导轨用钢及其导轨的制造方法与流程 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术导轨用钢及其导轨的制造方法1.本发明涉及适用于制造用于铁路，并且特别地用于基于排斥和吸引原理以磁悬浮或磁导向运行的列车的导轨的钢。2.导轨用钢是为了高速铁路或者为了用于货运铁路和客运铁路二者的双重用途而开发的。无论用途如何，铁路的负荷承载能力都有所增加，并且预期其在未来增加。因此，有必要开发即使在铁路的恶劣工作环境中在机械特性、电特性和磁特性例如电阻率、磁导率和抗拉强度方面也良好的导轨用钢。3.因此，投入了大量的研究和开发努力以开发具有高于900mpa在室温下以及在180℃的温度下的高抗拉强度以及足够硬度的同时在电阻率和磁导率方面良好的材料。4.用于铁路的导轨用钢的领域中的早期研究和开发已产生数种用于生产高的强度且耐磨导轨用钢的方法，本文中列举了其中的一些以用于对本发明的明确理解：5.us4350525磁悬浮铁路磁活性部件由具有以下组成的钢制成：0％至0.15％的碳、0％至0.045％的磷、0％至0.008％的氮、0.75％至2.0％的硅、0.15％至1.00％的锰、0.02％至0.07％的可溶铝、0.25％至0.55％的铜、0.65％至1.00％的铬，剩余部分的铁以及不可避免的杂质，但是us4350525的钢未显示达到900mpa在180℃下的抗拉强度。6.wo2016019730为用于由软磁钢制成的感应芯的f形导轨，并且软磁钢的化学组成为：按重量计c：0.005％至0.15％、mn：0.25％至0.60％、si：0.30％至1.0％、re：0.003％至0.006％，p和s二者少于0.025％，余者为fe和痕量杂质，但是这种钢也不能达到900mpa在180℃的温度下的强度。7.因此，本发明的目的是通过使得可获得同时具有以下的适用于制造铁路用导轨的机械操作的钢来解决这些问题：[0008]-大于或等于900mpa并且优选地高于920mpa的在180℃下的抗拉强度，[0009]-至少310hv或更大并且优选地大于315hv或更大的硬度，[0010]-40ωmm/m2或更大并且优选地41ωmm/m2或更大的电阻率，[0011]-165或更大的在4000a/m下测量的最大磁导率。[0012]在一个优选的实施方案中，根据本发明的钢还可以具有大于或等于950mpa并且优选地高于1000mpa的在室温下的抗拉强度。[0013]在一个优选的实施方案中，根据本发明的钢还可以具有大于1.5t的在40000a/m下测量的极化度。[0014]在一个优选的实施方案中，根据本发明的钢还可以具有大于1.5t的在40000a/m下测量的磁通密度。[0015]优选地，这样的钢适用于制造导轨并且该钢还适用于导轨的其他结构部件例如导轨运输车的底盘构件。[0016]本发明的另一个目的还为使得可获得与常规工业应用相容同时对制造参数变化稳健的用于制造这些机械部件的方法。[0017]碳以0.25％至0.8％存在于本发明的钢中，碳为用于通过产生珠光体(pearlite)来提高本发明的钢的强度所需的元素。碳还通过有助于在层状珠光体中形成渗碳体来确保电阻率。但是碳含量小于0.25％由于过量形成了先共析铁素体(proeutectoid ferrite)而将不能赋予抗拉强度和电阻率。另一方面，在超过0.7％的碳含量下，由于在热轧之后的冷却期间过量形成先共析渗碳体而不利地影响抗拉强度。在导轨的操作寿命周期期间，进一步过量形成了先共析渗碳体也对导轨有害。碳含量有利地在0.27％至0.75％，并且更特别地0.28％至0.7％的范围内。[0018]锰以1.0％至2.0％添加在本发明的钢中。锰通过有助于在珠光体中形成渗碳体来提供固溶强化，提高淬透性，由此提高电阻率。此外，还抑制铁素体转变温度并降低铁素体转变速率以控制形成先共析铁素体，因此有助于形成珠光体。