняются воздушное охлаждение и ускоренное охлаждение рельса. Когда скорость охлаждения рельса после температурной выдержки является чрезмерно медленной, как в том случае, когда температура выдерживается в течение длительного времени, во время выдержки происходит отпуск перлитной структуры, что создает опасность недостижения требуемой твердости поверхности и внутренней части головки рельса, а также уменьшения численной плотности тонкого нитрида V, включающего Cr. Соответственно, предполагается, что предотвращения этих проблем необходимо поддерживать скорость охлаждения 0,5°C/с или выше до тех пор, пока температура не достигнет по меньшей мере приблизительно 200°C. Это условие охлаждения может быть удовлетворено путем оставления рельса на воздухе при нормальной температуре или путем выполнения ускоренного охлаждения рельса после температурной выдержки.

[Примеры]

[0136]

Для того, чтобы проверить эффекты настоящего изобретения, эксперимент был выполнен в соответствии со следующей процедурой.

Каждый из блюмов, имеющих химические составы, показанные в Таблицах 2-1 - 2-4, был нагрет, нагретый блюм был подвергнут горячей прокатке для того, чтобы сформировать рельс, после чего были выполнены ускоренное охлаждение и регулируемое охлаждение этого рельса. В результате был получен рельс, имеющий металлографическую структуру, твердость и содержание нитрида V, включающего Cr, показанные в Таблицах 3-1 - 3-4. В этих таблицах подчеркнутые значения находятся за пределами диапазона настоящего изобретения. Производственные условия являются следующими, если иное не указано в таблицах в столбце «Примечания».

- Скорость нагревания блюма: 4°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C

- Конечная температура нагревания блюма: 1250°C

- Температура финишной прокатки: 950°C

- Конечное обжатие при прокатке (уменьшение площади): 5% - 10%

- Начальная температура ускоренного охлаждения: 800°C

- Средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения: 6-8°C/с

- Конечная температура во время ускоренного охлаждения: 600°C

- Температура выдержки во время регулируемого охлаждения: 600°C - 660°C

- Время выдержки при регулируемом охлаждении: 20-40 с

- Охлаждение после завершения выдержки: рельс охлаждался до комнатной температуры путем оставления его на воздухе при нормальной температуре

[0137]

С другой стороны, рельсы, описанные ниже, были произведены при следующих производственных условиях, как описано в таблице в столбце «Примечания».

В № 49 конечная температура во время ускоренного охлаждения была равна 560°C, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 50 средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения была равна 35,0°C/с, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 53 средняя скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения была равна 1,0°C/с, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 54 конечная температура во время ускоренного охлаждения была равна 680°C, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 57 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1100°C была равна 10°C/мин, но скорость нагревания блюма в диапазоне 1100°C - 1200°C была равна 5°C/мин, а другие условия соответствовали описанным выше.

В № 58 скорость нагревания блюма в диапазоне 1100°C - 1200°C была равна 12 °C/мин, но скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1100°C была равна 6°C/мин, а другие условия соответствовали описанным выше.

В № 59 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1100°C была равна 0,5°C/мин, но скорость нагревания блюма в диапазоне 1100°C - 1200°C была равна 4 °C/мин, а другие условия соответствовали описанным выше.

В № 60 скорость нагревания блюма в диапазоне 1100°C - 1200°C была равна 0,8 °C/мин, но скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1100°C была равна 3°C/мин, а другие условия соответствовали описанным выше.

В № 61 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 10,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 79 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 8,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше. В № 80 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 6,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 81 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 5,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 82 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 3,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше.

В № 83 скорость нагревания блюма в диапазоне 1000°C - 1200°C была равна 2,0°C/мин, но другие условия соответствовали описанным выше.

[0138]

Для рельсов, полученных с помощью вышеописанной процедуры, (1) доля площади перлитной структуры (поверхностная доля площади перлита и доля площади перлита на глубине 25 мм), (2) твердость (поверхностная твердость и твердость на глубине 25 мм), (3) состояние выделений (численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, а также значение CA/VA) и (4) характеристики (стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость) оценивались с помощью следующей процедуры.

