ES2796328T3

ES2796328T3 - Raíl

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Publication number: ES2796328T3
Application number: ES16740296T
Authority: ES
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: US20170369975A1; CN107208217B; EP3249069A4; JPWO2016117689A1; RU2666811C1; US10494704B2; AU2016210107B2; BR112017015008A2; WO2016117689A1; EP3249069A1; CA2973678A1; EP3249069B1; AU2016210107A1; CA2973678C; JP6341298B2; CN107208217A

Abstract

Un raíl que comprende, en términos de % en masa: C: 0,75% a 0,85%; Si: 0,10% a 1,00%; Mn: 0,30% a 1,20%; Cr: 0,20% a 0,80%; V: 0,01% a 0,20%; N: 0,0040% a 0,0200%; Mo: 0% a 0,50%; Co: 0% a 1,00%; B: 0% a 0,0050%; Cu: 0% a 1,00%; Ni: 0% a 1,00%; Nb: 0% a 0,0500%; Ti: 0% a 0,0500%; Mg: 0% a 0,0200%; Ca: 0% a 0,0200%; REM: 0% a 0,0500%; Zr: 0% a 0,0200%; Al: 0% a 1,00%; P <= 0,0250%; S <= 0,0250%; y Fe e impurezas como un resto, en donde se cumplen las siguientes expresiones 1 y 2, una estructura de un intervalo entre una superficie exterior de una parte de la cabeza como un origen y una profundidad de 25 mm incluye 95% o mayor de una estructura de perlita y una dureza de la estructura es Hv 350 a 480, en donde una medida de la dureza se lleva a cabo de conformidad con JIS Z 2244, están presentes 50 a 500 carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm por 1,0 μm2 de un área a inspeccionar en una sección transversal tranversa en una posición que tiene una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza, y el valor obtenido restando una dureza de la posición que tiene la profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza de una dureza de una posición que tiene una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza es Hv 0 a Hv 40, 1,00 < Mn/Cr <= 4,00 ··· Expresión 1, 0,30 <= 0,25 x Mn + Cr <= 1,00 ··· Expresión 2, aquí, los símbolos de los elementos descritos en las Expresiones 1 y 2 indican el contenido de cada elemento en términos de % en masa.

Description

DESCRIPCIÓN

Raíl

[Campo técnico de la invención]

La presente invención se refiere a un raíl de alta resistencia que se utiliza en ferrocarriles de carga y tiene resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna excelentes.

[Técnica relacionada]

Con el desarrollo económico, se han desarrollado recientemente los recursos naturales tales como el carbón. Específicamente, se ha favorecido la minería en regiones con ambientes naturales severos que aún no se han desarrollado. Junto con esto, el entorno ferroviario de los ferrocarriles de carga utilizados para transportar los recursos se ha vuelto cada vez más severo. Como resultado, se ha requerido que los raíles tengan más resistencia al desgaste que nunca.

Además, en los ferrocarriles de carga, recientemente, el transporte ferroviario se ha vuelto más abarrotado. Por lo tanto, existe una preocupación de que aparecerán daños por fatiga desde el interior de una parte de la cabeza del raíl (posición a una profundidad de 20 a 30 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza en forma de un raíl no usado).

A partir de estos antecedentes, ha habido una demanda para el desarrollo de raíles de alta resistencia con resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna mejoradas.

Para mejorar la resistencia al desgaste del acero del raíl, se han desarrollado, por ejemplo, raíles de alta resistencia descritos en los documentos de patente 1 y 2. Las características principales de estos raíles son la dureza del acero que se incrementa refinando el espaciado laminar en una estructura de perlita utilizando un tratamiento térmico para mejorar la resistencia al desgaste y la mayor relación de volumen de cementita en la estructura laminar de una perlita debido a un aumento en la cantidad de carbono del acero.

Específicamente, el documento de patente 1 describe que se obtiene un raíl con excelente resistencia al desgaste realizando un enfriamiento acelerado en una parte de la cabeza del raíl que está laminada o recalentada a una velocidad de enfriamiento de 1 °C/s a 4 °C/s desde la temperatura de una región de austenita a un intervalo de 850 °C a 500 °C.

Además, el documento de patente 2 describe que puede obtenerse un raíl que tenga excelente resistencia al desgaste aumentando la relación de volumen de cementita en la estructura laminar de una perlita utilizando acero hipereutectoide (C: mayor que 0,85% y 1,20% o menos).

En las tecnologías descritas en los documentos de patente 1 y 2, puede mejorarse la resistencia al desgaste de una determinada región refinando el espaciado laminar en la estructura de perlita para mejorar la dureza y aumentar la relación de volumen de cementita en la estructura laminar de la perlita.

Sin embargo, en los raíles descritos en los documentos de patente 1 y 2, no se puede suprimir el daño por fatiga interna.

En consideración de los problemas descritos anteriormente se han sugerido, por ejemplo, raíles de alta resistencia como se describe en los documentos de patente 3 y 4. Las características principales de estos raíles son el control de la transformación perlítica añadiendo una pequeña cantidad de aleación o siendo mejorada la dureza del interior de una parte de la cabeza precipitando una pequeña cantidad de aleación en una estructura de perlita para mejorar la resistencia al daño por fatiga interna, además de mejorar la resistencia al desgaste.

Específicamente, el documento de patente 3 describe que la dureza del interior de la parte de la cabeza se mejora añadiendo B al acero hipereutectoide (C: mayor que 0,85% y 1,20% o menos) de modo que está controlada la temperatura de transformación perlítica en el interior de la parte de la cabeza. Además, el documento de patente 4 describe que la dureza del interior de la parte de la cabeza se mejora añadiendo V y N al acero hipereutectoide (C: mayor que 0,85% y 1,20% o menos) y precipitando carbonitruros de V en la estructura de perlita.

En el documento de patente 3 o 4, se mejora la resistencia al desgaste aumentando la relación de volumen de cementita en la estructura laminar de la perlita y se mejora la dureza del interior de la parte de la cabeza controlando la temperatura de transformación perlítica en el interior de la parte de la cabeza o el fortalecimiento de precipitación de la estructura de perlita de modo que pueda mejorarse la resistencia al daño por fatiga interna de una cierta región. Sin embargo, en las técnicas de los documentos de patentes 3 y 4, dado que la composición química está basada en acero hipereutectoide (C: mayor que 0,85% y 1,20% o menos) que tiene una gran cantidad de carbono, la tenacidad de la estructura de perlita es baja y pueden aparecer grietas frágiles en el interior de la parte de la cabeza. Por consiguiente, en el uso de raíles en un entorno ferroviario severo que se ha requerido en los últimos años, no se pudieron obtener características suficientes y, por tanto, ha sido un problema la mejora adicional de la resistencia al daño por fatiga interna. Además, en las técnicas de los documentos de patente 3 y 4, ha sido un problema ya que la dureza no mejora suficientemente debido a un cambio en las condiciones de producción y, por tanto, la resistencia al daño por fatiga interna puede disminuirse.

En consideración de tales problemas, por ejemplo, el documento de patente 5 sugiere un nuevo raíl de alta resistencia con la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna mejoradas que se requieren para un raíl. Las características principales son la cantidad de carbono que se reduce para mejorar la tenacidad de la estructura de perlita y una pequeña cantidad de aleación que se añade para mejorar la resistencia al daño por fatiga interna, de modo que se mejora la dureza del interior de la parte de la cabeza mediante endurecimiento por precipitación.

Específicamente, en el documento de patente 5, se mejora la dureza del interior de la parte de la cabeza controlando el contenido de Mn y el contenido de Cr y añadiendo V y N basados en acero eutectoide (C: 0,73% a 0,85%) que tiene una estructura de perlita con excelente tenacidad.

Sin embargo, en la técnica descrita en el documento de patente 5, se generan estructuras anormales tales como una bainita o una martensita perjudiciales para la resistencia al desgaste, dependiendo de las condiciones de producción, incluso cuando se controla el contenido de Mn y el contenido de Cr. Además, incluso cuando se añaden V y N y se controla la relación entre V y N, no se controla suficientemente el tamaño de partícula o la distribución de un nitruro de V, se vuelve excesivo un aumento en la dureza del interior de la parte de la cabeza, y no se obtiene un aumento suficiente en la dureza del interior de la parte de la cabeza y, por consiguiente, aparece el daño por fatiga interna. Por lo tanto, los objetivos son la prevención de la generación de estructuras anormales, la mejora de la resistencia al desgaste, la generación estable de precipitados basados en V y la mejora de la resistencia al daño por fatiga interna.

El documento de patente 6 describe un raíl tipo perlítico de alta dureza interna con resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga de contacto por rodadura excelentes y un método para producir el mismo. La composición química descrita en el documento de patente 6 se superpone con la composición química reivindicada.

El acero según el documento de patente 6 se procesa por un FTR entre 850-950 °C, enfriándose a una velocidad de 1,2-5 °C/s hasta la temperatura inicial de transformación perlítica, el enfriamiento debe comenzar por encima de 720 °C y terminar a 400-650 °C. Esto es para asegurar suficiente dureza, Hv 380-480, y resistencia a la fatiga a través del espacio laminar interno de la perlita.

Como se describe anteriormente, no se ha proporcionado un raíl de alta resistencia que se pueda utilizar en ferrocarriles de carga en un entorno ferroviario severo y que tenga resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna excelentes.

[Documento de la técnica anterior]

[Documento de patente]

[Documento de patente 1] Solicitud de patente japonesa examinada, segunda publicación N° S63-023244

[Documento de patente 2] Solicitud de patente japonesa no examinada, primera publicación N° H08-144016

[Documento de patente 3] Publicación de patente japonesa (concedida) N° 3445619

[Documento de patente 4] Publicación de patente japonesa (concedida) N° 3513427

[Documento de patente 5] Solicitud de patente japonesa no examinada, primera publicación N° 2009-108396

[Documento de patente 6] EE.UU. 2010/186857 A1

[Descripción de la invención]

[Problemas a resolver por la invención]

La presente invención se ha realizado en consideración de los problemas descritos anteriormente y un objeto de la presente invención es proporcionar un raíl con resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna mejoradas que se requieren para un raíl utilizado en ferrocarriles de carga, particularmente en un entorno ferroviario severo.