需要至少1.0％的量以赋予强度以及有助于形成珠光体。但是当锰含量大于2.0％时，其产生不利的影响，例如其加速在热轧之后的冷却期间奥氏体向马氏体或贝氏体的转变，这对本发明的钢有害，因为这些显微组织不利地影响本发明的钢的电阻率和磁导率。高于2.0％的锰含量在凝固期间还可能在钢中产生过度偏析，以及损害材料内的均匀性，这可能导致热加工过程期间的表面裂纹。锰的存在的优选限度为1.0％至1.8％，并且更优选为1.0％至1.5％。[0019]硅为以1.40％至2％存在于本发明的钢中的必需元素。硅通过固溶强化赋予本发明的钢以强度并且还充当脱氧剂。但是由于硅为铁素体形成元素并且还提高了ac3转变点，这将推动奥氏体温度至更高的温度范围，这是将硅的含量保持在最大2％的原因。高于2％的硅含量还可能导致回火脆化。硅的存在的优选限度为1.45％至1.8％，并且更优选为1.45％至1.6％。[0020]铝的含量为0.01％至1％。铝除去在钢水中存在的氧以防止氧在凝固过程期间形成气体相。铝还将氮固定在钢中以形成氮化铝，从而减小晶粒的尺寸。铝使本发明的钢对珠光体层间距离的尺寸进行控制并由此在保留足够的磁导率的同时提高电阻率。高于1％的较高含量的铝导致出现使钢导轨的疲劳极限和脆性断裂劣化的粗富铝氧化物。铝的存在的优选限度为0.02％至0.9％，并且更优选为0.02％至0.5％。[0021]铬以0.8％至2％存在于本发明的钢中。铬为通过固溶强化为钢提供强度的必需元素并且需要最少0.2％以赋予强度，但是当使用高于2％时，提高淬透性超出可接受的限度，因为在冷却之后形成了不期望的相例如贝氏体，从而损害了钢的延性。铬添加高于2％还减小了碳在奥氏体中的扩散系数，因此延迟了在热轧之后的冷却期间形成珠光体。铬的存在的优选限度为0.9％至1.9％，并且更优选为0.9％至1.6％。[0022]本发明的钢的磷含量为0％至0.09％。磷趋向于在晶界处偏析或者与锰共偏析。出于这些原因，推荐尽可能少地使用磷。具体地，高于0.09％的含量可能由于晶粒间界面减聚力而导致破裂，这可能对抗拉强度和耐磨性有害。磷含量的优选限度为0％至0.05％。[0023]硫以0％至0.09％包含在内。硫形成可以变得伸长的mns析出物。如果这样的伸长的mns夹杂物与负荷方向不对齐，则该夹杂物可能对机械特性例如硬度和抗拉强度具有相当大的不利影响。因此，将硫含量限制为0.09％。硫含量的优选范围为0％至0.05％，并且更优选为0％至0.02％。[0024]氮以0％至0.09％的量在本发明的钢中。将氮限制为0.09％以避免材料的老化并且防止在凝固期间析出对钢的机械特性有害的粗氮化铝。氮还与钒、钛和铌形成氮化物和碳氮化物以向本发明的钢赋予强度。[0025]镍为任选元素并且以0％至1％添加至本发明中以提高本发明的钢的强度。镍在改善其耐点蚀性方面是有益的。将镍添加至钢组成中以减小碳在奥氏体中的扩散系数，从而促进在珠光体中形成铁素体。但是镍含量的存在高于1％可能导致残余奥氏体的稳定，从而对抗拉强度具有有害的影响。优选的是在本发明的钢中具有0％至0.9％的镍。[0026]钼为任选元素并且可以以0％至0.5％存在于本发明中。添加钼以通过形成基于钼的碳化物来向钢赋予淬透性和硬度。然而，钼的添加过度地增加了合金元素的添加成本，因此出于经济原因，将其含量限制为0.5％。钼含量的优选限度为0％至0.4％，并且更优选为0％至0.2％。[0027]钒为本发明的任选元素并且含量为0％至0.2％。钒通过析出强化，特别是通过形成碳化物或碳氮化物而在增强钢的强度方面有效。由于经济原因，将上限保持在0.2％。[0028]铌以0％至0.1％存在于本发明的钢中并且适用于形成碳氮化物以通过析出硬化来赋予本发明的钢以强度。铌还将通过其作为碳氮化物的析出以及通过延迟加热过程期间的再结晶来影响显微组织组分的尺寸并因此使晶粒尺寸细化。