用于生产轨道、轨道交叉口和转辙器的零件的钢以及生产所述零件的方法
【专利摘要】本发明涉及用于生产轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的零件的锻钢，其包含(以重量百分比计)：0.01-0.15％的碳；至多0.5％的硅；10-15％的锰；至少0.6-3.95％的钼；任选一种或多种下列元素：i.0.05-0.2％的镍和/或ii.0.05-0.2％的钴和/或iii.0.02-0.30％的Cr和/或iv.0.05-0.2％的铜；v.至多5ppm的H；vi.至多0.20％的V；vii.至多0.10％的Nb；viii.至多0.20％的Ti和/或Zr；ix.至多50ppm的B；x.至多250ppm的N；xi.至多0.2％的Al；xii.至多0.08％的S；xiii.至多0.08％的P；xiv.至多1.5％的W；和余量为铁及不可避免的杂质，并且涉及生产所述锻钢的方法及其用途。
【专利说明】用于生产轨道、轨道交叉口和转辙器的零件的钢以及生产 所述零件的方法
[0001] 本发明涉及用于生产轨道交叉口和转辙器的零件的锻钢并涉及用于生产所述零 件的方法。
[0002] 转辙器和交叉口（S&C)是轨系统的部件，在轨道线路中在使用中它们经受相当大 的负荷。
[0003] 几种技术正被用于生产这些S&C。目前，显著比例的S&C零件用铸造奥氏体锰钢 (AMS)制造。由于其在冲击上的高加工硬化能力、在固溶处理和水淬火之后的优良韧性、和 在加工硬化条件下非常好的耐磨性，因而通常使用AMS。AMS的名义化学组成分析为1. 2% 的C、13 %的Μη和0. 5 %的Si，其产生范围为200-250HB的体硬度。在经过一定量的运输以 后，所述S&C的硬度可以达到500-550HB的水平。
[0004] AMS也有许多缺点，例如低的0. 2%屈服应力。轨道道岔（point)和交叉口在服务 期间通常经历严重的冲击负载条件，导致塑性变形和加工硬化，这将材料强度提升到对进 一步的塑性流动更有抵抗性的水平。然而，在原始未硬化的条件下不可避免的相关尺寸变 化是不需要的。在轨路中，差别的负载导致不均匀的硬化和局部的塑性变形，并且所得差的 运行品质最终需要用焊接沉积物重建变形的轮廓。结果，重的轴向载荷应用中的AMS需要 频繁的磨削以去除形变（lipping)且需要焊接修补以修复变形高度损失。
[0005] AMS是难以铸造或机加工成S&C所需要的复杂形状的材料。而且，对轨道交叉口的 轨迹的任何改变需要新的铸造模具，使得不寻常的交叉口轮廓的生产非常昂贵。AMS窄的凝 固范围导致许多洞型缺陷，其可以是在使用中见到的开裂起始点。通常，AMS交叉口中的孔 隙发生在离新表面约10至15mm的深度，并且一旦达到该深度，由于由任何残余的孔隙引发 裂纹的风险，焊接修复以重建所述交叉口就变得不切实际。对于AMS部件，10年通常被视为 正常寿命，因为超过该期限缺陷的程度已经变得如此严重以至于继续补救的焊接修补是不 经济的，且必须替换所述部件。关于AMS的进一步的问题是奥氏体显微组织的热不稳定性， 这导致材料难以焊接。这种焊接中的困难不仅在原位焊接修补所述部件时是问题，而且在 部件制造的过程中也是问题，因为在将其安装在轨道线路中之前必须将轨焊接到所述组件 上。
[0006] 作为这些问题的结果，已经开发了对于常规AMS交叉口型的几种替代物。一些S&C 由复合金属夹层形式的材料构成，其中接触通过的火车的轮子的零件由具有不同组成、显 微组织和性质的硬质的、耐磨的中厚钢板制成。该物品的下部由基础钢组合物制造。这些解 决方案通常提供具有较好的焊接可修补性的较便宜的替代物，但是交叉口突出部分（nose) 的性质则取决于构成所述交叉口突出部分的钢组合物的精密水平。在许多情况下，这样的 组合物与磨损和特别是由AMS交叉口提供的滚动接触疲劳抵抗性不匹配。而且，这些解决 方案由于不同钢的复合夹层而较难以生产。
