Износостойкий рельс Советский патент 1993 года по МПК C21D9/04 

Изобретение касается износостойких рельс высокой прочности, используемых на дугообразных участках железнодорожного пути, которые располагают способностью предотвращать распространение неустойчивой трещины.

Трещина в рельсе часто приводит к крушению поезда. К причинам, вызывающим трещину, следует отнести повреждение от срезающего или сдвигающего усилия, вызываемого контактом между рельсом и вагон- ным колесом, расщелины в местах соединений рельс, скрытые трещины в рельсах, большие примеси оксида и глубокие поверхностные дефекты. Когда рельс используется в течение длительного периода времени, разные трещины, имеющиеся в разных участках рельса, приводят к поперечным или продольным дефектам, связанным с усталостью. Такие дефекты со временем распространяются. В конечном счете достигается удельная величина прочности на разрыв (например, величина KI по стандарту ASTM Е 399). Как следствие, образуется неустойчивая трещина, которая приводит к разрыву рельса. В случае крушения поезда, вызывающего большое количество жертв, после исследования конца рельса из износостойкого стального сплава было установлено, что разрушения неустойчивых трещин, вызванных ударной нагрузкой, причиняемой вагонными колесами, распространяются по длине свыше 10 м в продольном направлении в шейке рельса. Такие трещины разветвляются до головки рельса или подошвы рельса, приводя, таким образом, к случайному разрыву.

Для предотвращения этих дефектов в предшествующем уровне техники использовался износостойкий рельс, стойкость к износу головки которого, входящей в контакт с вагонными колесами, достигалась путем создания тонкой перлитной структуры, име00 00

ел о о

00

ющей более высокую прочность, чем обычный рельс.

Хотя такая тонкая перлитная структура обеспечивает отличное свойство износостойкости, она является хрупкой, так что ее сопротивление образованию неустойчивой трещины небольшое. По этой причине, когда требуется использование такого рельса, чтобы предотвращать образование поверхностных и внутренних дефектов, если имеется опасность образования таких дефектов, то необходимо периодически проверять возможность наличия таких дефектов с помощью ультразвукового прибора, прежде чем нестойкая трещина образуется, чтобы обнаружить изъять дефектные участки.

Хотя предпринимались различные шаги по увеличению сопротивления образова-. кию неустойчивой трещины, вызываемой усталостью, дефектам, образующимся в специфических участках, например в шейке и подошве рельса, и по увеличению процента обнаружения дефектов, эти шаги не всегда эффективны. В любом случае всегда необходимо контролировать, образование дефектов и распространение неустойчивых разрушительных трещин. Также невозможно избежать образования таких дефектов и их распространения.

Целью изобретения является создание износостойкого рельса, имеющего способность предотвращать распространение неустойчивых трещин.

Согласно настоящему изобретению, создан износостойкий рельс, содержащий, мае. %: от 0,65 до 0,82 С, от 0,15 до 1,0 Si; от 0,50 до 1,50 Мп; от 0,001 до 0,020 Р; от 0,001 до 0,035 S; от 0,001 до 0,050 AI и баланс из железа и примесей, при этом шейка рельса имеет либо отпущенную бейнитную структуру, либо отпущенную структуру мартенсита, либо смесь этих структур, а головка рельса имеет тонкую перлитную структуру высокой прочности.

Путем включения С больше 0,5 мас.% обеспечивается свойство износостойкости. Когда содержание Si становится больше 0,10 мас.% и когда Мп составляет больше 0,50 мас.%, прочность может быть увеличена. Когда количество С выбирается меньше 0,85 мас.% и когда количество Si выбирается меньше 1,00 мас.%, может пред отвращаться снижение пластичности/вязкости. Когда содержание Р и S выбирается в размере 0,03 мас.% соответственно, снижение пластичности и прочности может быть предотвращено. Когда содержание Мп выбирается менее 1,50 мас.%, ухудшения свариваемости можно избежать. Далее, когда AI выбирается в количестве менее 0,050 мас.%, ухудшение свойства сопротивления усталости может быть предотвращено.

Если шейка рельса имеет отпущенную

бейнитную структуру высокой прочности или мартенситную структуру или - же смешанную бейнитно-мартенситную структуру, расширение неустойчивой трещины может эффективно предотвращаться. Далее, при0 давая головке рельса тонкую перлитную структуру высокой прочности, можно увеличить износостойкость рельса.

