ES2554854T3 - Raíl perlítico con resistencia al desgaste y tenacidad excelentes - Google Patents

Raíl perlítico con resistencia al desgaste y tenacidad excelentes Download PDF

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Abstract

Un raíl perlítico que tiene una composición de acero que consiste en: en cuanto a porcentaje en masa, C: de 0,65% a 1,20%; Si: de 0,05% a 2,00%; Mn: de 0,05% a 2,00%; y REM: de 0,0005% a 0,0500%; S: de 0,0020% a 0,0200%, opcionalmente uno o más seleccionado de Ca: de 0,0005% a 0,0150%, Al: de 0,0040% a 0,50%, Co: de 0,01% a 1,00%, Cr: de 0,01% a 2,00%, Mo: de 0,01% a 0,50%, Nb: de 0,002% a 0,050%, B: de 0,0001% a 0,0050%, Ni: de 0,01% a 1,00%, Ti: de 0,0050% a 0,0500%, Mg: de 0,0005% a 0,0200%, Zr: de 0,0001% a 0,2000%, y N: de 0,0060 a ,0200%, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, en el que, entre una porción (3) de la cabeza del raíl, en una porción (3a) de la superficie de la cabeza que se extiende desde superficies de porciones (2) de la esquina de la cabeza y una porción (1) superior de la cabeza hasta una profundidad de 10 mm o en una porción (3b) que se extiende desde las superficies de las porciones (2) de la esquina de la cabeza y la porción (1) superior de la cabeza hasta una profundidad de 20 mm, el 95% o más de una estructura metalográfica es una estructura de perlita, y la dureza Hv de la porción de la superficie de la cabeza está en un intervalo de 320 a 500.

