[发明专利]用于轨道的热处理的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及轨道的受控热处理并且涉及实现该方法的灵活冷却系统。该处理被设计成用于在整个轨道截面中充分获得以高强度、高硬度以及良好的韧性为特征的高性能贝氏体显微结构(bainite microstructure)，还用于在轨道截面的选定部分或在整个轨道截面中充分获得珠光体细显微结构。

背景技术

如今，就由于车轮与轨道之间的滚压/滑动而产生的材料损耗而言，列车的速度和重量的迅速上升不可避免地迫使要提高轨道磨损率，因此需要增大硬度以减小磨损。

一般地，通过以下一系列的热机械处理获得钢轨就几何轮廓和机械性能而言的最终特征：热轨道轧制处理，随后的热处理和矫直步骤。

热轧制处理根据所设计的几何形状铣出最终产品的轮廓并且为后续处理提供预先需要的金相显微结构。特别地，这个步骤允许通过后续处理获得能够保证所要求的高水平机械性能的细显微结构。

目前，在两种类型的设备——可逆式扎机和连续式轧机——中执行的两种主要的热轧制处理可供使用。可以认为通过这两种热轧制处理生产的轨道的最终性能非常相似并且具有可比性。事实上，通常通过这两种类型的设备获得工业级的贝氏体轨道、珠光体轨道以及过共析体轨道(hypereutectoidic rail)。

热处理的情况是不同的。目前，用于对轨道进行冷却的方式主要有两种：空气或水。水通常用作在罐中或采用喷嘴喷射的液体。空气通常通过喷嘴压缩。这些布置都不允许用相同的设备生产所有的轨道显微结构。

尤其，符合生产珠光体轨道的热处理设备不能生产贝氏体轨道。

此外，现有的冷却解决方案不够灵活，因此，不能以差异化的方式(轨头、轨腰、轨底)对整个轨道截面或部分轨道截面进行处理。

此外，在用于轨道的热处理的所有现有的工业装置中，大部分奥氏体的相变(transformation)发生在冷却装置本身的外部，这意味着处理是不受控制的。尤其，不能控制由于显微结构的相变而引起轨道温度的增加。在这些处理中，奥氏体相变发生的温度不同于最佳温度，所以最终机械特征低于通过更细且更均匀的显微结构有可能获得的机械特征。这在必须在整个轨道截面(轨头、轨腰和轨底)中获得贝氏体显微结构的贝氏体轨道的情况下可能尤其如此。

此外，由于轨道沿着长度的实际热剖面，所以非受控热处理可以使显微结构沿着长度也表现出不均匀性。

文献US 7854883公开了一种用于对轨道进行冷却的系统，其中仅能获得细珠光体显微结构。根据这个文献，在轨道中创建细珠光体显微结构以增加轨道硬度。然而，虽然细珠光体显微结构意味着高硬度级，但是存在产品的延伸性(elongation)和韧性(toughness)的劣化。延伸性和韧性也是轨道应用的重要机械性能；事实上，延伸性和韧性都涉及材料的延展性(ductility)，是轨道材料抗裂纹生长现象和破裂的基本性能。

最近的研究还指出另一个特别且危险的现象：在珠光体材料中普遍由于特定的化学成分而影响轨道在服务期间的整体性。这个发现关系到尤其是由于在剧烈的加速和减速或表面机械研磨处理期间产生高温而在车轮与轨道之间的接触滑动区域中形成马氏体层——被称为白蚀层(WEL，White Etching Layer)。由于WEL硬而脆的性能，通常认为WEL是裂纹形成的位置，裂纹形成随之对导轨寿命产生负面影响。在贝氏体钢轨中形成的WEL具有低的硬度；因此，相对于基体材料的硬度存在更小的硬度差。其原因是马氏体层的硬度主要取决于C含量(碳含量越高，层的硬度越大)，并且贝氏体化学成分中的碳量低于珠光体显微结构中存在的碳量。根据一些研究者的研究，WEL被认为是产生滚压接触疲劳的原因之一。从对这些主题的研究来看，贝氏体钢轨示出的裂纹形核是珠光体钢轨的裂纹形核的至少两倍。

相对于细珠光体显微结构，高性能的贝氏体显微结构在耐磨性和抗滚动接触疲劳性两方面有所改进。另外，高性能的贝氏体显微结构使得能够提高韧性和延伸性，保持大于细珠光体显微结构的硬度。

相较于细珠光体显微结构，高性能的贝氏体显微结构在下述现象中显示出更好的表现：短距波纹和长距波纹、剥落、侧向塑性流动以及轨头裂纹。这些典型的轨道缺陷被列车加速和减速(例如地铁线)放大或在小半径曲线内放大。

此外，相较于最佳热处理的珠光体钢轨，贝氏体钢还示出了屈服强度与极限拉伸强度之间较高的比率值、较高的拉伸强度值和较高的断裂韧性值。