[Medios para resolver el problema]

(1) Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un raíl que incluye, en términos de % en masa: C: 0,75% a 0,85%; Si: 0,10% a 1,00%; Mn: 0,30% a 1,20%; Cr: 0,20% a 0,80%; V: 0,01% a 0,20%; N: 0,0040% a 0,0200%;

Mo: 0% a 0,50%; Co: 0% a 1,00%; B: 0% a 0,0050%; Cu: 0% a 1,00%; Ni: 0% a 1,00%; Nb: 0% a 0,0500%; Ti: 0% a 0,0500%; Mg: 0% a 0,0200%; Ca: 0% a 0,0200%; REM: 0% a 0,0500%; Zr: 0% a 0,0200%; Al: 0% a 1,00%; P < 0,0250%; S < 0,0250%; y Fe e impurezas como resto, se cumplen las siguientes expresiones 1 y 2, una estructura de un intervalo entre una superficie exterior de una parte de la cabeza como un origen y una profundidad de 25 mm incluye 95% o mayor de una estructura de perlita y una dureza de la estructura está en un intervalo de Hv 350 a 480, están presentes 50 a 500 carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm por 1,0 pm2 de un área a inspeccionar en una sección transversal tranversa en una posición que tiene la profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza, y el valor obtenido restando la dureza de la posición que tiene la profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza de la dureza de una posición que tiene una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza está en un intervalo de Hv 0 a Hv 40.

1,00 < Mn/Cr < 4,00 Expresión a

0,30 < 0,25 x Mn+Cr < 1,00 Expresión b

Aquí, los símbolos de los elementos descritos en las expresiones a y b indican la cantidad de cada elemento en términos de % en masa.

(2) En el raíl según (1), cuando un número de átomos de carbono se define como CA y un número de átomos de nitrógeno se define como NA en el carbonitruro de V, la relación CA/NA que es una relación de CA a NA puede ser 0,70 o menos.

(3) El raíl según (1) o (2) puede incluir, en términos de % en masa, al menos uno seleccionado del grupo que consiste en: Mo: 0,01% a 0,50%; Co: 0,01% a 1,00%; B: 0,0001% a 0,0050%; Cu: 0,01% a 1,00%; Ni: 0,01% a 1,00%; Nb: 0,0010% a 0,0500%; Ti: 0,0030% a 0,0500%; Mg: 0,0005% a 0,0200%; Ca: 0,0005% a 0,0200%; REM: 0,0005% a 0,0500%; Zr: 0,0001% a 0,0200%; y Al: 0,0100% a 1,00%.

[Efectos de la invención]

Según el aspecto de la presente invención, la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl pueden mejorarse controlando la composición de la aleación, las estructuras, el número de carbonitruros de V del acero del raíl (acero que sirve como material del raíl), controlando la dureza de la superficie de la parte de la cabeza o el interior de la parte de la cabeza, controlando una diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza, y controlando la composición de carbonitruro de V. Además, cuando se utiliza dicho raíl, la vida útil del raíl en un caso de utilizarse en ferrocarriles de carga puede mejorarse enormemente.

[Breve descripción de los dibujos]

FIG. 1 es un diagrama que muestra la relación de la temperatura de transformación isotérmica, la dureza y la estructura metalográfica.

FIG. 2 es un diagrama que muestra la relación entre los valores de Mn/Cr definidos en la expresión 1 y la estructura metalográfica.

FIG. 3 es un diagrama que muestra la relación entre los valores de 0,25 x Mn+Cr definidos en la expresión 2 y la dureza de una parte de la cabeza del raíl.

FIG.4 es un diagrama que muestra la relación entre el número (pieza/pm2) de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano de 5 a 20 nm por unidad de área (1,0 pm2) y la dureza de la parte de la cabeza del raíl.

FIG. 5 es un diagrama que muestra la relación entre una relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) de los carbonitruros y la presencia o ausencia de grietas finas en la periferia del carbonitruro de V durante un ensayo de fatiga de contacto por rodadura.

FIG. 6 es un diagrama que muestra los nombres de cada posición en la sección transversal de la parte de la cabeza y una región, para la cual se requiere la estructura de perlita, del raíl según la presente realización.

FIG. 7 es una vista que muestra una posición de mecanizado de especímenes del ensayo de desgaste.

FIG. 8 es una vista que muestra el esquema del ensayo de desgaste.

FIG. 9 es una vista que muestra el esquema del ensayo de fatiga de contacto por rodadura.

[Realizaciones de la invención]

De aquí en adelante, se describirá en detalle un raíl que tiene resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna excelentes según una realización de la presente invención (de aquí en adelante, también denominado como el raíl según la presente realización). De aquí en adelante, se describe simplemente como "%" el "% en masa" en la composición.

El raíl según la presente realización tiene las siguientes características.

(i) El raíl tiene una composición química predeterminada y cumple las expresiones de 1,00 < Mn/Cr < 4,00 y 0,30 < 0,25 x Mn+Cr < 1,00

(ii) Una estructura a una profundidad de 25 mm desde una superficie exterior de una parte de la cabeza como el origen incluye 95% o mayor de una estructura de perlita y la dureza Vickers de la estructura está en un intervalo de Hv 350 a 480.

(iii) Están presentes 50 a 500 carbonitruros de V que tienen un tamaño de partícula promedio de 5 a 20 nm por 1,0 gm2 de un área a inspeccionar en una sección transversal tranversa en una posición que tiene una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen.

(iv) El valor obtenido restando la dureza de la posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen de la dureza de la posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen está en un intervalo de Hv 0 a Hv 40.

(v) Cuando el número de átomos de carbono se establece en CA y el número de átomos de nitrógeno se establece en NA en el carbonitruro de V, la relación CA/NA, que es la relación de CA a NA, es preferiblemente 0,70 o menos.

<Razón para limitar la estructura metalográfica y las regiones requeridas de la estructura de perlita>

En el raíl según la presente realización, es necesario que el 95% o mayor (relación de área) del área a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen se establezca en la estructura de perlita.

Primero, se describirá la razón para establecer la relación de área de la estructura de perlita a 95% o mayor.

En la parte de la cabeza del raíl que entra en contacto con las ruedas, la resistencia al desgaste se considera que es lo más importante a garantizar. Como resultado de la investigación de la relación entre la estructura metalográfica y la resistencia al desgaste llevada a cabo por los presentes inventores, se confirmó que la estructura de perlita tiene la mejor resistencia al desgaste. Además, la dureza (resistencia) de la estructura de perlita se obtiene fácilmente incluso cuando la cantidad de elementos de la aleación es pequeña y la resistencia al daño por fatiga interna de los mismos es excelente. Por lo tanto, con el propósito de mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna, la relación de área de la estructura de perlita se limita al 95% o mayor. Cuando la relación de área de la estructura de perlita es menor que 95%, la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna no están suficientemente mejoradas.

A continuación, se describirá la razón para limitar el intervalo requerido de la estructura metalográfica (estructura que incluye perlita) que incluye la perlita que tiene una relación de área de 95% o mayor a un intervalo de al menos una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza (superficie de las partes de la esquina de la cabeza y una parte superior de la cabeza) como el origen.

Cuando el intervalo de la estructura que incluye la perlita, es menor que una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen, si se considera el desgaste en el momento del uso, la región no es suficiente como la región para la cual se requiere la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna de la parte de la cabeza del raíl, y la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna no pueden mejorarse suficientemente. Como resultado, la vida útil del raíl es difícil de mejorar suficientemente. Por lo tanto, es preferible que un intervalo a una profundidad de aproximadamente 30 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen se establezca a la estructura que tiene la perlita para mejorar más la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna.

La FIG. 6 muestra los nombres de cada posición en la sección transversal de la parte de la cabeza del raíl y la región, para la cual se requiere una estructura que incluye la perlita, del raíl según la presente realización. Primero, la parte de la cabeza del raíl indica una parte superior a la parte restringida que está ubicada en el centro del raíl en la dirección de la altura cuando el raíl se ve desde la sección transversal como se indica mediante el número de referencia 3 de la FIG. 6. Además, la parte de la cabeza del raíl 3 incluye una parte de la cabeza superior 1 y las partes de las esquinas de la cabeza 2 colocadas en ambos extremos de la parte de la cabeza superior 1. Una parte de la esquina de la cabeza 2 es una parte de la esquina de calibre (G. C., por sus siglas en inglés) que entra principalmente en contacto con las ruedas. Además, la superficie exterior de la parte de la cabeza indica tanto la superficie de la parte superior de la cabeza 1 que mira al lado superior cuando el raíl está en vertical como las superficies de las partes de las esquinas de la cabeza 2, en la parte de la cabeza del raíl 3. La relación posicional entre la parte superior de la cabeza 1 y las partes de las esquinas de la cabeza 2 es que la parte superior de la cabeza 1 está posicionada aproximadamente en el centro de la parte de la cabeza del raíl en la dirección de la anchura y las partes de las esquinas de la cabeza 2 están posicionadas en ambos lados de la parte superior de la cabeza 1.

El intervalo a una profundidad de 25 mm desde la superficie de las partes de las esquinas de la cabeza 2 y la parte superior de la cabeza 1 (superficie exterior de la parte de la cabeza) como el origen se denomina como parte de la superficie de la cabeza (3a, parte sombreada). Como se muestra en la FIG. 6, cuando una estructura (estructura metalográfica que incluye la perlita en una relación de área de 95% o mayor) que incluye la perlita con una dureza predeterminada está dispuesta en la parte de la superficie de la cabeza 3a a una profundidad de 25 mm desde la superficie de las partes de las esquinas de la cabeza 2 y la parte superior de la cabeza 1 (superficie exterior de la parte de la cabeza), se mejoran la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl.

Por lo tanto, es preferible que la estructura que incluye la perlita esté dispuesta en la parte de la superficie de la cabeza 3a en la que las ruedas y el raíl están principalmente en contacto y se requieren la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Estas características no se requieren en una parte distinta de la parte de la superficie de la cabeza, la relación de área de la estructura de perlita en una parte distinta de la parte de la superficie de la cabeza puede ser o no 95% o mayor.