[0139]

(1) Доля площади перлитной структуры измерялась путем вырезания образца из поперечного сечения каждой из частей головки рельса, травления 3% ниталем каждого из образцов после его полирования алмазными абразивными частицами и наблюдения структуры с помощью оптического (200-кратного) микроскопа. В этом измерении выбирались 10 полей зрения от наружной поверхности части головки до глубины 2 мм и 10 полей зрения от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм. Среднее значение долей площади структур перлита в этих 10 полях зрения от наружной поверхности части головки до глубины 2 мм принималось в качестве «поверхностной доли площади перлита», а среднее значение долей площади структур перлита в 10 полях зрения от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм принималось в качестве «доли площади перлита на глубине 25 мм». Когда обе эти доли площади для рельса составляли 95% или больше, считалось, что структура в пределах от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм включает в себя по площади 95% или больше перлитной структуры.

[0140]

(2) Твердость получалась путем вырезания образца из поперечного сечения каждой из частей головки рельса, полирования части каждого из образцов, соответствующей поперечному сечению рельса, алмазными абразивными частицами, имеющими средний размер зерна 1 мкм, и измерения твердости с использованием твердомера Виккерса (нагрузка: 98 Н) в соответствии со стандартом JIS Z 2244. Твердость измерялась в 20 точках в любом положении на глубине 2 мм от наружной поверхности части головки, и среднее значение этих измерений принималось в качестве поверхностной твердости. Твердость измерялась в 20 точках в любом положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, и среднее значение этих измерений принималось в качестве твердости на глубине 25 мм. Когда обе эти твердости рельса находились в диапазоне HV 360-500, считалось, что твердость структуры в диапазоне от наружной поверхности части головки до глубины 25 мм находится в диапазоне HV 360-500.

[0141]

(3) Состояние включения определялось путем взятия нескольких игольчатых образцов, имеющих радиус кривизны 30-80 нм, с использованием способа сфокусированного ионного пучка (FIB) из феррита перлитной структуры в нескольких положениях в пределах от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм и оценки этих образцов с использованием способа трехмерного атомного зонда (3DAP). Подробности условий оценки были описаны выше. В игольчатых образцах, полученных как было описано выше, среднее значение численной плотности нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения принималось в качестве «численной плотности хромсодержащего нитрида V», а среднее значение отношения CA к VA (среднее значение для всех игольчатых образцов) в нитриде V, имеющем размер зерна 0,5-4,0 нм и включающем Cr, в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения принималось в качестве значения «CA/VA».

[0142]

(4) Характеристики рельса оценивались с использованием прибора для испытания на усталость при качении, показанного на Фиг. 2. Что касается формы образца для испытаний, использовался рельс длиной 2 м и весом 141 фунт, колеса типа AAR (диаметр: 920 мм) использовались в качестве колес, контактирующих с рельсом, а нагрузки, прикладываемые к колесам, составляли: радиальная: от 275 до 325 кН и осевая: от 50 до 80 кН. Смазочный материал не использовался при оценке износостойкости, и масляная смазка использовалась при оценке стойкости к внутреннему усталостному повреждению.

[0143]

При оценке износостойкости вышеописанный тест выполнялся пять раз до тех пор, пока величина износа части поверхностного слоя головки рельса не превысила 25 мм, и среднее значение совокупного пропускаемого тоннажа, накопленного до тех пор, пока величина износа части поверхностного слоя головки рельса не превысила 25 мм, принималось в качестве индекса износостойкости рельса. Критерии оценки были следующими. Рельс, получивший одну из оценок А - C, считался имеющим превосходную износостойкость.

A: когда величина износа достигла 25 мм, совокупный пропускаемый тоннаж был больше чем 175 Мбт и 200 Мбт или меньше.

В: когда величина износа достигла 25 мм, совокупный пропускаемый тоннаж был больше чем 150 Мбт и 175 Мбт или меньше.

С: когда величина износа достигла 25 мм, совокупный пропускаемый тоннаж был больше чем 100 Мбт и 150 Мбт или меньше.