Description

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dureza en una sección transversal de la porción de la cabeza del raíl.
Aquí, los principales propósitos de añadir los anteriormente descritos elementos se muestran a continuación.
El Ca y el Al forman óxidos que tienen altos puntos de fusión y estos óxidos actúan como núcleos de inclusiones basadas en sulfuro de Mn; y de este modo, la elongación de las inclusiones basadas en sulfuro de Mn se suprime, y se mejora la tenacidad.
El Co refina las estructuras laminares sobre las superficies de contacto de rodadura y también refina los granos de ferrita, y de este modo, se incrementa la resistencia al desgaste de una estructura de perlita.
El Cr y el Mo incrementan el punto de equilibrio de la transformación a perlita, y principalmente refinan el espaciado laminar de perlita; y de este modo, se asegura la dureza de una estructura de perlita.
El Nb genera carburos y nitruros en un procedimiento de laminado en caliente y un proceso de enfriamiento subsecuente; y de este modo, se suprime el crecimiento de granos de austenita. Además, el Nb precipita y endurece una estructura de ferrita y una estructura de perlita; y de este modo, se mejora la tenacidad y dureza de una estructura de perlita. Además, el Nb genera establemente carburos y nitruros; y de este modo, se previene el ablandamiento de las zonas afectadas por el calor de la unión soldada.
El B reduce la dependencia de la temperatura de transformación a perlita de la velocidad de enfriamiento; y de este modo, la distribución de dureza en la porción de la cabeza del raíl se hace uniforme.
El Ni mejora la tenacidad y dureza de una estructura de ferrita y una estructura de perlita, y simultáneamente, el Ni previene el ablandamiento de zonas afectadas por el calor de la unión soldada.
El Ti refina la estructura en las zonas afectadas por el calor de soldadura y previene la fragilización de zonas afectadas por el calor de la unión soldada.
El Mg refina los granos de austenita durante el laminado en caliente del raíl, y al mismo tiempo, acelera la transformación a ferrita o perlita; y de este modo, se mejora la tenacidad.
El Zr suprime la formación de zonas de segregación en el medio de un tocho de fundición porque las inclusiones de ZrO2 actúan como núcleos de solidificación en un acero de raíl de alto contenido de carbono y se incrementa la velocidad de cristalización equiaxial de estructuras solidificadas. Como resultado, se previene la disminución de la tenacidad del raíl.
El N se segrega en los bordes de grano de austenita; y de este modo, se acelera la transformación a perlita. Además, el N refina el tamaño de los bloques de perlita; y de este modo, se mejora la tenacidad.
Las razones por las que estos componentes están limitados se describirán con detalle aquí a continuación.
Similarmente al REM, el Ca es un elemento desoxidante y desulfurante, y se generan agregados de óxidos y sulfuros de calcio (CaO-CaS) por la adición de Ca. Estos agregados actúan como núcleos para la generación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn; y de este modo, se suprime la elongación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn después del laminado en caliente. Además, cuando se añade REM, el Ca genera óxidos complejos con oxisulfuros de REM (REM2O2S). Estos óxidos complejos suprimen adicionalmente la elongación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn. En el caso en el que la cantidad de Ca es menor de 0,0005%, los efectos son pequeños, y los agregados no pueden actuar suficientemente como núcleos para la generación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn. Además, en el caso en el que la cantidad de Ca excede de 0,0150%, la cantidad de CaO duro independiente que no actúa como los núcleos de inclusiones basadas en sulfuro de Mn se incrementa dependiendo de la cantidad de oxígeno en un acero. Como resultado, la tenacidad del acero de raíl se degrada enormemente. Por lo tanto, la cantidad añadida de Ca está limitada a estar en un intervalo de 0,0005% a 0,0150%.
El Al es un elemento desoxidante que genera alúmina (Al2O3), y estos óxidos actúan como núcleos para la generación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn; y de este modo, se suprime la elongación de inclusiones basadas en sulfuro de Mn después del laminado en caliente. Además, el Al es un elemento que eleva la temperatura de transformación eutectoide a una temperatura más alta, y el Al contribuye a un incremento de la dureza (resistencia) de una estructura de perlita. Sin embargo, en el caso en el que la cantidad de Al es menor de 0,0040%, el efecto es débil. Además, en el caso en el que la cantidad de Al exceda de 0,50%, se vuelve difícil solubilizar en sólido Al en un acero; y de este modo, se generan inclusiones gruesas basadas en alúmina. Como resultado, se degrada la tenacidad del raíl, y simultáneamente, ocurre daño de fatiga debido a precipitados gruesos. Además, se generan óxidos durante la soldadura; y de este modo, la soldabilidad se degrada notablemente. Por consiguiente, la cantidad de Al está limitada a estar en un intervalo de 0,0040% a 0,50%.
El Co se solubiliza en sólido en una fase de ferrita en una estructura de perlita. De este modo, la estructura de ferrita fina formada por el contacto con las ruedas en la superficie de contacto de rodadura de la porción de la cabeza se refina adicionalmente; y como resultado se mejora la resistencia al desgaste. En el caso en el que la cantidad de Co es menor de 0,01%, el refinado de la estructura de ferrita no se consigue; y por lo tanto, no es posible esperar el
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una inclusión basada en sulfuro y un método para calcular el valor medio de las relaciones de longitud (L/D).
Como se muestra en la FIG. 3, se cortan muestras de una sección transversal en la dirección longitudinal de la porción de la cabeza del raíl en la que el daño al raíl se vuelve obvio, y se realiza la medida de las inclusiones basadas en sulfuro. Un corte transversal de cada una de las muestras cortadas en la dirección longitudinal del raíl se pule a espejo, y se fotografían alrededor de 100 inclusiones basadas en sulfuro de Mn usando un microscopio óptico en una sección transversal arbitraria. A continuación las fotos se escanean en un aparato de procesado de imágenes para medir las longitudes del lado largo (L) y las longitudes del lado corto (D), y para obtener las relaciones de longitudes (L/D); y a continuación, se calcula el valor medio de estos valores. Se observan las inclusiones basadas en sulfuro de Mn de una porción que se extiende desde la superficie de la porción de la cabeza del raíl, que actúa como punto de partida del daño, hasta una profundidad de 3 a 10 mm.