Además, cuando la relación de área de la estructura de perlita es 95% o mayor, pueden mezclarse una pequeña cantidad de una ferrita proeutectoide, una cementita proeutectoide, una estructura de bainita o una estructura de martensita distinta de la estructura de perlita en el estructura metalográfica de la parte de la superficie de la cabeza 3a del raíl según la presente realización en el 5% o menos en términos de la relación de área. Incluso si estas estructuras se mezclan en la estructura metalográfica, cuando la relación de área de las mismas es 5% o menos, no están afectadas negativamente y enormemente la resistencia al desgaste de la superficie de la parte de la cabeza y la resistencia al daño por fatiga interna del interior de la parte de la cabeza. En otras palabras, en la estructura metalográfica de la parte de la cabeza del raíl del raíl según la presente realización, el 95% o mayor de la parte de la superficie de la cabeza en términos de la relación de área puede ser la estructura de perlita y es preferible que el 98% o mayor de la estructura metalográfica de la parte de la superficie de la cabeza de la parte de la cabeza del raíl se establezca a la estructura de perlita para mejorar suficientemente la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna. La relación de área de la estructura de perlita puede ser 100%.

La relación de área de la estructura de perlita en un intervalo entre la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y una profundidad de 25 mm puede obtenerse según el siguiente método. Es decir, la relación de área de la estructura de perlita puede determinarse observando la estructura metalográfica en el campo visual de un microscopio óptico de 200 aumentos y determinando el área de cada estructura metalográfica. Además, se utilizan 10 o más campos visuales (10 sitios) como los campos visuales del microscopio óptico descritos anteriormente y el valor promedio de las relaciones de área puede utilizarse como la relación de área de la parte observada.

Un método para evaluar la estructura metalográfica es el siguiente.

Pre-procesamiento: 3% de tratamiento de grabado nital después del pulido de diamante realizado en la muestra

Observación de la estructura: microscopio óptico (200 aumentos)

Campos visuales: 10 o más

Determinación de la estructura: la determinación se realiza basada en los libros de texto de metalografía (por ejemplo, "Introduction to Structures and Properties of metallic materials and Heat Treatment Utilizing Materials and Structure Control": The Japan Society for Heat Treatment), la observación SEM en un caso donde la estructura no está clara. Determinación de la relación: se mide el área de cada estructura, se calcula la relación de área en un campo visual y el valor promedio de todo el campo visual se establece en un valor representativo de la parte. Además, la relación de área de una estructura puede obtenerse encerrando una estructura predeterminada con una línea continua basada en la determinación de una estructura descrita anteriormente, obteniendo el área de una región en la línea según el análisis de imagen y calculando la relación del área del mismo al área de los campos visuales de observación completos.

En el raíl según la presente realización, cuando la relación de área de la estructura de perlita de una posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen es respectivamente 95% o mayor, puede decirse que el 95% o mayor de la estructura metalográfica en un intervalo entre la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y al menos una profundidad de 25 mm es la estructura de perlita.

<Razón para limitar la dureza de la estructura que incluye la perlita>

A continuación, se describirá la razón para limitar la dureza de la estructura que incluye la perlita en el raíl según la presente realización a un intervalo de Hv 350 a 480.

Los presentes inventores examinaron la dureza de la estructura metalográfica que incluye la perlita requerida para garantizar la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl. Específicamente, se fabricó un raíl en el que se cambió la dureza de la parte de la cabeza del raíl para el ensayo realizando el laminado y un tratamiento térmico utilizando un material de acero (acero eutectoide) que contenía composiciones químicas que eran 0,80% C, 0,50% Si, 0,70% Mn, 0,50% Cr, 0,0150% P y 0,0120% S. Además, en el raíl de ensayo, se investigó la relación entre la dureza de la parte de la cabeza del raíl y la resistencia al desgaste y la resistencia al daño superficial y la relación entre la dureza y la resistencia al daño por fatiga interna realizando un ensayo de desgaste utilizando piezas de ensayo mecanizadas de la parte de la cabeza del raíl y un ensayo de fatiga de contacto por rodadura utilizando un raíl real. Como resultado, para garantizar la resistencia al desgaste, la resistencia al daño superficial y la resistencia al daño por fatiga interna de la parte de la cabeza del raíl, se confirmó que la dureza de la estructura metalográfica que incluye la perlita en un intervalo entre la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y una profundidad de 25 mm necesita que se controle para que esté en un intervalo de Hv 350 a 480.

Cuando la dureza de la estructura que incluye la perlita, es menor que Hv 350, el desgaste avanza y es difícil de garantizar la resistencia al desgaste requerida para la parte de la cabeza del raíl. Además, en el interior de la parte de la cabeza, aparecen grietas de fatiga y se propagan y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna. Además, cuando la dureza de la estructura que incluye la perlita es mayor que Hv 480, en la superficie de la parte de la cabeza, aparecen grietas finas en la superficie exterior de la parte de la cabeza que entra en contacto con las ruedas y la resistencia al daño superficial se hace difícil de garantizar debido a la fragilidad de la estructura que incluye la perlita. Por esta razón, la dureza de la estructura que incluye la perlita, se limita para que esté en un intervalo de Hv 350 a 480.

La dureza de la estructura que incluye la perlita se mide realizando medidas en 10 o más puntos (10 sitios) en una posición de medida (por ejemplo, una posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) y empleando el valor promedio como la dureza de la posición. En el raíl de la presente realización, la relación de área de la estructura de perlita es 95% o mayor, pero están presentes otras estructuras (cementita proeutectoide, ferrita proeutectoide, martensita, bainita y similares) a una relación de área de 5% o menos. Por lo tanto, la dureza de la estructura que incluye la perlita, puede no ser un valor representativo cuando la medida se realiza en un punto.

Se describen a continuación las condiciones para medir la dureza.

Dispositivo: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Recogida de piezas de ensayo para la medida: muestra de mecanizado de la sección transversal tranversa de la parte de la cabeza del raíl

Pre-procesamiento: pulir la sección transversal tranversa con granos abrasivos de diamante que tienen un tamaño de grano promedio de 1 gm

Método de medida: llevado a cabo de conformidad con JIS Z 2244

Medida: 10 puntos o más

Dureza: el valor promedio del punto medido se establece como un valor representativo a una posición de profundidad

En el raíl según la presente realización, cuando la dureza de una posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y la dureza de una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza está respectivamente en un intervalo de Hv 350 a 480, se puede decir que la dureza del intervalo al menos a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen está en un intervalo de Hv 350 a 480.

<Razón para limitar la diferencia entre la dureza de la superficie de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como origen) y la dureza del interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como origen)> y <Razón para limitar el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm>

A continuación, se describirá la razón para limitar una diferencia (valor obtenido restando la dureza de la posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen de la dureza de la posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza a un intervalo de Hv 0 a Hv 40 y la razón para limitar el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm a un intervalo de 50 a 500 por 1,0 gm2 de un área a inspeccionar en una sección transversal tranversa a una posición que tiene una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen.

Los presentes inventores realizan un ensayo de fatiga de contacto por rodadura utilizando una máquina de ensayo de fatiga de contacto por rodadura mostrada en la FIG. 9 bajo condiciones en las que se establece la forma de una pieza de ensayo en un raíl de 63,96 kg (141 lbs) 8 con una longitud completa de 2 m, se establece el tipo de rueda 9 en un tipo AAR que tiene un diámetro de 920 mm, la carga radial se establece que esté en un intervalo de 50 a 300 kN, se establece la carga de empuje a 20 kN, se realiza la lubricación con aceite que se suministra de forma intermitente y se establece el número máximo de repeticiones en 2 millones, en raíles de la técnica relacionada. Después del ensayo, se investiga en detalle el estado de aparición del daño por fatiga en el interior de la parte de la cabeza.

Como resultado, se confirmó que aparecen grietas en el interior de la parte de la cabeza. Dado que las grietas en el interior de la parte de la cabeza afectan enormemente el rendimiento básico del raíl, es necesario evitar la aparición de grietas para garantizar la seguridad. Los presentes inventores examinaron un método para prevenir la aparición de grietas.

Con el propósito de reducir la concentración de deformación en el interior de la parte de la cabeza que aparece debido al contacto con las ruedas, los presentes inventores examinaron un método para mejorar aún más la dureza del interior de la parte de la cabeza, que disminuye la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza, y que ajusta la resistencia del material en la sección transversal de la parte de la cabeza para que sea lo más uniforme posible. Además, se considera que la generación de carbonitruro de V precipitado en ferrita de la estructura de perlita es eficaz para mejorar la dureza del interior de la parte de la cabeza y se examina el control de carbonitruro de V que se precipita fácilmente en ferrita de la estructura de perlita.

Se investigaron los precipitados en el interior de la parte de la cabeza y la dureza de la parte de la cabeza realizando un laminado en caliente y un tratamiento térmico para favorecer la generación de carbonitruro de V en un acero en el que el contenido de V cambia en un intervalo de 0,01% a 0,20% y el contenido de N cambia en un intervalo de 0,0040% a 0,0200% basado en el material de acero (acero eutectoide) que tiene composiciones químicas de 0,80% C, 0,50% Si, 0,50% Mn, 0,40% Cr, 0,0150% P, y 0,0120% S. El tratamiento térmico se realiza con enfriamiento acelerado y enfriamiento controlado después de terminar el laminado en caliente. Las condiciones de ensayo son las siguientes.

[Laminado del raíl real, ensayo del tratamiento térmico]

Composiciones químicas del acero

0,80% C, 0,50% Si, 0,50% Mn, 0,40% Cr, 0,0150% P, 0,0120% S, V: 0,01% a 0,20%, y N: 0,0040% a 0,0200% (el resto está formado de Fe e impurezas)

• Forma de raíl

70 kg/m (peso: 141 lbs)

• Condiciones para el laminado en caliente y el tratamiento térmico

Temperatura final de laminado (superficie exterior de la parte de la cabeza): 950 °C

Condiciones para el tratamiento térmico: el tratamiento térmico se realiza en el siguiente orden:

(1) laminado;

(2) enfriamiento por aire natural; y

(3) enfriamiento acelerado y enfriamiento controlado.