[0007] AMS的另一个替代物是在将零件安装在线路中之前提供具有加工硬化层的高锰零 件。表面预硬化技术可包括喷丸、辊压或爆炸硬化。在这些技术中，爆炸硬化通常是优选的 选择，因为它提供了足够厚以满足所述S&C的使用要求的硬化层。
[0008] 然而，用这些表面硬化技术难以控制硬化层的厚度。而且，表面硬化不解决焊接可 修补性问题和与铸造高锰零件相关的铸造缺陷。
[0009] 因此，本发明人着手设计针对这些问题的解决方案。
[0010] 本发明的目的是提供作为对AMS且特别是对铸造 AMS的替代物用于S&C的新型锻 钢。
[0011] 另一个目的是提供作为对AMS的替代物用于S&C的新型锻钢，所述锻钢对于通过 头顶（top-of-head)焊接修复步骤原位修补是可容易焊接的。
[0012] 又一个目的是提供对突出部分冲击（batter)将更有抵抗性的新型锻钢。
[0013] 另一个目的是提供用于S&C的新型锻钢，所述锻钢对于常规的珠光体轨是可焊接 的。
[0014] 又一个目的是提供用于S&C的新型锻钢，所述锻钢对于常规的珠光体轨是可闪光 对接焊的。
[0015] 通过提供用于生产轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的零件的锻钢达到本发明的一 个或多个目的，所述锻钢包含（以重量百分比计）：
[0016] ·0· 01-0. 15% 的碳；
[0017] ?至多0.5 %的硅；
[0018] · 10-15 % 的锰；
[0019] ?至少 0· 6-3. 95 % 的钥；
[0020] ?任选一种或多种下列元素：
[0021] 1.0.05_0.2%的镍和/或
[0022] ii. 0· 05-0. 2%的钴和 / 或
[0023] iii. 0· 02-0. 30%的 Cr 和 / 或
[0024] ^.0.05-0.2%的铜；
[0025] V.至多 5ppm 的 Η ;
[0026] vi.至多 0· 20%的 V ;
[0027] vii.至多 0· 10%的 Nb ;
[0028] viii.至多 0· 20%的 Ti 和 / 或 Zr ;
[0029] ix.至多 50ppm 的 B ;
[0030] X.至多 250ppm 的 N ;
[0031] xi.至多 0· 2%的 A1 ;
[0032] xii.至多 0· 08%的 S ;
[0033] xiii.至多 0· 08%的 P ;
[0034] xiv.至多 1. 5% 的 W ;
[0035] ?和余量为铁及不可避免的杂质。
[0036] 本发明允许生产单一类型的原料坯，随后可将所述原料坯机加工成需要满足当地 条件的任何交叉口设计。计算机控制的机加工导致在降低成本下较精密的公差。由于轨道 具有许多不同角度的交叉口以满足当地的需求，因此将需要各种铸造模具来由AMS铸件生 产这些且这也反映在它们相对高的成本中。因此，本发明提供了显著的成本降低。
[0037] 碳在该钢中的作用是为了主要通过固溶强化而获得钢的足够硬度。另一方面，高 碳含量导致残余奥氏体的量的增加，导致硬度的降低。由于在制造状态条件中以及在焊接 之后均形成碳网络，碳含量的增加将显著增大在这些钢中晶界脆化的风险。因此，为了保持 硬度与脆化风险之间的微妙平衡，对于这些钢碳含量需要为0. 01% -〇. 15% (所有组成以 重量百分比给出，除非另有说明）。更优选地碳含量为0.01-0. 12%。作为它们较低的碳含 量的结果，大多数的这些合金是可容易焊接的。为了进一步改进可焊接性，碳含量优选为至 多〇. 10,更优选至多〇. 08。
[0038] 为了实现所需的显微组织，碳含量为至少0. 01%且优选至少0. 02%。从炼钢的角 度来看合适的最低碳含量为0. 04%。
[0039] 锰是奥氏体促进元素。它稳定奥氏体，即增加奥氏体存在的温度范围。