X: когда величина износа достигла 25 мм, совокупный пропускаемый тоннаж был меньше чем 100 Мбт.

[0144]

При оценке стойкости к внутреннему усталостному повреждению с использованием ультразвукового дефектоскопа определялось, образовались ли трещины в части головки, трещина, имеющая длину 2 мм или больше, определялась как дефект, и вышеописанный тест выполнялся 5 раз до тех пор, пока не сформировалась трещина. Если дефект не формировался, тест останавливался при 200 Мбт (миллионов брутто-тонн), и совокупный пропускаемый тоннаж до момента образования дефекта принимался равным 200 Мбт. Среднее значение совокупного пропускаемого тоннажа, накопленного до момента образования дефекта, использовалось в качестве индекса при оценке стойкости к внутреннему усталостному повреждению рельса. Критерии оценки были следующими. Рельс, получивший одну из оценок А - C, считался имеющим превосходную стойкость к внутреннему усталостному повреждению.

A: до момента образования дефекта совокупный пропускаемый тоннаж составил больше чем 175 Мбт и 200 Мбт или меньше.

В: до момента образования дефекта совокупный пропускаемый тоннаж составил больше чем 150 Мбт и 175 Мбт или меньше.

С: до момента образования дефекта совокупный пропускаемый тоннаж составил больше чем 100 Мбт и 150 Мбт или меньше.

X: до момента образования дефекта совокупный пропускаемый тоннаж составил меньше чем 100 Мбт.

[0145]

[Таблица 2-1]

C Si Mn Cr V N P S Mo Co B Cu Ni Nb Ti Mg Ca РЗМ Zr Al 1 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 2 Сравнительный пример 1,35 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 3 Пример 1,20 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 4 Пример 1,05 0,50 0,70 0,35 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 5 Пример 0,90 0,50 0,70 0,35 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 6 Пример 0,75 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 7 Сравнительный пример 0,70 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 8 Сравнительный пример 1,00 2,30 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 9 Пример 1,00 2,00 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 10 Пример 1,10 1,00 0,60 0,40 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 11 Пример 1,10 0,50 0,60 0,40 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 12 Пример 1,00 0,10 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 13 Сравнительный пример 1,00 0,05 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 14 Сравнительный пример 1,00 0,50 2,50 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 15 Пример 1,00 0,50 2,00 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 16 Пример 0,95 0,80 1,10 0,50 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 17 Пример 0,95 0,80 0,55 0,50 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 18 Пример 1,00 0,50 0,10 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 19 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,05 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 20 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 1,50 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 21 Пример 1,00 0,50 0,80 1,20 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - -

[0146]

[Таблица 2-2]

C Si Mn Cr V N P S Mo Co B Cu Ni Nb Ti Mg Ca РЗМ Zr Al 22 Пример 0,85 0,50 0,60 0,85 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 23 Пример 0,85 0,50 0,60 0,55 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 24 Пример 1,00 0,50 0,80 0,10 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 25 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,05 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 26 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,30 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 27 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,19 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 28 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,15 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 29 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,10 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 30 Пример 0,90 0,45 0,90 0,65 0,08 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 31 Пример 0,90 0,45 0,90 0,65 0,04 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 32 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,03 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 33 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,005 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 34 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0250 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 35 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0200 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 36 Пример 0,95 0,50 0,60 0,50 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 37 Пример 0,95 0,50 0,60 0,50 0,05 0,0080 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 38 Пример 0,95 0,50 0,60 0,50 0,05 0,0050 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 39 Пример 0,95 0,50 0,60 0,50 0,05 0,0040 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 40 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0030 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 41 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0020 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 42 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,035 0,012 - - - - - - - - - - - - 43 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,025 0,012 - - - - - - - - - - - -

[0147]

[Таблица 2-3]

C Si Mn Cr V N P S Mo Co B Cu Ni Nb Ti Mg Ca РЗМ Zr Al 44 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,018 0,012 - - - - - - - - - - - - 45 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,040 - - - - - - - - - - - - 46 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,025 - - - - - - - - - - - - 47 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,015 - - - - - - - - - - - - 48 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 49 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 50 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 51 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 52 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 53 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 54 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 55 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 56 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 57 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 58 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 59 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 60 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 61 Сравнительный пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 62 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - -

[0148]

[Таблица 2-4]

C Si Mn Cr V N P S Mo Co B Cu Ni Nb Ti Mg Ca РЗМ Zr Al 62 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 63 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 64 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 65 Пример 0,80 0,60 0,65 0,45 0,05 0,0150 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 66 Пример 1,10 0,50 0,80 0,65 0,08 0,0080 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 67 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 0,50 - - - - - - - - - - - 68 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - 1,00 - - - - - - - - - - 69 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - 0,005 - - - - - - - - - 70 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - 1,00 - - - - - - - - 71 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - 1,00 - - - - - - - 72 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - 0,05 - - - - - - 73 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - 0,05 - - - - - 74 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - 0,0200 - - - - 75 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - 0,0200 - - - 76 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - 0,0500 - - 77 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - 0,020 - 78 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - 1,00 79 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 80 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 81 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 82 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - - 83 Пример 1,00 0,50 0,80 0,30 0,05 0,0120 0,012 0,012 - - - - - - - - - - - -

[0149]

[Таблица 3-1]

Поверхностная доля площади перлита (% площади） Доля площади перлита на глубине 25 мм (% площади) Поверхностная твердость (HV) Твердость на глубине 25 мм (HV) Численная плотность хромсодержащих нитридов V (×10^-17 см^-3) CA/VA Примечания Стойкость к внутреннему усталостному повреждению Износостойкость 1 Пример 99 98 450 400 3,0 0,50 B B 2 Сравнительный пример 94 93 450 400 3,0 0,50 доэвтектоидный цементит был сформирован X A 3 Пример 99 98 450 450 3,0 0,50 C A 4 Пример 98 98 440 390 3,0 0,55 B B 5 Пример 98 98 420 380 3,0 0,55 C C 6 Пример 99 99 400 370 3,0 0,50 C C 7 Сравнительный пример 90 92 330 310 3,0 0,50 доэвтектоидный феррит был сформирован X C 8 Сравнительный пример 75 80 565 400 3,0 0,50 мартенсит был сформирован B X 9 Пример 99 99 475 420 3,0 0,50 C C 10 Пример 99 99 460 410 3,0 0,60 B A 11 Пример 99 98 435 400 3,0 0,60 B A 12 Пример 99 98 380 370 3,0 0,50 C C 13 Сравнительный пример 99 99 340 320 3,0 0,50 B X 14 Сравнительный пример 80 85 550 450 3,0 0,50 мартенсит был сформирован X X 15 Пример 99 99 460 415 3,0 0,50 C C 16 Пример 99 98 460 420 3,0 0,50 B B 17 Пример 99 99 425 390 3,0 0,50 B B 18 Пример 99 99 400 385 3,0 0,50 C C 19 Сравнительный пример 90 92 340 330 3,0 0,50 доэвтектоидный феррит был сформирован X X 20 Сравнительный пример 75 80 600 490 5,5 0,65 мартенсит был сформирован X X 21 Пример 99 99 470 430 4,0 0,60 C C

[0150]

[Таблица 3-2]