Установлено, что горизонтальная трещина в головке или шейке рельса, вызван5 ная усталостью, распространяется., приводя к большому разрушению, особенно когда трещина, образовавшаяся в шейке рельса, распространяется в сторону головки и подошвы рельса и вызывает большое по0 вреждение, например отрыв головки рельса. Поэтому важно придать шейке рельса свойство, которое останавливает распространение с высокой скоростью неустойчивой разрушительной трещины. Мы провели

5 много исследований для придания шейке рельса способности останавливать распространение с высокой скоростью неустойчивых разрушительных трещин путем различного изменения состава и структуры

0 рельсовой стали и установили, что структура металла, состоящего по существу из отпущенной байнитной структуры, отпущенной мартенситной структуры и их смеси, обладает самым высоким свойством, и эти структу5 ры намного лучше, чем перлитная структура или отпущенная перлитная структура, используемая в отношении шейки износостойкого рельса. Мы изготовили испытательные рельсы, головки которых со0 стояли из тонкой перлитной структуры высокой прочности, а шейки - из отпущенной байнитной структуры или отпущенной мар- тенеитной структуры, или смешанной отпущенной бейнитной структуры и

5 мартенситной структуры, и подвергали испытательные рельсы испытанию на излом. Результаты испытаний показали, что эти испытательные рельсы имеют значительно улучшенное свойство останавливать рас0 пространение неустойчивых разрушительных трещин, предотвращая тем самым разлом или излом рельс.

Химический состав рельса ограничивался на следующих основаниях: С является

5 необходимым элементом для придания свойства износостойкости; SI использовался для цели раскисления и для повышения прочности; Мп необходим для улучшения прочности; Р и S являются элементами - примесями, и когда их количества превышают: 0,035%, снижаются и пластичность и прочность. По этой причине верхний предел каждого элемента Р и составляет 0,035% AI использовался в сочетании с SI, чтобы действовать в качестве элемента раскисления. При количестве AI более 0,050% образуется не только большое количество А120з. но и также ухудшается усталостная характеристика, так что 0.050% составляет верхний предел AI. Вышеописанная комбинация важна для рельса, согласно настоящему изобретению, и описанные элементы важны для образования тонкой перлитной структуры высокой прочности в головке рельса. Да- лее эти элементы необходимы для обеспечения минимального свойства термической закалки шейки рельса.

Необходимо включать в сталь один или больше нижеследующих элементов для це- ли более эффективного производства рельс согласно настоящему изобретению, мас,%: Сг: от 0,05 до 1,20 Мо: от 0,05 до 0,20 V: от 0,03 до 0,009 N1: от 0,10 до 1.00 Nb: от 0,005 до 0,050

Эти процентные количества были выбраны по следующим причинам.

Конкретно, Сг улучшает свойство термической закалки,таким образом создавая возможность образовать головку рельса как тонкую перлитную структуру. Кроме того. Сг увеличивает сопротивление размягчению перлитной структуры во время отпуска, облегчая тем самым получение тонкой перлитной структуры высокой прочности. Когда шейка рельса состоит из бейнитной или мартенситной структуры, улучшение свойства термической закалки эффективно для подавления смешивания перлитной структуры, необходимо для переноса перлитного выступа (носа на сторону длительного времени).

Аналогично хрому, Мо повышает свойство термической закалки и прочность, потому что Мо увеличивает сопротивление размягчению, связанному с термической закалкой перлитной структуры. V и Nb не только улучшают свойство термической закалки, но и также показывают дисперсионное твердение, тем самым повышая прочность. N1 эффективен для улучшения свойства термической закалки и для повышения прочности и твердости.

Рельсовая сталь, имеющая описанный химический состав, подвергалась термиче- ской обработке при нижеследующих условиях для получения структур металла, характеризующих изобретение.

Более конкретно, использовался нагрев прокатки, т.е. нагрев, необходимый для проката рельса, или при необходимости предусматривалась теплосохраняющая печь, или же после прокатки и охлаждения рельса он снова нагревался до температуры более высокой, чем точка ACj. Часть рельса при температуре более высокой, чем точка АС$, охлаждалась. Таким образом, головка рельса подвергалась медленной термической за- калке с целью образования тонкой перлитной структуры с высокой прочностью. Шейка рельса быстро закалялась, чтобы охлаждать сторону более короткого времени, что перлитный выступ нос, и условие охлаждения изменялось, чтобы получить требуемую структуру металла. Для получения бейнитной структуры рельс поддерживался при постоянной температуре между температурой более высокой, чем точка Ms, и температурой более низкой, чем точка Bs (температура верхнего предела необходима для образования бейнитной структуры), чтобы провести удовлетворительно трансформацию. Для получения мартенситной структуры рельс охлаждался до температуры близкой к комнатной, при любой скорости охлаждения. При необходимости мог применяться способ многократной закалки. Для получения смешанной структуры бейнита и мартенсита соответствующее количество мартенсита образовалось путем нагревания рельса при температуре более низкой, чем точка Bs и требуемое количество бейнита получалось путем нагревания рельса при температуре более высокой чем точка Ms, но более низкой, чем точка Вз.Так как количество образовавшегося мартенсита зависело от температуры, количество бейнита поддерживалось при постоянной температуре, или же количество мартенсита закалялось с точки Ms.