Condiciones para el enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza): realizar el enfriamiento a un intervalo de temperatura de 800 °C a 590 °C a una velocidad de enfriamiento de 3 °C/s.

Condiciones para el enfriamiento controlado (superficie exterior de la parte de la cabeza): intervalo de temperatura de mantenimiento de 580 °C a 640 °C durante 100 a 200 s después de detener el enfriamiento acelerado y después de realizar el enfriamiento por aire

Mantenimiento de la temperatura durante el enfriamiento controlado: la temperatura se controla realizando y deteniendo repetidamente el enfriamiento acelerado según la recuperación desde el interior del raíl

[Método de investigación del carbonitruro de V]

• Pre-procesamiento: muestras de mecanizado de la sección transversal tranversa del raíl y realización de procesamiento de película delgada o recogida de réplicas (método de exposición de precipitados mediante grabado electrolítico o grabado químico y desprendimiento de precipitados utilizando la película)

• Posición de recogida: interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como origen)

• Método de medida

Dispositivo: microscopio electrónico de transmisión

Aumentos: 50000 a 500000

Número de campos visuales para la observación: 20 campos visuales

Selección de precipitados: se identifican los precipitados generados en la ferrita de la estructura de perlita con un microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) utilizando una película delgada o una muestra de réplica. Los carbonitruros de V se determinan realizando el análisis de la composición en los precipitados utilizando un dispositivo de espectroscopía de rayos X por energía dispersiva (EDX, por sus siglas en inglés) o realizando el análisis de los elementos a través del análisis estructural cristalino de una imagen de difracción del haz de electrones utilizando un TEM. Durante la determinación, se establece en un objetivo de evaluación un precipitado a partir del cual se detecta simultáneamente carbono o nitrógeno, además de V, en cada uno de los precipitados. Los precipitados como un objetivo de evaluación contienen al menos V y carbono, V y nitrógeno, o V, carbono y nitrógeno y pueden contener otros elementos de aleación.

Medida del tamaño de grano de los precipitados: se obtiene el área de los precipitados que sirve como el objetivo de evaluación descrito anteriormente y se calcula el tamaño de grano promedio utilizando el diámetro de un círculo correspondiente al área.

Evaluación: Como resultado del cálculo, se obtiene el valor promedio seleccionando precipitados que tienen un tamaño de grano de 5 a 20 nm, contando el número de carbonitruros de V que tienen un diámetro predeterminado y convirtiendo el número de carbonitruros de V al número por unidad de área.

[Método de medida y condiciones de medida de la dureza de la parte de la cabeza del raíl]

• Medida de la dureza

Dispositivo: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Método de medida: llevado a cabo de conformidad con JIS Z 2244

• Cálculo de la dureza.

Superficie de la parte de la cabeza: la medida se realiza en 20 sitios arbitrarios a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza y el valor promedio de la misma se establece a la dureza de la superficie de la parte de la cabeza.

Interior de la parte de la cabeza: la medida se realiza en 20 sitios arbitrarios a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza y el valor promedio de la misma se establece a la dureza del interior de la parte de la cabeza.

Como resultado de la investigación detallada de la relación entre la dureza de la parte de la cabeza y los precipitados generados en el interior de la parte de la cabeza del raíl sometidos a laminado en caliente y un tratamiento térmico, se entiende que puede generarse una cierta cantidad de carbonitruro de V en la estructura de perlita al contener V y N y controlando las condiciones para el tratamiento térmico llevado a cabo después del laminado en caliente. Además, como se muestra en la FIG. 4, se confirmó que la dureza del interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza) se mejora enormemente controlando el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm. Además, se confirmó que la dureza del interior de la parte de la cabeza se controla para que sea menor que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza y una diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza puede reducirse a Hv 40 o menos controlando el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm en el interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) para que esté en un intervalo de 50 a 500 piezas/gm2.

A continuación, para verificar los efectos de la diferencia en la dureza, se realiza un ensayo de fatiga de contacto por rodadura utilizando una máquina de ensayo de fatiga de contacto por rodadura mostrada en la FIG. 9 bajo condiciones en las que se establece la forma de una pieza de ensayo en un raíl de 63,96 kg (141 lbs) 8 con una longitud completa de 2 m, se establece el tipo de la rueda 9 en un tipo AAR que tiene un diámetro de 920 mm, se establece que la carga radial esté en un intervalo de 50 a 300 kN, se establece la carga de empuje a 20 kN, se realiza la lubricación con aceite que se suministra de forma intermitente y se establece el número máximo de repeticiones en 2 millones, en los raíles. Después del ensayo, se investiga en detalle la aparición del daño por fatiga en el interior de la parte de la cabeza.

Como resultado, se confirmó que no hay grietas restantes en el interior de la parte de la cabeza del raíl en las que la diferencia en la dureza se controla a Hv 40 o menos y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl se mejora enormemente.

Como se describe anteriormente, se controla la dureza del interior de la parte de la cabeza para que sea menor que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza y la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza puede reducirse a Hv 40 o menos controlando el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm en el interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) para que esté en un intervalo de 50 a 500 piezas/gm2. Además, no hay grietas restantes en el interior de la parte de la cabeza del raíl en el que se controla la diferencia en la dureza para que sea Hv 40 o menos, de modo que la resistencia al daño por fatiga interna del raíl se mejora enormemente.

Por lo tanto, la densidad numérica de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm en la sección transversal tranversa en una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen se establece que esté en un intervalo de 50 a 500 piezas por 1,0 gm2 de un área (es decir, 50 a 500 piezas/gm2) a inspeccionar y la diferencia (es decir, (la dureza de la superficie de la parte de la cabeza) menos (la dureza del interior de la parte de la cabeza)) entre la dureza de la superficie de la parte de la cabeza y la dureza del interior de la parte de la cabeza se controla para que sea Hv 40 o menos.

Cuando la cantidad de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm que se generan es menor que 50 por 1,0 gm2 de un área a inspeccionar, la dureza del interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) no aumenta suficientemente y la resistencia al daño por fatiga interna no mejora. Mientras tanto, la densidad numérica de carbonitruros de V es mayor que 500 por 1,0 gm2 de un área a inspeccionar, un aumento en la dureza del interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) se vuelve excesivo, la dureza del interior de la parte de la cabeza aumenta más que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza, y por tanto la tensión del raíl que se genera por una fuerza externa debido al contacto con las ruedas o similares se concentra en una región que tiene una pequeña dureza en la superficie de la parte de la cabeza. Como resultado, aparecen grietas finas en la superficie de la parte de la cabeza y se degrada la resistencia al daño superficial. Por lo tanto, el número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm, que están presentes en una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen está limitado a un intervalo de 50 a 500 por 1,0 gm2 de un área a inspeccionar.

Además, cambia la velocidad de enfriamiento de cada sitio en la sección transversal en la parte de la cabeza del raíl. Normalmente, existe una tendencia a que la distribución de la dureza disminuya desde la superficie de la parte de la cabeza hacia el interior de la parte de la cabeza. Cuando la diferencia entre la dureza de la superficie de la parte de la cabeza y la dureza del interior de la parte de la cabeza es mayor que Hv 40, un cambio en la resistencia del material en la sección transversal de la parte de la cabeza del raíl se vuelve significativamente grande y, por tanto, la tensión del raíl que se genera a partir de la fuerza externa debido al contacto con las ruedas o similares se concentra en una región que tiene una pequeña dureza del interior de la parte de la cabeza. Como resultado, aparecen grietas finas y permanecen en el interior de la parte de la cabeza y se vuelve difícil la mejora adicional de la resistencia al daño por fatiga interna.

Además, la diferencia en la dureza descrita anteriormente indica una diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza. Normalmente, existe una tendencia a que la dureza disminuya desde la superficie de la parte de la cabeza hacia el interior de la parte de la cabeza como se describe anteriormente. Por consiguiente, la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza es un valor positivo. Sin embargo, cuando se genera la bainita en la superficie de la parte de la cabeza debido al fracaso del control de las condiciones para un tratamiento térmico o similar, la dureza del interior de la parte de la cabeza a veces aumenta más que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza. Como resultado, la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza en algunos casos es un valor negativo. Incluso en este caso, similar al caso en el que se genera el carbonitruro de V en exceso, la tensión del raíl que se genera a partir de una fuerza externa debido al contacto con las ruedas o similares se concentra en una región que tiene una baja dureza en la superficie de la parte de la cabeza Como resultado, aparecen grietas finas en la superficie de la parte de la cabeza y se degrada la resistencia al daño superficial.

La razón para seleccionar, como la superficie de la parte de la cabeza, la posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y la posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen es que las posiciones muestran la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna como un raíl de producto de la manera más significativa. La resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl, según la presente realización, pueden mejorarse controlando la dureza de estas posiciones o la diferencia en la dureza entre estas posiciones. El método para medir la dureza es como se describe anteriormente. La posición para medir la dureza puede seleccionarse arbitrariamente, siempre que se cumplan las condiciones, para obtener valores que representen la región completa desde la parte superior de la cabeza hasta la parte de la esquina de la cabeza del raíl.

<Razón para limitar la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V>

Desde el punto de vista de mejorar además la seguridad, los presentes inventores examinan las medidas para mejorar las características en el momento del uso a largo plazo. Como resultado de la observación detallada en el raíl después del ensayo de fatiga, se confirmó que a veces aparecen grietas finas en la periferia del carbonitruro de V. Los presentes inventores examinaron el método para eliminar estas grietas finas.

Aquí, los presentes inventores investigan detalladamente la relación entre la composición del carbonitruro de V y las grietas finas que aparecen en la periferia del mismo. El método de investigación es el siguiente.

[Método de investigación de grietas finas]

• Preparación de la muestra

Se mecaniza el raíl y se prepara una muestra desde una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza en el interior de la parte de la cabeza como el origen.