Поверхностная доля площади перлита (% площади) Доля площади перлита на глубине 25 мм (% площади) Поверхностная твердость (HV) Твердость на глубине 25 мм (HV) Численная плотность хромсодержащих нитридов V (×10^-17 см^-3) CA/VA Примечания Стойкость к внутреннему усталостному повреждению Износостойкость 22 Пример 99 98 450 420 3,5 0,55 B C 23 Пример 99 99 420 380 3,0 0,40 C C 24 Пример 99 98 390 360 2,0 0,25 C C 25 Сравнительный пример 99 99 330 310 0,5 0,10 перлитная структура была размягчена+сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным X X 26 Сравнительный пример 99 99 480 430 7,0 0,05 структура перлита стала хрупкой X B 27 Пример 99 98 475 450 4,0 0,07 C B 28 Пример 99 98 470 440 3,9 0,08 C B 29 Пример 99 98 465 435 3,8 0,10 B B 30 Пример 99 98 460 430 3,5 0,20 A C 31 Пример 99 99 420 380 2,0 0,45 B C 32 Пример 99 98 390 370 1,5 0,65 C B 33 Сравнительный пример 99 99 380 365 0,7 0,70 сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным X B 34 Сравнительный пример 99 98 480 430 6,0 0,50 структура перлита стала хрупкой X A 35 Пример 99 98 460 425 4,5 0,50 C B 36 Пример 99 99 440 400 3,0 0,50 B B 37 Пример 99 98 425 440 2,0 0,50 B B 38 Пример 99 98 420 400 1,8 0,50 C B 39 Пример 99 98 410 380 1,7 0,50 C B 40 Пример 99 99 410 375 1,5 0,50 C B 41 Сравнительный пример 99 99 400 385 0,2 0,50 сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным X B 42 Сравнительный пример 99 98 450 410 3,0 0,50 структура перлита стала хрупкой X B 43 Пример 99 99 450 410 3,0 0,50 C B

[0151]

[Таблица 3-3]

Поверхностная доля площади перлита (% площади) Доля площади перлита на глубине 25 мм (% площади) Поверхностная твердость (HV) Твердость на глубине 25 мм (HV) Численная плотность хромсодержащих нитридов V (×10^-17 см^-3) CA/VA Примечания Стойкость к внутреннему усталостному повреждению Износостойкость 44 Пример 99 99 450 410 3,0 0,50 B B 45 Сравнительный пример 99 99 450 410 3,0 0,50 MnS был огрублен X B 46 Пример 99 98 450 410 3,0 0,50 C B 47 Пример 99 99 450 410 3,0 0,50 B B 48 Пример 95 95 450 415 3,0 0,50 C C 49 Сравнительный пример 70 72 380 375 3,0 0,50 бейнит был сформирован (температура остановки ускоренного охлаждения： 560°C) X X 50 Сравнительный пример 99 99 520 470 3,0 0,50 твердость перлитной структуры была чрезмерно высокой (скорость ускоренного охлаждения была высокой: 35,0°C/с) X B 51 Пример 99 98 500 480 3,0 0,50 C B 52 Пример 99 98 360 360 3,0 0,50 C C 53 Сравнительный пример 99 99 320 310 3,0 0,50 твердость перлитной структуры была низкой (скорость ускоренного охлаждения была низкой： 1,0°C/с) X X 54 Сравнительный пример 99 98 470 430 8,0 0,50 температура остановки ускоренного охлаждения была высокой (680°C) => выделения образовались в избытке => перлитная структура сделалась хрупкой X B 55 Пример 99 99 460 410 5,0 0,50 C B 56 Пример 99 99 400 375 1,0 0,50 C B 57 Сравнительный пример 99 99 370 370 0,6 0,50 осталось огрубленное зерно => сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным => перлитная структура размягчилась (нагрев со скоростью 10°C/мин в диапазоне 1000°C - 1100°C) X B 58 Сравнительный пример 99 98 380 375 0,7 0,50 осталось огрубленное зерно => сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным => перлитная структура размягчилась (нагрев со скоростью 12°C/мин в диапазоне 1100°C - 1200°C) X B 59 Сравнительный
Пример 99 98 390 385 0,8 0,50 осталось огрубленное зерно => сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным => перлитная структура размягчилась (нагрев со скоростью 0,5°C/мин в диапазоне 1000°C - 1100°C) X B 60 Сравнительный пример 99 99 395 390 0,9 0,50 осталось огрубленное зерно => сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным => перлитная структура размягчилась (нагрев со скоростью 0,8°C/мин в диапазоне 1100°C - 1200°C) X B 61 Сравнительный пример 99 99 385 380 0,5 0,50 осталось огрубленное зерно => сокращение небольшого размягчения выделений было недостаточным => перлитная структура размягчилась (нагрев со скоростью 10,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C) X B

[0152]

[Таблица 3-4]