[0040] 改变根据本发明的钢中的锰含量显示在至少10 %的锰含量下获得最大硬度。在例 如15%的非常高的锰水平下硬度降低到不充足的水平。硬度与耐磨性具有强的相关性且耐 磨性对于大多数轨道零件（包括S&C)的寿命是决定性因素。低磨损率意味着不那么频繁 地需要零件的修补。在具有低于10%的锰含量的钢与高于10%的那些之间耐磨性的显著 差异归因于显微组织的不同。低于10%的锰水平导致完全马氏体显微组织，然而高于10% 的水平显示残余奥氏体、ε -马氏体（密排六方或hep马氏体）和马氏体的混合显微组织。 优选地，锰水平为至少11%。已发现具有完全马氏体显微组织的钢的耐磨性比含有马氏体 和残留奥氏体的混合显微组织的那些差。然而，增加锰含量还导致残余奥氏体的增加。在高 于15%的锰含量下，残余奥氏体的水平变得足够高以至于马氏体相的增加硬度多于由较软 奥氏体的增加比例抵消的硬度，结果所述钢的总体硬度以及耐磨性下降。对裂纹扩展的抵 抗性高且与非常缓慢的逐步失效有关。由于这个原因，存在在完全失效发生之前对于发展 的任何疲劳裂纹将被发现且从使用中除去或修复受影响的一个或多个零件的增加机会。基 于上述论证，锰含量优选为至少11且至多15%。由于锰也是昂贵的合金化元素，发现合适 的最大锰含量是14%或者甚至13%。发现合适的最小锰含量是11. 5%。当所述锰含量为 12-13% Μη时获得硬度和耐磨性的最大值。在这些水平下，一方面残余奥氏体+ ε -马氏体 和另一方面硬质马氏体的量为约50 :50,由此提供了冲击韧性和硬度的令人满意的组合。
[0041] 钥在增加冲击韧性方面是有效的。此外，由于钥对于磷的清除作用，防止了回火脆 化现象。在0. 6%的Mo的水平下，在冲击韧性方面的增加已值得注意，但是在高于0. 6%的 值下获得进一步的增加。在冲击韧性方面的增加在1.5%的值下趋向稳定（off)。因此，在 该钢中的钥添加需要为〇. 6% -3. 95%，且优选钥含量为至多2. 95%和/或至少1. 25%。发 现1. 5%的钥含量是对于稳定的冲击韧性值的合适最小值。从结合成本和技术的角度来看 发现1. 90 %的钥含量是合适的最大值，因为高于1. 90%的值的添加导致仅适中的进一步 改进。
[0042] 发现硅对这些钢的冲击韧性和耐磨性具有极小的影响，尽管它确实经由固溶强化 提供在拉伸强度和硬度上的增加。在钢铁生产过程中，它还充当脱氧剂。在此基础上，推荐 0.5%的Si的最大值。发现合适的最低含量为0. 10或者甚至0. 15%，和/或发现合适的最 大值为0.40或甚至0.35%。
[0043] 镍（Ni)、钴（Co)和铜（Cu)通过它们作为奥氏体促进元素的方式具有与锰类似的 效果。在一定程度上可以添加这些元素代替锰，或者除了锰之外还添加这些元素。可以以 每种元素1. 0%的最大值、合计至多3%添加 Ni、Co和Cu。优选Ni、Co和/或Cu的最大值 为 0· 5%。
[0044] 根据本发明的合金已经证明为可容易机加工的。如果有必要，可以进行硫、钙、碲 或硒或任何其它已知的可机加工性增强元素的一种或多种添加以促进（further)这些合 金。
[0045] 磷含量通常保持在低于0. 08%，优选低于0. 05 %且优选低于0. 02%，以使热裂 的趋势最小化。磷是这些钢中的残余元素。如果没有添加硫以增强可机加工性，那么硫含 量通常保持在低于0. 02%的杂质水平。如果添加硫，那么合适的最大量为0. 08%，优选 为0. 05%。如果添加下列元素作为合金化元素，那么优选的范围如下：0. 02-0. 20%的V、 0· 02-0. 10%的 Nb、0. 02-0. 20%的 Ti、0. 02-0. 20%的 Zr、5-50ppm 的 B 和 10-250ppm 的 N。 合适的最大含量为0.10%的￥、0.075%的恥、0.10%的21"和/或0.10%的11。8、￥、恥、 Zr和Ti有助于钢的晶粒细化。