• Pre-procesamiento: pulir la sección transversal con granos abrasivos de diamante

• Método de observación

Dispositivo: microscopio electrónico de barrido

Aumentos: 10000 a 100000

Posición de observación: observación detallada en la periferia del carbonitruro de V que tiene un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm

(El método para medir el tamaño de grano promedio es el mismo que el descrito anteriormente.)

[Método de investigación de la composición del carbonitruro de V]

• Posición para recoger muestras: interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como origen)

• Pre-procesamiento: se procesa la muestra de aguja (10 pm x 10 pm x 100 pm) según el método de haz de iones enfocado (FIB, por sus siglas en inglés)

• Dispositivo de medición: método de sonda atómica tridimensional (3DAP, por sus siglas en inglés)

• Método de medida

Se aplica un voltaje a la muestra de aguja para liberar iones metálicos y se detectan los iones metálicos utilizando un detector de coordenadas. Se identifica el tipo de elemento basado en el tiempo de vuelo iónico y se especifica la posición del elemento o el número de átomos en tres dimensiones basado en las coordenadas detectadas.

Voltaje: CC, pulso (frecuencia de pulso del 20% o mayor)

Temperatura de la muestra: -233,1 °C (40 K) o inferior

• Relación de cálculo del número de átomos de carbono al número de átomos de nitrógeno del carbonitruro de V El número de átomos de carbono y el número de átomos de nitrógeno del carbonitruro de V se calculan basados en la información de las posiciones de los elementos o las cantidades de los mismos descritas anteriormente. El número de átomos de carbono y el número de átomos de nitrógeno contenidos en el carbonitruro de V se cuentan respectivamente a partir de los resultados de la 3DAP. Se calcula la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) a partir de los resultados.

• Número de veces de la medida: se miden 5 o más puntos y el valor promedio se establece al valor representativo. Como resultado de la investigación, se confirmó que el estado de aparición de grietas cambia enormemente por la combinación del número de átomos de carbono y el número de átomos de nitrógeno del carbonitruro de V. Además, como resultado de la investigación detallada, se descubrió que la aparición de grietas finas y el número de átomos de carbono (CA) y el número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V están correlacionados y la dureza del carbonitruro de V tiende a aumentar y la cantidad de grietas que aparecen en una fase matriz en la periferia de la misma tiende a aumentar cuando se aumenta la cantidad de carburos. Como resultado de la investigación adicional, como se muestra en la FIG. 5, se confirmó que las grietas finas se eliminan controlando la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) a 0,70 o menos.

A partir de estos resultados, se descubrió que, preferiblemente, se controla el número de carbonitruro de V y se controla la composición del carbonitruro de V como el origen de las grietas para suprimir y evitar grietas en el interior de la parte de la cabeza y la aparición de grietas finas y además mejora el rendimiento básico del raíl.

<Razón para limitar las composiciones químicas del raíl>

La razón para limitar las composiciones químicas del acero del raíl (acero que sirve como el material del raíl) en el raíl según la presente realización se describirá en detalle.

C: 0,75% a 0,85%

El C es un elemento eficaz para favorecer la transformación perlítica y garantizar la resistencia al desgaste. Cuando el contenido de C es menor que 0,75%, en la presente composición química, no puede mantenerse la resistencia mínima y la resistencia al desgaste requeridas para el raíl. Además, se genera una ferrita proeutectoide y la resistencia al desgaste se degrada enormemente. Además, es probable que se genere una ferrita proeutectoide blanda en la que aparecen fácilmente grietas por fatiga en el interior de la parte de la cabeza y es probable que se genere resistencia al daño por fatiga interna. Mientras tanto, cuando el contenido de C es mayor que 0,85%, se degrada la tenacidad de la estructura de perlita, aparecen grietas frágiles en el interior de la parte de la cabeza y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna. Además, es probable que se genere la cementita proeutectoide en el interior de la parte de la cabeza, aparecen grietas por fatiga en la interfaz entre la estructura de perlita y la cementita proeutectoide, y luego es probable que se genere la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, el contenido de C se ajusta para que esté en un intervalo de 0,75% a 0,85%. Para estabilizar la generación de la estructura de perlita y mejorar la resistencia al daño por fatiga interna, es preferible que el contenido de C se ajuste para que esté en un intervalo de 0,80% a 0,85%.

Si: 0,10% a 1,00%

El Si es un elemento que se disuelve en sólido en ferrita de la estructura de perlita, aumenta la dureza (resistencia) de la parte de la cabeza del raíl y mejora la resistencia al desgaste. Sin embargo, cuando el contenido de Si es menor que 0,10%, estos efectos no pueden obtenerse suficientemente. Mientras tanto, cuando el contenido de Si es mayor que 1,00%, se genera una gran cantidad de grietas superficiales en el momento del laminado en caliente. Además, la templabilidad aumenta significativamente, es probable que se genere la estructura de martensita en la parte de la cabeza del raíl de modo que se degrade la resistencia al desgaste. Por lo tanto, el contenido de Si se ajusta para que esté en un intervalo de 0,10% a 1,00%. Es preferible que el contenido de Si se ajuste para que esté en un intervalo de 0,20% a 0,80% para además estabilizar la generación de la estructura de perlita y además mejorar la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna.

Mn: 0,30% a 1,20%

El Mn es un elemento que aumenta la templabilidad, estabiliza la transformación perlítica, refina el espacio laminar de la estructura de perlita y garantiza la dureza de la estructura de perlita de modo que además se mejora la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Mn es menor que 0,30%, la resistencia al desgaste no mejora. Además, se genera una ferrita proeutectoide blanda en la que aparecen fácilmente grietas por fatiga en el interior de la parte de la cabeza y es difícil de garantizar la resistencia al daño por fatiga interna. Mientras tanto, cuando el contenido de Mn es mayor que 1,20%, aumenta significativamente la templabilidad y se genera la estructura de martensita en la parte de la cabeza del raíl de modo que se degrada la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial. Por lo tanto, se ajusta el contenido de adición de Mn para que esté en un intervalo de 0,30% a 1,20%. Es preferible que el contenido de Mn se ajuste para que esté en un intervalo de 0,40% a 1,00% para estabilizar la generación de la estructura de perlita y mejorar la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna.

Cr: 0,20% a 0,80%

El Cr es un elemento que refina el espacio laminar de la estructura de perlita y mejora la dureza (resistencia) de la estructura de perlita aumentando la temperatura de transformación de equilibrio y aumentando el grado de sobreenfriamiento. Además, el refinado del espacio laminar y la mejora de la dureza de la estructura de perlita contribuyen a la mejora de la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Cr es menor que 0,20%, los efectos descritos anteriormente son pequeños y no pueden obtenerse los efectos de mejorar la dureza del acero del raíl. Mientras tanto, cuando el contenido de Cr es mayor que 0,80%, aumenta significativamente la templabilidad, se genera la estructura de bainita o la estructura de martensita en la parte de la cabeza del raíl, y por tanto se degrada la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial. Por lo tanto, el contenido de Cr se establece para que esté en un intervalo de 0,20% a 0,80%. Es preferible que el contenido de Cr se establezca para que esté en un intervalo de 0,40% a 0,75% para estabilizar la generación de la estructura de perlita y mejorar la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna.

V: 0,01% a 0,20%

El V es un elemento que se precipita como un carbonitruro de V durante un proceso de enfriamiento después del laminado en caliente, aumenta la dureza (resistencia) de la estructura de perlita utilizando el endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia al daño por fatiga interna en el interior de la parte de la cabeza. Sin embargo, cuando el contenido de V es menor que 0,01%, el número de carbonitruros finos que se precipitan en ferrita de la estructura de perlita es pequeño y no mejora la dureza (resistencia) del interior de la parte de la cabeza. Mientras tanto, cuando el contenido de V es mayor que 0,20%, el número de carbonitruros finos de V se vuelve excesivo, la dureza del interior de la parte de la cabeza aumenta más que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza y la tensión del raíl que se genera a partir de la fuerza externa debido al contacto con ruedas o similares, se concentra en una región que tiene una baja dureza en la superficie de la parte de la cabeza. Como resultado, aparecen grietas finas en la superficie de la parte de la cabeza y se degrada la resistencia al daño superficial. Por lo tanto, el contenido de V se establece para que esté en un intervalo de 0,01% a 0,20%. Es preferible que el contenido de V se establezca para que esté en un intervalo de 0,03% a 0,10% para estabilizar la generación de la estructura de perlita y mejorar la resistencia al daño por fatiga interna.

N: 0,0040% a 0,0200%

El N es un elemento que favorece la precipitación de carbonitruro de V durante el proceso de enfriamiento después del laminado en caliente cuando se añaden N y V al mismo tiempo. Cuando se precipita el carbonitruro de V, se aumenta la dureza (resistencia) de la estructura de perlita y se mejora la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de N es menor que 0,0040%, el número de carbonitruros finos que se precipitan en ferrita de la estructura de perlita es pequeño y no mejora la dureza (resistencia) del interior de la parte de la cabeza. Mientras tanto, cuando el contenido de N es mayor que 0,0200%, se hace difícil para el N que sea un soluto sólido en acero. En este caso, se generan burbujas como el origen del daño por fatiga, de modo que es probable que aparezca el daño por fatiga interna. Por lo tanto, el contenido de N se establece para que esté en un intervalo de 0,0040% a 0,0200%. Es preferible que el contenido de N se establezca para que esté en un intervalo de 0,0060% a 0,0150% para estabilizar la generación de la estructura de perlita y mejorar la resistencia al daño por fatiga interna.

P: 0,0250% o menos

El P es un elemento (impureza) que está contenido inevitablemente en el acero y el contenido del mismo puede controlarse realizando el refinado en un convertidor. Es preferible que el contenido de P sea pequeño. Sin embargo, cuando el contenido de P es mayor que 0,0250%, la estructura de perlita se fragiliza y aparecen grietas frágiles en el interior de la parte de la cabeza, de modo que se degrada la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, el contenido de P está limitado a 0,0250% o menos. El límite inferior del contenido de P no está limitado, pero el límite inferior del mismo en el momento de la producción real es aproximadamente 0,0050% cuando se considera la capacidad de desulfuración durante el proceso de refinado.