Поверхностная доля площади перлита (% площади) Доля площади перлита на глубине 25 мм (% площади) Поверхностная твердость (HV) Твердость на глубине 25 мм (HV) Численная плотность хромсодержащих нитридов V (×10^-17 см^-3) CA/VA Примечания Стойкость к внутреннему усталостному повреждению Износостойкость 62 Пример 99 99 470 420 3,0 0,70 A B 63 Пример 99 99 470 420 3,0 0,80 значение CA/VA было высоким, стойкость к внутреннему усталостному повреждению немного уменьшилась B B 64 Пример 99 98 470 420 3,0 1,00 значение CA/VA было высоким, стойкость к внутреннему усталостному повреждению немного уменьшилась C B 65 Пример 99 99 415 385 3,5 1,20 значение CA/VA было высоким, стойкость к внутреннему усталостному повреждению немного уменьшилась C C 66 Пример 99 99 475 430 4,0 0,95 значение CA/VA было высоким, стойкость к внутреннему усталостному повреждению немного уменьшилась C A 67 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A A 68 Пример 99 98 470 430 3,0 0,50 A A 69 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A B 70 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A A 71 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A A 72 Пример 99 98 470 430 3,0 0,50 A A 73 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A A 74 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A B 75 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A B 76 Пример 99 98 470 430 3,0 0,50 A B 77 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A B 78 Пример 99 99 470 430 3,0 0,50 A A 79 Пример 99 99 470 380 1,5 0,50 нагревание со скоростью 8,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C C A 80 Пример 99 99 470 400 2,0 0,50 нагревание со скоростью 6,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C B A 81 Пример 99 99 470 420 2,5 0,50 нагревание со скоростью 5,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C A A 82 Пример 99 99 470 420 2,5 0,50 нагревание со скоростью 3,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C A A 83 Пример 99 99 470 400 2,0 0,50 нагревание со скоростью 2,0°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C B A

[0153]

Как показано в таблицах, в рельсе, в котором химический состав, доля площади перлитной структуры, твердость и численная плотность нитрида V, включающего Cr, находились в диапазонах настоящего изобретения, износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению были превосходными. В дополнение к этому, в рельсе, в котором значение CA/VA находилось в диапазоне настоящего изобретения, износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению были более высокими.

[0154]

С другой стороны, в рельсе в соответствии со Сравнительными примерами, в которых один или более параметров из химического состава, доли площади перлитной структуры, твердости и численной плотности нитрида V, включающего Cr, находились за пределами диапазонов настоящего изобретения, либо износостойкость, либо стойкость к внутреннему усталостному повреждению, либо и то, и другое были недостаточными.

В № 2 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание C было чрезмерно большим, сформировалось большое количество доэвтектоидного цементита, так что количество перлитной структуры было недостаточным.

В № 7 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание C было недостаточным, сформировалось большое количество доэвтектоидного феррита, так что количество и твердость перлитной структуры были недостаточными.

В № 8 износостойкость была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание Si было чрезмерно большим, сформировалось большое количество мартенсита, так что количество перлитной структуры было недостаточным, и твердость была чрезмерно высокой. Мартенсит имеет высокую твердость, но низкую износостойкость. Следовательно, мартенсит не способствует износостойкости № 8.

В № 13 износостойкость была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание Si было недостаточным, твердость была недостаточной.

В № 14 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание Mn было чрезмерно большим, сформировалось большое количество мартенсита, так что количество перлитной структуры было недостаточным, и твердость была чрезмерно высокой.

В № 19 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание Mn было недостаточным, сформировалось большое количество доэвтектоидного феррита, так что количество и твердость перлитной структуры были недостаточными.

В № 20 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание Cr было чрезмерно большим, сформировалось большое количество мартенсита, так что количество перлитной структуры было недостаточным, твердость была чрезмерно высокой, и численная плотность нитрида V, включающего Cr, была чрезмерно высокой.

В № 25 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку перлитная структура размягчилась, и численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной благодаря недостаточному количеству Cr, локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 26 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание V было чрезмерно большим, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была чрезмерно большой, и перлитная структура стала хрупкой.