Шейка рельса, имеющая бейнитную структуру, мартенситную структуру или бейнитную и мартенситную структуру, которые образовались описанным образом, подвергалась обработке с целью преобразования, что сопровожлась непрерывным отпуском. Альтернативно шейка рельса охлаждалась до комнатной температуры и затем отпускалась для получения структуры металла высокой прочности.

Когда шейка рельса подвергалась термической обработке, стык между шейкой и подошвой рельса должен иметь структуру аналогичную структуре шейки, и он неизбежно содержит перлитной структуры менее 30%. Даже когда головка и шейка рельса термически обрабатываются одновременно или независимо друг от друга, можно получать требуемые структуры металла. Хотя нет предела в отношении структуры подошвы рельса, однако выгодно, чтобы шейка и подошва рельса имели одинаковую структуру, обычно перлитную структуру.

Способ изготовления рельса согласно настоящему изобретению может приме-, няться к шейке обычной шейки, если требуется структура металла высокой прочности.

Нижеследующая таблица 1 иллюстрирует химический состав стали, использованной в настоящем изобретении.

Рельс изготавливался однним наследующих способов 1-3:

1.Рельс согласно настоящему изобретению, в котором головка имеет тонкую перлитную структуру высокой прочности и шейка имеет отпущенную бейнитную структуру, изготавливался следующим образом. Головка охлаждалась до температуры ниже 500°С от температуры, более высокой, чем точка Асз, со скоростью 40°С/с. Одновре- менно шейка закалялась со скоростью более высокой, чем 15°С/с, и поддерживалась при постоянной температуре между 300- 450РС, когда не менее 50% преобразовывалось в бейнит, и шейка снова нагревалась до 600-700°С со скоростью нагревания более 1°С/м. После отпуска шейка охлаждалась, подошва охлаждалась естественно.

2.Использовалась та же обработка, что и в способе 1, для получения рельса, имеющего головку, содержащую тонкую перлитную структуру, и шейку, содержащую отпущенную мартенситную структуру. Затем шейка охлаждалась до температуры ниже точки Ms (240°C), т.е. температуры (ниже 200°С), при которой более 50% преобразовывалось в мартенситную структуру. При необходимости при температуре непосредственно выше точки Ms охлаждение переключается на слабое охлаждение для проведения многократной закалки. После этого шейка непрерывно нагревалась до 600-700°С со скоростью 1°С/с, отпускалась и охлаждалась. Подошва рельса охлаждалась естественно.

3.Рельс, согласно настоящему изобретению с головкой, содержащей тонкую перлитную структуру, и шейкой, состоящей из отпущенной смеси бейнитной и мартенсит- ной структур, изготавливался следующим образом. Головка охлаждалась до температуры, ниже 500°С, от температуры, более высокой, чем точка АСз, со скоростью 2- 10°С/с. Одновременно шейка закалялась со скоростью, более высокой, чем 15°С/с и затем удерживалась при постоянной температуре между 250 и 450°С/с. Когда более 30% преобразовалось в бейнитную структуру, шейка охлаждалась до температуры ниже

точки Ms, производя таким образом мартен- ситное преобразование. Альтернативно шейка могла закаляться до температуры (200-100°С) при которой более 30% преобразуется в мартенситную структуру. После этого шейка непрерывно нагревалась до 300-450°С и удерживалась при этой температуре для получения бейнитного преобразования. После образования смешанной

структуры бейнита и мартенсита шейка непрерывно нагревалась до 600-700°С для проведения отпуска и затем охлаждалась. Подошва рельса охлаждалась естественно.

Когда Сг, Мо, V, N1 и Nb включались, как в случае сортов B-D, приведенных в табл.1, благодаря улучшению свойства термической закалки стало возможным медленно закаливать головку рельса и уменьшать скорость охлаждения во время закалки шейки. Дополнительно может быть повышена прочность, как описано выше.