S: 0,0250% o menos

El S es un elemento (impureza) que está contenido inevitablemente en el acero y el contenido del mismo puede controlarse realizando la desulfuración en un crisol del cubilote. Es preferible que el contenido de S sea pequeño. Sin embargo, cuando el contenido de S es mayor que 0,0250%, es probable que se generen inclusiones de sulfuros gruesos basados en MnS, aparecen grietas por fatiga en el interior de la parte de la cabeza debido a la concentración de tensión en la periferia de las inclusiones y, por tanto, se degrada la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, el contenido de S está limitado a 0,0250% o menos. El límite inferior del contenido de S no está limitado, pero el límite inferior del mismo en el momento de la producción real es aproximadamente 0,0050% cuando se considera la capacidad de desulfuración durante el proceso de refinado.

Básicamente, el raíl según la presente realización contiene los elementos químicos descritos anteriormente y el resto está formado de Fe e impurezas. Sin embargo, en lugar de una parte de Fe en el resto, el resto puede contener además al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mo, Co, B, Cu, Ni, Nb, Ti, Mg, Ca, REM, Zr y Al, en los intervalos descritos a continuación, con el propósito de mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna debido a un aumento en la dureza (resistencia) de la estructura de perlita, mejorando la tenacidad, evitando que una zona afectada por el calor de la unión soldada se ablande, y controlar la distribución de la dureza en la sección transversal en el interior de la parte de la cabeza. Específicamente, el Mo aumenta el punto de transformación de equilibrio, refina el espacio laminar de la estructura de perlita y mejora la dureza. El Co refina la estructura laminar en la superficie de desgaste y aumenta la dureza de la superficie de desgaste. El B reduce la dependencia de la velocidad de enfriamiento de la temperatura de transformación perlítica para hacer la distribución de la dureza en la sección transversal de la parte de la cabeza del raíl uniforme. El Cu se disuelve en sólido en ferrita de la estructura de perlita y aumenta la dureza. El Ni mejora la tenacidad y la dureza de la estructura de perlita y evita que se ablande la zona afectada por el calor de la unión soldada. El Nb y Ti mejoran la resistencia a la fatiga de la estructura de perlita mediante endurecimiento por precipitación de un carburo y un nitruro generado durante un laminado en caliente y un proceso de enfriamiento llevado a cabo después del laminado en caliente. Además, el Nb y Ti hacen que se genere de forma estable un carburo o un nitruro en el momento del recalentamiento y evitan que se ablande la zona afectada por el calor de la unión soldada. El Mg, Ca y REM dispersan finamente los sulfuros basados en MnS y disminuyen el daño por fatiga interna que aparece por las inclusiones. El Zr suprime la formación de una zona de segregación de la parte central de una plancha fundida o floración y suprime la generación de una cementita o la martensita proeutectoide aumentando la relación de cristal equiaxial de la estructura de solidificación. En consecuencia, estos elementos pueden estar contenidos para obtener los efectos descritos anteriormente. Además, incluso si la cantidad de cada elemento es igual o menor que el intervalo descrito a continuación, no se dañan las características del raíl según la presente realización. Además, dado que estos elementos no están necesariamente contenidos, el límite inferior de los mismos es 0%.

Mo: 0,01% a 0,50%

El Mo es un elemento que refina el espacio laminar de la estructura de perlita y mejora la dureza (resistencia) de la estructura de perlita de modo que la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna mejoran aumentando la temperatura de transformación de equilibrio y aumentando el grado de sobreenfriamiento. Sin embargo, cuando el contenido de Mo es menor que 0,01%, los efectos descritos anteriormente son pequeños y no pueden obtenerse los efectos de mejorar la dureza del acero del raíl. Mientras tanto, cuando el contenido de Mo es mayor que 0,50%, la tasa de transformación disminuye significativamente, se genera la estructura de martensita con baja tenacidad en la parte de la cabeza del raíl, y por tanto se degrada la resistencia al desgaste. Por lo tanto, cuando contiene Mo es preferible que el contenido de Mo se establezca para que esté en un intervalo de 0,01% a 0,50%.

Co: 0,01% a 1,00%

El Co es un elemento que se disuelve en sólido en ferrita de la estructura de perlita, refina la estructura laminar de la estructura de perlita directamente debajo de la superficie de laminado resultante del contacto con las ruedas, y aumenta la dureza (resistencia) de la estructura de perlita de modo que se mejora la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Co es menor que 0,01%, no se favorece el refinado de la estructura laminar y, por tanto, no pueden obtenerse los efectos de mejorar la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna. Mientras tanto, cuando el contenido de Co es mayor que 1,00%, los efectos descritos anteriormente se saturan y no puede refinarse la estructura laminar de acuerdo con el contenido. Además, disminuye el rendimiento económico debido a un aumento en el costo de adición de aleación. Por lo tanto, cuando contiene Co es preferible que el contenido de Co se establezca para que esté en un intervalo de 0,01% a 1,00%.

B: 0,0001% a 0,0050%

El B es un elemento que forma borocarburos de hierro (Fe23(CB)6) en los límites de grano de austenita y reduce la dependencia de la velocidad de enfriamiento de la temperatura de transformación perlítica favoreciendo la transformación perlítica. Además, el B es un elemento que da una distribución más uniforme de la dureza a un intervalo desde la superficie exterior de la parte de la cabeza al interior de la misma y aumenta la vida útil del raíl. Sin embargo, cuando el contenido de B es menor que 0,0001%, los efectos descritos anteriormente no son suficientes y no se reconoce la mejora de la distribución de la dureza en la parte de la cabeza del raíl. Mientras tanto, cuando el contenido de B es mayor que 0,0050%, se generan borocarburos gruesos de hierro, se genera la fractura frágil y se degrada la tenacidad del raíl. Por lo tanto, cuando contiene B es preferible que el contenido de B se establezca para que esté en un intervalo de 0,0001% a 0,0050%.

Cu: 0,01% a 1,00%

El Cu es un elemento que se disuelve en sólido en ferrita de la estructura de perlita y mejora la dureza (resistencia) resultante del fortalecimiento de la solución sólida. Como resultado, se mejora la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Cu es menor que 0,01%, no pueden obtenerse los efectos. Mientras tanto, cuando el contenido de Cu es mayor que 1,00%, se genera la estructura de martensita en la parte de la cabeza del raíl debido a una mejora significativa de la templabilidad y, por tanto, se degrada la resistencia al desgaste. Por lo tanto, cuando contiene Cu es preferible que el contenido de Cu se establezca para que esté en un intervalo de 0,01% a 1,00%.

Ni: 0,01% a 1,00%

El Ni es un elemento que mejora la tenacidad de la estructura de perlita y mejora la dureza (resistencia) resultante del fortalecimiento de la solución sólida. Como resultado, se mejora la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Además, el Ni es un elemento que se precipita finamente en la zona afectada por el calor soldado como un compuesto intermetálico de Ni3Ti en forma de un compuesto con Ti y suprime el ablandamiento debido al fortalecimiento de precipitación. Además, el Ni es un elemento que suprime la fragilidad de los límites de grano en el acero que contiene Cu. Sin embargo, cuando el contenido de Ni es menor que 0,01%, estos efectos son extremadamente pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de Ni es mayor que 1,00%, se genera la estructura de martensita en la parte de la cabeza del raíl y se degrada la resistencia al desgaste debido a una mejora significativa de la templabilidad. Por lo tanto, cuando contiene Ni es preferible que el contenido de Ni se establezca para que esté en un intervalo de 0,01% a 1,00%.

Nb: 0,0010% a 0,0500%

El Nb es un elemento que se precipita como un carburo de Nb y/o un nitruro de Nb durante un proceso de enfriamiento después del laminado en caliente, aumenta la dureza (resistencia) de la estructura de perlita mediante endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna . Además, el Nb es un elemento eficaz para evitar que se ablande la zona afectada por el calor de la unión soldada al generarse de forma estable como un carburo de Nb o un nitruro de Nb desde un intervalo de baja temperatura hasta un intervalo de alta temperatura, en la zona afectada por el calor recalentado a un intervalo de temperatura menor que o igual al punto Ac1. Sin embargo, cuando el contenido de Nb es menor que 0,0010%, estos efectos no pueden obtenerse suficientemente y no se reconoce la mejora de la dureza (resistencia) de la estructura de perlita. Mientras tanto, cuando el contenido de Nb es mayor que 0,0500%, el endurecimiento por precipitación resultante del carburo de Nb o el nitruro de Nb se vuelve excesivo, se fragiliza la estructura de perlita y luego se degrada la resistencia al daño por fatiga interna del raíl. Por lo tanto, cuando contiene Nb es preferible que el contenido de Nb se establezca para que esté en un intervalo de 0,0010% a 0,0500%.

Ti: 0,0030% a 0,0500%

El Ti es un elemento que se precipita como un carburo de Ti y/o un nitruro de Ti durante un proceso de enfriamiento después del laminado en caliente, aumenta la dureza (resistencia) de la estructura de perlita mediante endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna . Además, el Ti es un elemento eficaz para evitar que se fragilice la unión soldada refinando la estructura de la zona calentada afectada por el calor a la región de austenita porque el carburo de Ti o nitruro de Ti precipitado no se disuelve en el momento del recalentamiento durante la soldadura. Sin embargo, cuando el contenido de Ti es menor que 0,0030%, estos efectos son pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de Ti es mayor que 0,0500%, se generan un carburo de Ti y un nitruro de Ti que son gruesos, y aparecen grietas por fatiga y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna debido a la concentración de tensión. Por lo tanto, cuando contiene Ti es preferible que el contenido de Ti se establezca para que esté en un intervalo de 0,0030% a 0,0500%.

Mg: 0,0005% a 0,0200%

El Mg es un elemento que se une a S para formar un sulfuro. El MgS dispersa finamente el MnS de modo que se relaja la concentración de tensión y se mejora la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Mg es menor que 0,0005%, estos efectos son pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de Mg es mayor que 0,0200%, se genera un óxido grueso de Mg, aparecen grietas por fatiga y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna debido a la concentración de tensión. Por lo tanto, cuando contiene Mg es preferible que el contenido de Mg se establezca para que esté en un intervalo de 0,0005% a 0,0200%.