Mientras tanto, como método para controlar que el valor medio de las relaciones (L/D) de las longitudes (L) del lado largo a las longitudes (D) del lado corto de las inclusiones basadas en sulfuro de Mn esté en un intervalo de 5,0 o menor, es necesario generar eficiente y finamente oxisulfuros de REM (REM2O2S) que actúan como núcleos de las inclusiones basadas en sulfuro. Para controlar esto, como se describe a continuación, es necesario controlar la cantidad de oxígeno en un acero fundido antes de que se añada el REM.
(4) Las razones por las que está limitado el número (cantidad) (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm.
En la presente invención, el número (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm está preferentemente en un intervalo de 10/mm2 a 100/mm2 (inclusiones/mm2) (la característica de la Reivindicación 3). En una sección transversal arbitraria tomada a lo largo de la dirección longitudinal (una sección transversal paralela a la dirección longitudinal de un raíl), se describirá con detalle la razón por la que la longitud del lado largo de inclusiones basadas en sulfuro de Mn, que son los objetos de evaluación, está limitada a estar en un intervalo de 1 µm a 50 µm.
Como resultado de una investigación de las longitudes del lado largo de inclusiones basadas en sulfuro de Mn y el rendimiento real del daño de raíles reales con respecto al presente sistema de componentes, se confirmó que había una buena relación entre el número de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm y la resistencia al daño de los raíles. Por lo tanto, la longitud del lado largo de inclusiones basadas en sulfuro de Mn, que son los objetos de evaluación, está limitada a estar en un intervalo de 1 µm a 50 µm.
A continuación, se describirán con detalle las razones por las que el número (cantidad) (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm que se observan en una sección transversal arbitraria en la dirección longitudinal está limitado al intervalo anterior en la Reivindicación 3.
En el caso en el que el número total (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm excede de 100/mm2, el número de inclusiones basadas en sulfuro de Mn se vuelve excesivo y de este modo, aparece la concentración de tensión alrededor de inclusiones basadas en sulfuro de Mn. Como resultado, se vuelve posible que ocurra daño en el raíl. Por lo tanto, no se puede conseguir una mejora adicional de los valores de impacto en el ensayo mecánico del acero. Además, en el caso en el que el número total (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en la dirección longitudinal en un intervalo de 1 µm a 50 µm es menor de 10/mm2, los sitios trampa que absorben el hidrógeno inevitable que queda en un acero disminuyen notablemente; y por ello se incrementa la posibilidad de inducir defectos hidrogenados (fragilización por hidrógeno). Como resultado, se puede perjudicar la resistencia al daño del raíl. Por lo tanto, el número total (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes (L) del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm está limitado a estar en un intervalo de 10/mm2 a 100/mm2.
Además, para reducir adicionalmente los efectos de las inclusiones basadas en sulfuro de Mn que actúan como puntos de partida de la fractura, y al mismo tiempo, para suprimir los defectos hidrogenados con antelación para mejorar establemente la resistencia a la fractura de un raíl, es preferible controlar que el número total (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen longitudes del lado largo en un intervalo de 1 µm a 50 µm esté en un intervalo de 20/mm2 a 85/mm2.
Aquí, con respecto al número de inclusiones, se toman muestras por el método mostrado en la FIG. 3. Se investigan las inclusiones basadas en sulfuro de Mn usando un microscopio óptico de una sección transversal arbitraria en la dirección longitudinal. A continuación, se cuenta el número de inclusiones que tienen tamaños en el intervalo anteriormente descrito; y se calcula el número por unidad de área de una sección transversal. Es preferible realizar la observación en por lo menos diez campos de visión y usar el valor medio como valor representativo. Se observan las inclusiones basadas en sulfuro de Mn de una porción que se extiende desde la superficie de la porción de la cabeza del raíl, que actúa como punto de partida del daño, hasta una profundidad de 3 a 10 mm.
Además, para controlar que el número (por unidad de área) de inclusiones basadas en sulfuro de Mn que tienen
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Ejemplos
A continuación se describirán ejemplos de la presente invención. Las tablas 1 a 3 muestran los componentes químicos de aceros de raíl para ensayos (aceros de raíl de la invención y aceros de raíl de ejemplos comparativos).
Mientras tanto, en las Tablas, se incluyen los componentes químicos nº 1 siendo el resto hierro y las impurezas 5 inevitables. Además, en las Tablas 1 y 2, los componentes químicos de los que las cantidades de S no se muestran incluían S en contenidos en un intervalo de más de 0,0100% a 0,0200%.
Los aceros de raíl que tienen las composiciones de componentes mostradas en las Tablas 1 a 3 se fabricaron de la siguiente manera.
Se efectuó la fusión con un horno de fundición comúnmente usado tal como un horno convertidor, un horno eléctrico
10 o similares. Como REM, se añadió metal misch que contiene Ce, La, Pr, y Nd como componentes principales a los metales fundidos, y se dispersaron uniformemente oxisulfuros de REM (REM2O2S) para controlar la distribución de inclusiones basadas en sulfuro de Mn. A continuación, se fabricaron lingotes de acero por medio de un método de fabricación de lingotes y tocho o un método de fundición continua, y a continuación, los lingotes de acero se sometieron a laminado en caliente. Después de eso, se realizó un tratamiento térmico para fabricar raíles.
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Mientras tanto, en las Tablas, las microestructuras y durezas de los materiales de la porción de la cabeza con un signo *1 son datos medidos a una profundidad de 4 mm de la superficie de la porción de la cabeza. Los resultados de los ensayos de desgaste con un signo *2 son los resultados de los ensayos de desgaste anteriormente descritos, y los ensayos de desgaste se realizaron por el método mostrado en la FIG. 5 en las condiciones anteriormente descritas después de que se tomaron las muestras de ensayo de las localizaciones mostradas en la FIG. 4. Los resultados del ensayo de impacto con un signo *3 son los resultados de los ensayos de impacto anteriormente descritos, y los ensayos de impacto se realizaron en las condiciones anteriormente descritas después de que se tomaron las muestras de ensayo de la localización mostrada en la FIG. 6.
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