В № 33 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной благодаря недостаточному количеству V, локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 34 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание N было чрезмерно большим, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была чрезмерно большой, и перлитная структура стала хрупкой.

В № 41 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной благодаря недостаточному количеству N, локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 42 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание P было чрезмерно большим, перлитная структура стала хрупкой.

В № 45 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку содержание S было чрезмерно большим, сформировалось большое количество грубого MnS.

В № 49 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку температура остановки ускоренного охлаждения была чрезмерно низкой, сформировался бейнит, и перлитная структура была недостаточной.

В № 50 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку скорость ускоренного охлаждения была чрезмерно высокой, твердость перлитной структуры была чрезмерно большой.

В № 53 ухудшились стойкость к внутреннему усталостному повреждению и износостойкость. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку скорость ускоренного охлаждения была чрезмерно низкой, твердость перлитной структуры была недостаточной.

В № 54 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку температура остановки ускоренного охлаждения была чрезмерно высокой, нитрид V, включающий Cr, сформировался в чрезмерном количестве, и перлитная структура стала хрупкой.

В № 57 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку был период, в котором скорость нагревания блюма была высокой, остался нитрид V, включающий Cr, огрубленный во время литья, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной, и локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 58 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку был период, в котором скорость нагревания блюма была высокой, остался нитрид V, включающий Cr, огрубленный во время отливки, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной, и локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 59 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку был период, в котором скорость нагревания блюма была низкой, нитрид V, включающий Cr, был временно растворен, повторно выделен и огрублен во время нагревания, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной, и локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 60 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку был период, в котором скорость нагревания блюма была низкой, нитрид V, включающий Cr, был временно растворен, повторно выделен и огрублен во время нагревания, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной, и локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

В № 61 стойкость к внутреннему усталостному повреждению была ухудшена. Причина этого предположительно заключается в том, что поскольку был период, в котором скорость нагревания блюма была высокой, остался нитрид V, включающий Cr, огрубленный во время отливки, численная плотность нитрида V, включающего Cr, была недостаточной, и локальное размягчение феррита в перлитной структуре не было подавлено.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0155]

В соответствии с настоящим изобретением износостойкость и стойкость к внутреннему усталостному повреждению рельса могут быть улучшены. Соответственно, в соответствии с настоящим изобретением, например, срок службы рельса, используемого на грузовых железных дорогах, может быть значительно улучшен.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0156]

1: Верхняя часть головки

2: Угловая часть головки

3: Часть головки рельса

3a: Поверхностная часть головки

4: Ползун для перемещения рельса

5: Рельс

6: Колесо

7: Двигатель

8: Устройство нагружения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному рельсу, используемому на грузовых железных дорогах. Рельс содержит, в мас.%: C: от 0,75 до 1,20, Si: от 0,10 до 2,00, Mn: от 0,10 до 2,00, Cr: от 0,10 до 1,20, V: от 0,010 до 0,200, N: от 0,0030 до 0,0200, P ≤ 0,0250, S ≤ 0,0250, Mo: от 0 до 0,50, Co: от 0 до 1,00, B: от 0 до 0,0050, Cu: от 0 до 1,00, Ni: от 0 до 1,00, Nb: от 0 до 0,0500, Ti: от 0 до 0,0500, Mg: от 0 до 0,0200, Ca: от 0 до 0,0200, РЗМ: от 0 до 0,0500, Zr: от 0 до 0,0200, Al: от 0 до 1,00, остальное - железо и примеси. Структура рельса в пределах от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм включает в себя 95% или больше перлитной структуры, в долях площади, а твердость этой структуры находится в диапазоне HV 360-500. В феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, находится в диапазоне 1,0 × 10¹⁷ - 5,0 × 10¹⁷ см^-3. Обеспечивается высокое сопротивление износу и стойкость к внутреннему усталостному повреждению. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 9 табл.