Ca: 0,0005% a 0,0200%

El Ca es un elemento que tiene una fuerte fuerza de unión a S y forma CaS (sulfuro). El CaS dispersa finamente el MnS de modo que se relaja la concentración de tensión y se mejora la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de Ca es menor que 0,0005%, estos efectos son pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de Ca es mayor que 0,0200%, se genera un óxido grueso de Ca, aparecen grietas por fatiga y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna debido a la concentración de tensión. Por lo tanto, cuando contiene Ca es preferible que el contenido de Ca se establezca para que esté en un intervalo de 0,0005% a 0,0200%.

REM: 0,0005% a 0,0500%

El REM es un elemento de desoxidación y desulfuración y genera oxisulfuro (REM²O²S) de REM que sirve como núcleo que genera inclusiones basadas en sulfuro de Mn cuando contiene REM. Además, dado que el punto de fusión del oxisulfuro (REM²O²S) es alto, se suprime el estiramiento de las inclusiones basadas en sulfuro de Mn después del laminado en caliente. Como resultado, cuando contiene REM, el MnS se dispersa finamente, se relaja la concentración de tensión y se mejora la resistencia al daño por fatiga interna. Sin embargo, cuando el contenido de REM es menor que 0,0005%, el REM se vuelve insuficiente como el núcleo que genera sulfuros basados en MnS y los efectos son pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de REM es mayor que 0,0500%, se genera oxisulfuro (REM²O²S) de REM duro, y aparecen grietas por fatiga y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna debido a la concentración de tensión. Por lo tanto, cuando contiene REM es preferible que el contenido de REM se establezca para que esté en un intervalo de 0,0005% a 0,0500%.

Además, el REM es un metal de tierras raras tal como Ce, La, Pr o Nd. El contenido descrito anteriormente se obtiene limitando la cantidad total de REM. Cuando la cantidad total de los contenidos está en el intervalo descrito anteriormente, se obtienen los mismos efectos incluso cuando la forma es de un solo elemento o una combinación de elementos (dos o más tipos).

Zr: 0,0001% a 0,0200%

El Zr se une a O y genera una inclusión de ZrO². Dado que esta inclusión de ZrO²tiene un excelente rendimiento de coincidencia de celosía con Y-Fe, la inclución de ZrO²se convierte en un núcleo solidificado de acero del raíl con alto contenido de carbono en el que Y-Fe es una fase primaria solidificada y suprime la formación de una zona de segregación en una parte central de una plancha fundida o floración aumentando la relación de cristal equiaxial de la estructura de solidificación. De esta manera, el Zr es un elemento que suprime la generación de la estructura de martensita generada en una parte de segregación del raíl. Sin embargo, cuando el contenido de Zr es menor que 0,0001%, el número de inclusiones basadas en ZrO²que se generan son pequeñas y las inclusiones no muestran suficientemente los efectos como núcleos solidificados. En este caso, es probable que la martensita se genere en la parte de segregación y, por consiguiente, no puede esperarse una mejora de la resistencia al daño por fatiga interna del raíl. Mientras tanto, cuando el contenido de Zr es mayor que 0,0200%, se generan una gran cantidad de inclusiones gruesas basadas en Zr, y aparecen grietas por fatiga y se degrada la resistencia al daño por fatiga interna debido a la concentración de tensión. Por lo tanto, cuando contiene Zr es preferible que el contenido de Zr se establezca para que esté en un intervalo de 0,0001% a 0,0200%.

Al: 0,0100% a 1,00%

El Al es un elemento que funciona como un desoxidante. Además, el Al es un elemento que mueve la temperatura de transformación eutectoide a un lado de alta temperatura, contribuye a aumentar la dureza (resistencia) de la estructura de perlita y, por tanto, mejora la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna de la estructura de perlita. Sin embargo, cuando el contenido de Al es menor que 0,0100%, los efectos de los mismos son pequeños. Mientras tanto, cuando el contenido de Al es mayor que 1,00%, se hace difícil para el Al disolverse en acero y, por tanto, se generan inclusiones gruesas basadas en alúmina. Dado que estas inclusiones gruesas basadas en Al son el origen de las grietas por fatiga, se degrada la resistencia al daño por fatiga interna. Además, se genera un óxido en el momento de la soldadura, de modo que se degrada significativamente la soldabilidad. Por lo tanto, cuando contiene Al es preferible que el contenido de Al se establezca para que esté en un intervalo de 0,0100% a 1,00%.

<Razón para limitar el valor de Mn/Cr>

En el raíl según la presente realización, es necesario que el valor de la relación (Expresión 1) del contenido de Mn (Mn) al contenido de Cr (Cr) se establezca en mayor que 1,00 y 4,00 o menos además del contenido de cada elemento. La razón para ello se describirá a continuación.

Los presentes inventores examinaron un método para evitar la generación de estructuras anormales tales como la estructura de martensita o la estructura de bainita generando de forma estable la estructura de perlita que tiene una alta dureza. Específicamente, los presentes inventores examinaron la influencia de los contenidos de Mn y Cr, que son elementos básicos de aleación en la generación de estructuras anormales.

Primero, se producen dos tipos de piezas de ensayo de acero, que son acero que tiene un contenido de Mn de 1,0% (acero Mn) y acero que tiene un contenido de Cr de 1,0% (acero Cr) basados en un acero (acero eutectoide) que tiene la composición de 0,80% C, 0,50% Si, Mn, Cr, 0,0150% P y 0,0120% S, se realiza un tratamiento térmico de transformación isotérmica en las piezas de ensayo, y se investiga la relación de la temperatura de transformación, la dureza y la estructura metalográfica. Las condiciones para el ensayo son las siguientes.

[Experimento de tratamiento térmico de transformación isotérmica]

• Condiciones para el tratamiento térmico de transformación isotérmica Temperatura y tiempo de calentamiento: 1000 °C x 5 min

Condiciones para el enfriamiento: enfriamiento desde la temperatura de calentamiento a la temperatura de transformación isotérmica a una velocidad de enfriamiento de 30 °C/s

Condiciones para la transformación isotérmica: temperatura de transformación isotérmica de 500 °C a 600 °C, tiempo de mantenimiento de 100 a 1000 s

Después de la transformación isotérmica: enfriamiento acelerado (enfriamiento a 50 °C a una velocidad de enfriamiento de 30 °C/s)

• Condiciones para evaluar la dureza y la estructura metalográfica

Observación de la estructura

Pre-procesamiento: 3% de tratamiento de grabado nital después del pulido de diamante realizado en la sección transversal

Observación de la estructura: utilizando el microscopio óptico

Medida de la dureza

Dispositivo: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Pre-procesamiento: pulido de diamante realizado en la sección transversal

La FIG. 1 muestra la relación de la temperatura de transformación isotérmica, la dureza y la estructura metalográfica. En el acero Mn (1,0% Mn), se confirmó que la transformación perlítica se estabiliza a un intervalo de baja temperatura comparado con el acero Cr (1,0% Cr) y la transformación perlítica aparece fácilmente. Es decir, se confirmó que la generación de bainita perjudicial para la resistencia al desgaste se suprime en el acero Mn (1,0% Mn) comparado con el acero Cr (1,0% Cr). Cuando el acero Cr se compara con el acero Mn, la dureza de la estructura de perlita del acero Cr tiende a ser más alta que la del acero Mn a la misma temperatura de transformación.

A partir de estos resultados, se entendió que el equilibrio entre el contenido de Mn y el contenido de Cr es importante para obtener una estructura de perlita que tenga una alta dureza, y es preferible diseñar elementos a los que se añada de forma complementaria Cr para garantizar la dureza mientras el contenido de Mn que estabiliza la generación de la estructura de perlita se ajusta para que sea mayor que el contenido de Cr.

A continuación, los presentes inventores examinaron el equilibrio óptimo entre el contenido de Mn y el contenido de Cr. El total del contenido de Mn y el contenido de Cr se establece en 1,4% y se produce una pieza de ensayo de acero en la que se cambia el contenido de Mn y el contenido de Cr basado en acero (acero eutectoide) que tiene la composición de 0,80% C, 0,50% Si, Mn, Cr, 0,0150% P y 0,0120% S. Además, se examinan el equilibrio entre Mn y Cr y la relación entre la dureza y la estructura metalográfica realizando un tratamiento térmico de enfriamiento continuo, en el que se produce el enfriamiento de la superficie de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) en los raíles reales. Las condiciones de ensayo son las siguientes.

[Experimento de tratamiento térmico de enfriamiento continuo]

• Composición química del acero

0,80% C, 0,50% Si, Mn: 0,05% a 1,40%, Cr: 0,05% a 1,40%, 0,0150% P y 0,0120% S (el resto es Fe e impurezas) • Condiciones para el tratamiento térmico de enfriamiento continuo

Temperatura y tiempo de calentamiento: 1000 °C x 5 min

Condiciones para el enfriamiento: enfriamiento desde la temperatura de calentamiento a 50 °C a una velocidad de enfriamiento de 3 °C/s (simulando condiciones de enfriamiento en la superficie de la parte de la cabeza)

• Condiciones para evaluar la dureza y la estructura metalográfica

Observación de la estructura

Observación de la estructura: observación utilizando el microscopio óptico.

Medida de dureza

Dispositivo: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Pre-procesamiento: pulido de diamante realizado en la sección transversal

La FIG. 2 muestra la relación entre el valor de Mn/Cr obtenido del contenido de Mn y el contenido de Cr y la estructura metalográfica. Como se muestra en la FIG. 2, cuando el valor de Mn/Cr es 1,00 o menos, el contenido de Cr se vuelve excesivo y se generan la bainita perjudicial para la resistencia al desgaste y la martensita perjudicial para la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial. Mientras tanto, cuando el valor de Mn/Cr es mayor que 4,00, el contenido de Mn se vuelve excesivo y se genera la martensita perjudicial para la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial.