然而，高于0.1％的铌含量在经济上得不受关注，以及形成对钢的抗拉强度有害的较粗的析出物，此外，当铌的含量为0.1％或更大时，铌还对钢热延性有害，从而在钢铸造和轧制期间产生困难。[0029]钛为任选元素并且以0％至0.1％存在。钛形成赋予钢以强度的钛氮化物并且使晶粒细化。钛的优选限度为0％至0.05％。[0030]铜为残余元素并且由于钢的加工而可能存在高至0.5％。直至0.5％的铜不影响钢的任何特性，但高于0.5％，热加工性显著降低。以及其他元素例如锡、铈、镁、硼或锆可以以以下重量比例单独或组合添加：锡≦0.1％、铈≦0.1％、镁≦0.10％、0％≦硼≦0.008％和锆≦0.10％。直至所示的最大含量水平，这些元素使得可以使凝固期间的晶粒细化。钢的组成的剩余部分由铁和由加工产生的不可避免的杂质组成。[0031]钢的显微组织包含：[0032]珠光体为本发明的钢的基体显微组织成分并且面积百分比存在必须为至少90％或更大，并且其优选为90％至99％，并且更优选为93％至98％。珠光体在热轧之后的第二步冷却期间形成。本发明的钢的珠光体为层状组织。本发明的珠光体的层状组织为铁素体和渗碳体的聚集体，以及本发明的珠光体的层间距离为100纳米至250纳米。该层间距离改善了本发明的钢的使用特性例如抗拉强度和电阻率。当层间距离大于250纳米时，钢将是软的并且不能达到抗拉强度，尤其是180℃下的抗拉强度，而每当珠光体的层间距离小于100纳米时，不利地影响钢的磁导率。层间距离的优选限度为110纳米至230纳米，并且更优选为120纳米至220纳米。本发明的珠光体还赋予钢以像磁导率和硬度一样的使用特性。[0033]先共析铁素体以2％至10％存在于本发明的钢中。先共析铁素体在热轧之后的第一步冷却期间形成在原奥氏体晶粒的晶界上并且先共析铁素体散布在珠光体内。先共析铁素体提供本发明的钢以延性和磁导率。如果先共析铁素体的含量大于10％，则本发明的钢将不能实现硬度。先共析铁素体的存在的优选限度为3％至9％，并且更优选为3％至8％。[0034]除了上述显微组织之外，导轨的显微组织不含诸如贝氏体、马氏体和残余奥氏体的显微组织组分。[0035]根据本发明的导轨可以用下文中说明的记明的工艺参数通过任何合适的制造工艺来生产。[0036]本文说明了优选的示例性方法，但该实例不限制本公开内容的范围以及实例所基于的方面。另外地，本说明书中阐述的任何实例都不旨在是限制性的，而是仅阐述本公开内容的各方面可以投入实践的许多可能方式中的一些。[0037]优选的方法包括提供具有根据本发明的化学组成的钢的半成品铸件。铸件可以以能够被制造或加工为用于铁路的导轨、并且特别是用于磁悬浮的导轨的任何形式来完成，例如锭或大方坯(bloom)或小方坯(billet)。[0038]例如，将具有上述化学组成的钢铸造成小方坯，然后以型钢的形式轧制，该型钢可以充当用于进一步轧制的半成品。可以进行多个轧制步骤以获得期望的半成品。[0039]为了准备待制造为导轨的钢，半成品可以在轧制之后在高温下直接使用，或者可以首先冷却至室温，然后再加热用于制造导轨。[0040]将半成品在ac3至ac3+500℃，优选地ac3+30℃至ac3+450℃，并且更优选地1100℃至1300℃的温度下再加热，在所述温度下将其保持5秒至1200秒的时间以确保横跨半成品的截面的均匀温度以及确保形成100％的奥氏体。thw ac3根据kasatkin,o.g.等人calculation models for determining the critical points of steel in metal science and heat treatment,26:1-2,一月至二月1984,27-31来计算。[0041]如果半成品的再加热温度低于ac3，则在轧制期间施加过大的负荷，此外，钢的温度也可能降低至低于铁素体转变起始温度，这将在热轧期间导致铁素体形成。