[0046] 根据本发明的钢优选为硅脱氧的。假设所述钢的清洁度保持符合根据在铝氧化 物夹杂的最大值方面的规范，所述钢还可以是铝脱氧的或铝-硅脱氧的。当作为合金化 元素添加时，最大的总铝含量为0.2%。优选总铝含量（当作为合金化元素添加时）为 0.02-0. 15%。金属性铝含量（即不作为氧化物存在）将较低，这取决于当添加铝时所述钢 熔体的氧化物含量。
[0047] 根据本发明的钢具有低于5ppm，优选低于3. 5ppm且更优选低于2. 5ppm的氢含量。
[0048] 虽然铬优选地保持在低于0. 15%的杂质水平，即铬不是有意添加的，但是对于一 些应用，可添加最高至0. 3%的水平的铬。合适的最高铬含量为0. 2%。
[0049] 应当注意，根据本发明的钢组合物还可以用于生产铸件，但由于低碳组合物比具 有高碳含量的正常的AMS哈德菲尔德（Hadfiled)类型钢更昂贵，而在它的铸造条件下不产 生比AMS更好的性能，因而使用根据本发明的组合物来生产铸造材料在经济上是没有吸引 力的。
[0050] 根据第二方面，本发明还体现在用于生产轨道轨路、例如用于轨道交叉口或轨道 转辙器的锻钢零件的方法，所述方法包括以下步骤：
[0051] ?提供具有根据权利要求1至10中任一项的组成的起始材料，例如块或锭；
[0052] ?在适当的温度下提供起始材料，用于将其热轧成板或轨，其中
[0053] i.该热轧板具有足以由热轧板机加工出零件的厚度，或
[0054] ii.其中该轨具有所需的轨轮廓，用于
[0055] a.机加工成用于轨道交叉口和转辙器的零件，例如开关闸刀（switchblade)或
[0056] b.用作轨；
[0057] ?使该板或轨在最后的热变形后冷却以实现所需的机械性质；
[0058] ?由热轧并冷却的板或轨机加工用于轨道交叉口和轨道转辙器的零件；
[0059] 可通过由热轧并冷却的板机加工锻钢来使用锻钢生产像交叉口或用于交叉口的 零件。还可以以具有所需的几何轮廓的轨形式提供锻钢，且可以将这些热轧并冷却的轨焊 接到零件上或用于机加工成开关闸刀。该轨还可原样使用。
[0060] 根据本发明的方法允许生产具有不同长度的坯，随后可以将该坯机加工成具有宽 的角度范围的交叉口。还可以将热轧板切成较薄长度，随后将其机加工成开关闸刀。然而， 为了形成开关闸刀，可优选将铸块（cast bloom)热轧成具有所需的几何轮廓的轨且此后机 加工该轨以制造开关闸刀。
[0061] 根据第三方面，本发明还体现在根据本发明生产的和/或具有根据本发明的组成 的锻钢零件在轨道、轨道交叉口或轨道转辙器中的用途，优选其中已经通过原位焊接修补 步骤至少部分地焊接修复钢零件。
[0062] 根据本发明的钢的闪光对接焊优选地通过在将它焊接到珠光体轨之前首先使用 将被焊接到交叉口的不锈钢插入物来进行，不锈钢插入物作为夹层填充物以改进对于高完 整焊缝的相容性。
[0063] 根据本发明的钢可用于生产用于轨道交叉口和转辙器的零件，例如如图1所示的 通用交叉口中的辙叉。这示出了通用交叉口中的整块铸造辙叉。这种没有保护轨道的自保 护辙叉具有在辙叉上提高的凸缘，在车轮通过辙叉时负载在车轮的面上。尽管主要旨在将 根据本发明的所述锻钢应用在用于轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的零件（例如辙叉和开 关闸刀）中，但是发现该钢还适合于其它轨部件，例如膨胀接头、绝缘轨接头或轨。
[0064] 辙叉还形成轨道转辙器的一部分，且还用于水平连接点（扁平交叉口）。设计该辙 叉以确保车轮穿过轨中的缺口而不"掉入"所述缺口中；车轮和轨轮廓确保车轮总是由至少 一条轨支撑。为了确保车轮沿着合适的轮缘槽，将护轨或保护轨道安装在与辙叉相对的轨 里。图2示出了在右手边的辙叉和在左手边的护轨。通常，辙叉或双辙叉将由根据本发明 的钢制备。
[0065] 现在通过下面的非限制性实施例更加详细地描述本发明。
[0066] 生产了 一系列的铸件且在表1中给出化学组成。