После термической обработки рельс подвергался оценке с точки зрения способности рельса останавливать распространение неустойчивой разрушительной трещины в соответствии со следующими методами.

(I) Метод испытания рельса на изгиб,

имеющего щель. С помощью яйлы производилась щель, которая имела глубину 30 мм и ширину 3 мм, в головке рельса, и имела длину 1,5 м. Затем рельс устанавливался на опоры, отстоящие друг от друга на 1000 мм,

причем головка была обращена вниз, и щель устанавливалась по центру между опорами. Затем прилагалось статическое изгибающее усилие к этому рельсу, чтобы создать и распространить неустойчивую разрушительную трещину в местоположении щели. Характеристика останавливания распространения оценивалась по тому, рвался рельс или нет, и рельс, который не рвался, оценивался как имеющий свойство останавливать

распространение.

(It). Метод проведения горизонтального разлома (разрыва шейки).

Для оценки останавливающего свойства горизонтальной трещины рельсовой шейки испытываемый кусок был вырезан из определенного участка. Затем проводилось испытание в соответствии со способом испытания прочности и остановки трещины для получения еличины Ка. Испытываемый

кусок устанавливался на базовую плиту, и клин, включая шплинт, вводились в отверстие испытываемого куска.

Испытываемый кусок имел толщину 16 мм, ширину 138 мм, ширину щели, сообщающуюся с отверстием 10 мм, длину щели от

отверстия 45 мм и диаметр отверстия 25,5 мм.

Когда значение величины Ка, определяемое путем испытания шейки рельса на горизонтальную трещину (величина прочности в отношении останавливания трещин), превышает 200 кг/мм3/2 считается, что испытываемый кусок имеет свойство останавливать распространение неустойчивой разрушительной трещины.

Результаты испытания рельс согласно настоящему изобретению и согласно предшествующему уровню техники приведены в табл.2, которая показывает, что рельсы, согласно настоящему изобретению, имеют значительно более высокую характеристику останавливания распространения неустойчивой трещины, чем износостойкие рельсы.

Часть структуры металла шейки содержит менее 30% перлитной структуры.

Температура отпуска шейки составляет 650°С.

В соответствии с настоящим изобретением, в рельсе, имеющем тонкую перлитную структуру, высокую прочность и свойство износостойкости, образуется способность предотвращения распространения неустойчивой разрушительной трещины от головки до шейки рельса и распространения неустойчивой трещины в горизонтальном направлении в шейке с тем, чтобы предотвратить разлом или большое повреждение рельса.

Формула изобретения

Износостойкий рельс, выполненный в виде подошвы, соединенной с помощью шейки с головкой, имеющей структуру сорбита и изготовленный из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу и железо, отличающийся тем, что. с целью повышения эксплуатационных свойств рельса за счет предупреждения распространения трещин, он изготовлен из стали, дополнительно содержащей алюминий и один или более элементов из группы, содержащей хром, ванадий, никель, молибден, ниобий при следующем соотношении компонентов, мзс.%:

Углерод0,65-0,82

Кремний0,15-1,00

Марганец0,50-1,50

Фосфор0.001-0,020

Сера0,001-0.035

Алюминий0,001-0.050

один или более элементов из группы, содержащей:

Хром0,05-1,20

Ванадий0,03-0,09

Молибден0,05-0,20

Никель0,10-1,00

Ниобий0,005-0.050

ЖелезоОстальное

при этом шейка имеет либо отпущенную структуру мартенсита, или отпущенную структуру бейнита, или tMecb этих структур.

Сущность изобретения: выполненный в виде подошвы, соединенной с помощью шейки с головкой/имеющей структуру сорбита, изготовлен из стали, содержащей, мас.%: 0,65-0,82 углерода; 0,15-1,00 кремния; 0,50-1,50 марганца; 0,001-0,020 фосфора; 0,001-0,35 серы; 0,001-0,050 алюминия; один или более элементов из группы, содержащей 0,05-1,20 хрома; 0,03-0,09 ванадия; 0,05-0,20 молибдена: 0,10-1.0 никеля; 0,005-0,050 ниобия, остальное - железо. При этом шейка имеет либо отпущенную структуру мартенсита, либо отпущенную структуру бейнита, либо смесь этих структур. 2 табл.

Таблица 1

fp-тонкая перпитнэя структура,

Т.В, - отлученная бейнитная структура, : Т.М, - отпущенная мартгиситндя структура, Т.СИ. отлученная бейнигна - мартепситная структура

7абпииа2