另外地，对于给定的冷却速率或者给定的化学组成，应变下的冶金转变可以引起获得的显微组织的显著变化。因此，获得的显微组织将与目标显微组织完全不同，并因此机械特性以及电特性将完全不同。因此，半成品的温度优选足够高使得所有机械操作均在100％奥氏体温度范围内进行并完成。必须避免在高于ac3+500℃的温度下再加热，因为其在工业上是昂贵的并且可能导致出现将影响钢的轧制的液体区域。[0042]然后，使半成品优选地以35％至90％的压下率经受至少一个ac3至ac3+300℃的热轧道次。热轧可以以由半成品得到热导轨需要的多个道次来完成。所有热轧的优选温度为ac3+30℃至ac3+300℃，并且更优选的温度为ac3+50℃至ac3+250℃。[0043]必须将终轧温度保持高于ac3并且这优选为有利于再结晶和机械制造的组织。优选所有轧制道次，尤其是终轧温度在大于1000℃的温度下进行，因为低于该温度，钢表现出可轧制性的显著下降。在终轧温度低于ac3的情况下，其可能导致关于导轨的最终尺寸以及表面外观劣化的问题。其甚至可能引起导轨的裂纹或完全失效。[0044]然后将热导轨以两步冷却过程冷却，其中第一步冷却由最终热轧的出口开始，将热导轨以0.1℃/秒至5℃/秒的冷却速率cr1冷却至在480℃至550℃的范围内的温度t1。在一个优选的实施方案中，用于这样的第一步冷却的冷却速率cr1为0.1℃/秒至3℃/秒，并且更优选为0.1℃/秒至2℃/秒。用于这样的第一步的优选t1温度为490℃至530℃，并且更优选为490℃至510℃。[0045]在第二步冷却中，将热导轨以小于5℃/秒的冷却速率cr2从t1冷却至室温。在一个优选的实施方案中，用于第二步冷却的冷却速率cr2小于3℃/秒，并且更优选地小于1℃/秒。[0046]在一个优选的实施方案中，cr1高于cr2。[0047]当热导轨达到室温时，由本发明的钢获得导轨。实施例[0048]本文中呈现的以下测试、实施例、图形示例和表本质上是非限制性的，并且必须仅出于说明的目的而被考虑，并且将显示本发明的有利特征。[0049]表1中汇总了由具有不同组成的钢制成的导轨，其中分别根据如表2中记明的工艺参数来生产导轨。此后，表3汇总了在试验期间获得的导轨的显微组织，以及表4汇总了获得的特性的评估结果。[0050]表1[0051][0052]表2[0053]表2汇总了对由表1的钢制成的半成品实施的工艺参数。试验i1至i3用于制造根据本发明的导轨。表2如下：[0054][0055]ac3值通过kasatkin,o.g.等人calculation models for determining the critical points of steel in metal science and heat treatment,26:1-2,一月至二月1984,27-31来确定。[0056]表3[0057]表3例示了以面积分数计在用于确定发明钢和参照钢二者的显微组织的不同显微镜例如扫描电子显微镜上根据标准进行的测试的结果。在此记明了结果：[0058]钢样品珠光体％先共析铁素体％珠光体层间距离(nm)i1955125i2955170i3973211[0059]表4[0060]表4例示了发明钢和参照钢二者的机械特性和磁特性。为了确定抗拉强度，根据nf en iso 6892-1/2017标准进行测试。分别根据iec-60404-13和iec-60404-4进行用于测量发明钢和参照钢二者的电阻率和磁导率的测试。根据en-13674进行用于测量发明钢和参照钢二者的硬度的测试。汇总了根据标准进行的各种机械测试的结果。[0061]表4：[0062]









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