[0067] 表1-根据本发明的钢的化学组成。
[0068]
【权利要求】
1. 用于生产轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的零件的锻钢，其包含（以重量百分比 计）： ? 0· 01-0. 15% 的碳； ?至多0. 5%的硅； ? 10-15 % 的锰； ?至少0. 6-3. 95 %的钥； ?任选一种或多种下列元素： 1.0.05-0.2%的镍和/或 ii. 0· 05-0. 2% 的钴和 / 或 iii. 0· 02-0. 30%的 Cr 和 / 或 "·0.05-0.2%的铜； v. 至多5ppm的Η ; vi. 至多(λ 20%的 V ; vii. 至多 0.10%的 Nb; viii. 至多 0. 20%的 Ti 和 / 或 Zr; ix. 至多 50ppm 的 B ; X.至多 250ppm 的 N ; xi. 至多 0. 2%的 A1 ; xii. 至多 0. 08%的 S ; xiii. 至多 0. 08%的 P ; xiv. 至多 1. 5%的 W ; ?和余量为铁及不可避免的杂质。
2. 根据权利要求1的钢，其包含至多0. 12%的C和/或至少11%的Mn，和/或至多 2. 95%的 Mo。
3. 根据权利要求1的钢，其包含至多0.02%的S和至多0.02%的P。
4. 根据权利要求1至3中任一项的钢，其包含至多0. 10%的C。
5. 根据权利要求1至4中任一项的钢，其包含至多14%的Μη。
6. 根据权利要求1至5中任一项的钢，其包含至少0. 10%的Si。
7. 根据权利要求1至6中任一项的钢，在其热轧状态包含至少15体积％的残留奥氏体 和/或在其用作轨道、轨道交叉点或轨道转辙器的零件的过程中包含至少15体积％的残留 奥氏体。
8. 根据权利要求1至7中任一项的钢，其包含： ?至少1%的Mo,优选至少1. 25%和/或 ?至多2. 45 %的Mo,优选至多1.90%。
9. 根据权利要求1至8中任一项的钢，其包含至少0. 02%的C。
10. 根据权利要求1至9中任一项的钢，其中所述钢包含0. 05至0. 1 %的钒和/或 0. 025 至 0. 075 % 的 Nb。
11. 用于生产轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的锻钢零件的方法，其包括以下步骤： ?提供具有根据权利要求1至10中任一项的组成的起始材料，例如块或锭； ?在适当的温度下提供起始材料，用于将其热轧成板或轨，其中 i. 该热轧板具有足以由热轧板机加工出零件的厚度，或 ii. 其中该轨具有需要的轨轮廓，用于 a. 机加工成用于轨道交叉点和转辙器的零件，例如开关闸刀或 b. 用作轨； iii. 使所述板或轨在最后的热变形后冷却以实现所需的机械性质； ?由热轧并冷却的板或轨机加工用于轨道交叉口或轨道转辙器的零件；
12. 根据权利要求11的用于生产轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的锻钢零件的钢的生 产方法，其包括将一个或多个轨焊接到该零件上的额外步骤。
13. 根据权利要求11或12的方法，其中用于轨道、轨道交叉口或轨道转辙器的锻钢零 件是辙叉或双辙叉或开关闸刀。
14. 根据权利要求11至13中的任一项生产的和/或具有根据权利要求1至10中任一 项的组成的锻钢零件在轨道、轨道交叉口或轨道转辙器中的用途。
15. 根据权利要求15的锻钢零件的用途，其中已通过原位焊接修补步骤至少部分地焊 接修复所述锻钢零件。
【文档编号】C21D9/04GK104160058SQ201380012280
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】邓丽芬, V·耶拉特, S·雅斯沃尔 申请人:塔塔钢铁英国有限公司