1. Рельс, содержащий, в мас.%:

C: от 0,75 до 1,20;

Si: от 0,10 до 2,00;

Mn: от 0,10 до 2,00;

Cr: от 0,10 до 1,20;

V: от 0,010 до 0,200;

N: от 0,0030 до 0,0200;

P ≤ 0,0250;

S ≤ 0,0250;

Mo: от 0 до 0,50;

Co: от 0 до 1,00;

B: от 0 до 0,0050;

Cu: от 0 до 1,00;

Ni: от 0 до 1,00;

Nb: от 0 до 0,0500;

Ti: от 0 до 0,0500;

Mg: от 0 до 0,0200;

Ca: от 0 до 0,0200;

РЗМ: от 0 до 0,0500;

Zr: от 0 до 0,0200;

Al: от 0 до 1,00; и

остаток, включающий железо и примеси,

в котором структура в пределах от наружной поверхности части головки как исходного положения до глубины 25 мм включает в себя 95% или больше перлитной структуры, в долях площади,

твердость этой структуры находится в диапазоне HV 360-500, и

в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки как исходного положения численная плотность нитрида V, имеющего размер зерна 0,5-4,0 нм и включающего Cr, находится в диапазоне 1,0 × 10¹⁷ - 5,0 × 10¹⁷ см^-3.

2. Рельс по п. 1,

в котором в нитриде V, с размером зерна 0,5-4,0 нм и включающем Cr, в феррите перлитной структуры в положении на глубине 25 мм от наружной поверхности части головки, когда количество атомов V равно VA, а количество атомов Cr равно CA, среднее значение CA/VA удовлетворяет следующему Выражению 1:

0,01 ≤ среднее значение CA/VA ≤ 0,70 Выражение 1.

3. Рельс по п. 1 или 2, содержащий, в мас.%, одну или более из следующих группы, состоящих из:

группы а: Mo: от 0,01 до 0,50;

группы b: Co: от 0,01 до 1,00;

группы c: B: от 0,0001 до 0,0050;

группы d: один или два элемента, выбираемых из Cu: от 0,01 до 1,00 и Ni: от 0,01 до 1,00;

группы е: один или более элементов, выбираемых из Nb: от 0,0010% до 0,0500 и Ti: от 0,0030 до 0,0500;

группы f: один или более элементов, выбираемых из Mg: от 0,0005 до 0,0200, Ca: от 0,0005 до 0,0200, и РЗМ: от 0,0005 до 0,0500;

группы g: Zr: от 0,0001 до 0,0200; и

группы h: Al: от 0,0100 до 1,00.

4. Способ производства рельса, включающий:

нагрев блюма до конечной температуры нагрева 1200°C или выше со скоростью 1-8°C/мин в диапазоне 1000°C - 1200°C, причем блюм включает в себя, в мас.%, C: от 0,75 до 1,20, Si: от 0,10 до 2,00, Mn: от 0,10 до 2,00, Cr: от 0,10 до 1,20, V: от 0,010 до 0,200, N: от 0,0030 до 0,0200, P ≤ 0,0250, S ≤ 0,0250, Mo: от 0 до 0,50, Со: от 0 до 1,00, B: от 0 до 0,0050, Cu: от 0 до 1,00, Ni: от 0 до 1,00, Nb: от 0 до 0,0500, Ti: от 0 до 0,0500, Mg: от 0 до 0,0200, Ca: от 0 до 0,0200, РЗМ: от 0 до 0,0500, Zr: от 0 до 0,0200, Al: от 0 до 1,00, а также остаток, содержащий Fe и примеси;

горячую прокатку нагретого блюма при условиях температуры финишной прокатки 850°C - 1000°C и конечном обжатии при прокатке 2% - 20% для формирования рельса;

выполнение ускоренного охлаждения рельса, при этом начальная температура ускоренного охлаждения составляет 750°C или выше, средняя скорость охлаждения для ускоренного охлаждения 2-30°C/с, а конечная температура ускоренного охлаждения составляет 580°C - 660°C;

выполнение выдержки рельса при температуре 580°C - 660°C в течение времени выдержки 5-150 с при обеспечении колебания температуры поверхности рельса в процессе выдержки 60°C или ниже, и

выполнение воздушного охлаждения или ускоренного охлаждения рельса до нормальной температуры.