[发明专利]制造头部硬化的过共析钢轨的方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请在35U.S.C.§119（e）下要求2009年12月14日提交的临时申请61/286,264的优先权，该申请的完整公开以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及制造头部硬化的过共析钢轨的方法。本发明还涉及头部硬化的过共析钢轨。

背景技术

美国铁路，尤其是1级铁路（BN、UP、CSX、NS、CP和CN）在铁路轨道的头部要求较高的硬度水平和较深的硬度，以提高轨道的使用寿命（较高的硬度提供较佳的耐磨性）。美国铁路工程和保养协会（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，AREMA）是北美地区用于发布轨道规格的认证组织之一。基于最低特性，存在三种类型的AREMA轨道钢：标准强度，中间强度，和高强度。下表中列出了对于每种类型的钢而言的最低特性：

仅仅在轨道头部中规定硬度。根据AREMA Part2，Manufacture of Rail（2007）中列出的AREMA标准来测试本文在此处报告和测量的上述特性。为了满足AREMA标准的高强度，轨道必须具有完全珠光体微结构，而基本上不允许有未回火的马氏体。通常，对于高强度轨道钢而言，拉伸率应当为10%或更高，但是较少数量（例如大约百分之五）的轨道的拉伸率可以小于10%但是不低于9%。

最困难的生产等级是高强度等级。一些轨道生产者通过在轧制之后直接在线进行轨道的加速冷却来试图获得高强度钢所需的特性。其它的制造者将轨道从环境温度重新加热，然后进行加速冷却（离线处理）。冷却轨道的过程被称为头部硬化。在美国，当前实施的冷却处理使用喷水来冷却轨道或者使用高容量空气歧管。在所有头部硬化处理中，轨道以适度的冷却速率进行冷却，以形成细小珠光体微结构并且避免形成AREMA不允许的未回火的马氏体。

除了加速冷却以形成细小珠光体层间间距之外，还已知的是向轨道钢添加合金元素以增加硬度。在美国，在过去十年传统上已知的是，使用按重量计包含0.80-0.84%C、0.80-1.1%Mn、0.20-0.40%Si和0.20-0.25%Cr的高强度头部硬化钢。按重量计0.80-0.84%的高碳水平提供珠光体微结构，在这个碳水平，钢处于铁-碳二元相图的共析点处或者稍稍在该共析点上方。碳是必要的，原因是所形成的珠光体微结构按重量计包含大约12%碳化铁（渗碳体），该碳化铁为嵌在铁素体薄片旁边的薄片的形式（形成层状形态）。渗碳体薄片提供硬度和耐磨性。

长期以来已知的是，进一步增加碳可以提供硬度增大的珠光体，原因是硬渗碳体相的体积分数增大了。然而，当钢的碳水平高于共析点时，渗碳体可以形成在原奥氏体晶界上。这种形式的渗碳体被称为先共析渗碳体，并且这种钢称为过共析钢。如果在原奥氏体晶界上形成连续的先共析渗碳体网络，那么在过共析钢中可能出现降低的延展性，使得钢易碎并且不能被接受为铁路轨道。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种制造头部硬化的过共析钢轨的方法，其特征是使钢轨头部硬化，该钢轨具有的组合物按重量计包含至少0.86-1.00%碳、0.40-0.75%锰、0.40-1.00%硅、0.05-0.15%钒、0.015-0.030%钛和足够的氮，该氮与钛反应，以形成氮化钛。头部硬化在一冷却速率下进行，如果绘制在xy坐标曲线图中，其中x轴代表用秒表示的冷却时间，y轴代表用摄氏度表示的钢轨的头部的表面温度，那么该冷却速率保持在由连接xy坐标（0s，775°C）、（20s，670°C）和（110s，550°C）的上线限定的冷却速率上边界图线与由连接xy坐标（0s，750°C）、（20s，610°C）和（110s，500°C）的下线限定的冷却速率下边界图线之间的区域内。