A partir de estos resultados, se descubrió que el valor de Mn/Cr necesita que se controle a mayor que 1,00 y 4,00 o menos (es decir, se cumple la expresión de 1,00 < Mn/Cr < 4,00) para suprimir la generación de bainita perjudicial para la resistencia al desgaste y la martensita perjudicial para la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial y obtener de forma estable la estructura de perlita que tiene una alta dureza, en la superficie de la parte de la cabeza.

<Razón para limitar el valor de 0,25 x Mn Cr>

A continuación, en el raíl según la presente realización, se describirá la razón para limitar el valor total del contenido de Mn (Mn) y el contenido de Cr (Cr) a un intervalo de 0,30 a 1,00 (0,30 < 0,25 x Mn Cr < 1,00).

Como se describió anteriormente, el Mn y el Cr afectan a la facilidad de transformación perlítica y a la dureza de la estructura de perlita. Por esta razón, los presentes inventores investigaron la relación entre el contenido de Mn y el contenido de Cr y la dureza de la estructura de perlita en la premisa de que el valor de Mn/Cr se establece en mayor que 1,00 y 4,00 o menos. Específicamente, se produce una pieza de ensayo de acero en la que se cambia el contenido de Mn para estar en un intervalo de 0,20% a 1,20% y se cambia el contenido de Cr para estar en un intervalo de 0,20% a 0,80% basado en un acero (eutectoide acero) que contiene composiciones químicas de 0,80% C, 0,50% Si, Mn, Cr, 0,0150% P y 0,0120% S. Además, se investigó la relación entre el contenido de Mn y el contenido de Cr y la dureza del mismo realizando un tratamiento térmico de enfriamiento continuo, en el que se reproduce en estas piezas de ensayo el enfriamiento de la superficie de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen) y el enfriamiento del interior de la parte de la cabeza (posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen). Las condiciones de ensayo son las siguientes.

[Experimento de tratamiento térmico de enfriamiento continuo]

• Composición química

0,80% C, 0,50% Si, Mn: 0,20% a 1,20%, Cr: 0,20% a 0,80%, 0,0150% P y 0,0120% S (el resto está formado por Fe e impurezas)

• Condiciones para el tratamiento térmico de enfriamiento continuo

Temperatura y tiempo de calentamiento: 1000 °C x 5 min

Condiciones para el enfriamiento para reproducir el enfriamiento de la superficie de la parte de la cabeza: enfriamiento desde la temperatura de calentamiento a 50 °C a una velocidad de enfriamiento de 3 °C/s

Condiciones para el enfriamiento para reproducir el enfriamiento del interior de la parte de la cabeza: enfriamiento desde la temperatura de calentamiento hasta 50 °C a una velocidad de enfriamiento de 1 °C/s

• Condiciones para evaluar la dureza y la estructura metalográfica

Observación de la estructura

Observación de la estructura: observación con el microscopio óptico

Medida de dureza

Dispositivo: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Pre-procesamiento: pulido de diamante realizado en la sección transversal

Como resultado de analizar la relación entre la cantidad de aleaciones y la dureza de la estructura que incluye la perlita de acero en la que se realizó el experimento del tratamiento térmico de enfriamiento continuo, se confirmó que tanto la dureza de la estructura que incluye la perlita de la superficie de la parte de la cabeza como la dureza de la estructura que incluye la perlita del interior de la parte de la cabeza, se correlacionan con una expresión relacional formada del contenido de Mn y el contenido de Cr. La FIG. 3 muestra la relación entre la dureza y el valor de 0,25 x Mn Cr (Expresión 2) que incluye el contenido de Mn y el contenido de Cr.

Como se muestra en la FIG. 3, cuando se controla el valor de (0,25 x Mn Cr) a 1,00 o menos, la dureza de la estructura que incluye la perlita en la superficie de la parte de la cabeza, puede establecerse en Hv 480 o menos, que es el valor en el que puede garantizarse la resistencia al daño superficial. Mientras tanto, cuando se controla el valor de (0,25 x Mn Cr) a 0,30 o mayor, la dureza de la estructura que incluye la perlita en el interior de la parte de la cabeza, puede establecerse en Hv 350 o mayor, que es el valor requerido para asegurar la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, la dureza que cumple la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna puede garantizarse como la dureza de la estructura que incluye la perlita en la parte de la cabeza del raíl según la presente realización controlando la composición química tal que el valor de (0,25 x Mn Cr) esté en un intervalo de 0,30 a 1,00 (es decir, se cumple una expresión de 0,30 < 0,25 x Mn Cr < 1,00").

Como se muestra en la FIG. 3, cuando el valor de 0,25 x Mn Cr es menor que 0,30, la dureza requerida (Hv 350 o mayor) de la estructura de perlita que garantiza la resistencia al daño por fatiga interna en el interior de la parte de la cabeza es difícil de garantizar. Además, cuando el valor de 0,25 x Mn Cr es mayor que 1,00, la dureza de la estructura de perlita en la superficie de la parte de la cabeza se vuelve excesiva (mayor que Hv 480), se fragiliza la estructura de perlita, aparecen grietas finas en la superficie exterior de la parte de la cabeza que entra en contacto con las ruedas, y por tanto la resistencia al daño superficial se vuelve difícil de garantizar.

En el raíl según la presente realización, la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna del raíl en caso de que se utilice en ferrocarriles de carga pueden mejorarse y la vida útil puede mejorarse enormemente controlando la composición de la aleación del acero del raíl, estructuras, la dureza de la superficie de la parte de la cabeza o el interior de la parte de la cabeza, el número de carbonitruros de V y una diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza y controlando además la composición del carbonitruro de V.

A continuación, se describirá un método de producción preferible del raíl según la presente realización.

Cuando el raíl, según la presente realización, incluye las composiciones químicas, estructuras y similares descritas anteriormente, los efectos de los mismos pueden obtenerse independientemente del método de producción. Sin embargo, dado que el raíl según la presente realización se obtiene de forma estable, es preferible que se utilice el método de producción que incluye el siguiente proceso.

El raíl, según la presente realización, puede producirse realizando la fundición del acero en un horno de fusión tal como un convertidor o un horno eléctrico que se utiliza normalmente, realizando la fundición según un método de fabricación de lingotes y floración o un método de fundición continua en el acero fundido que tiene composiciones químicas ajustadas para tener los intervalos descritos anteriormente para obtener una plancha o floración, realizando el laminado en caliente sobre la plancha o floración para que se forme en forma de raíl, y realizando un tratamiento térmico después del laminado en caliente.

En esta serie de procesos, es necesario controlar las condiciones para el laminado en caliente y las condiciones para el tratamiento térmico después del laminado en caliente según la dureza requerida de la parte de la cabeza del raíl para controlar la dureza de la parte de la cabeza del raíl. Al igual que las condiciones para el laminado en caliente y las condiciones para el tratamiento térmico después del laminado en caliente, es preferible que el laminado en caliente y el tratamiento térmico se realicen bajo las siguientes condiciones para mantener la estructura de perlita y controlar la estructura de la parte de la cabeza del raíl y la dureza de la superficie de la parte de la cabeza o el interior de la parte de la cabeza. Además, la temperatura de la superficie de la parte de la cabeza y la temperatura de la superficie exterior de la parte de la cabeza son sustancialmente las mismas entre ellas.

• Condiciones para el laminado en caliente

Temperatura final del laminado en caliente de la superficie exterior de la parte de la cabeza: 900 °C a 1000 °C

Reducción final (relación de reducción de área): 2% a 20%

• Condiciones para el tratamiento térmico después del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza): realizar enfriamiento por aire natural durante 60 a 180 s después del laminado en caliente y luego realizar enfriamiento acelerado y enfriamiento controlado

Enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza)

Velocidad de enfriamiento: 2 °C/s a 8 °C/s

Temperatura de inicio: 750 °C o superior, temperatura de detención: 580 °C a 640 °C

Enfriamiento controlado (superficie exterior de la parte de la cabeza)

Temperatura de mantenimiento de la superficie exterior de la parte de la cabeza al intervalo de 580 °C a 640 °C durante 100 a 200 s después de detener el enfriamiento acelerado y después de realizar el enfriamiento por aire

Mantenimiento de la temperatura durante el enfriamiento controlado: la temperatura se controla, al intervalo predeterminado, realizando y deteniendo repetidamente el enfriamiento acelerado según la recuperación desde el interior del raíl

En un caso de evitar las grietas finas que aparecen en la periferia de los carbonitruros controlando la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V, es preferible que las condiciones para el enfriamiento acelerado y las condiciones para el enfriamiento controlado se cambien a las siguientes condiciones.

• Condiciones para el tratamiento térmico (superficie exterior de la parte de la cabeza): realizar enfriamiento por aire natural durante 60 a 180 s después del laminado y luego realizar enfriamiento acelerado y enfriamiento controlado

Enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Velocidad de enfriamiento: 2 °C/s a 8 °C/s

Temperatura de inicio: 750 °C o superior, temperatura de detención: 610 °C a 640 °C

Enfriamiento controlado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Temperatura de mantenimiento de la superficie exterior de la parte de la cabeza al intervalo de 610 °C a 640 °C durante 100 a 200 s después de detener el enfriamiento acelerado y después de realizar el enfriamiento por aire

Mantenimiento de la temperatura durante el enfriamiento controlado: la temperatura se controla al intervalo predeterminado realizando y deteniendo repetidamente el enfriamiento acelerado según la recuperación desde el interior del raíl

Primero, se describirá la razón por la cual es preferible que la temperatura final del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza) se establezca para que esté en un intervalo de 900 °C a 1000 °C.

Cuando la temperatura final del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza) es menor que 900 °C, se vuelve significativo el refinado de los granos de austenita después del laminado en caliente. En este caso, la templabilidad se degrada enormemente y es poco probable que se garantice la dureza de la parte de la cabeza del raíl en algunos casos. Además, cuando la temperatura final del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza) es más alta que 1000 °C, los granos de austenita después del laminado en caliente se vuelven gruesos, la templabilidad aumenta excesivamente y se genera fácilmente la bainita perjudicial para la resistencia al desgaste en la parte de la cabeza del raíl. Por lo tanto, es preferible que la temperatura final del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza) se establezca para que esté en un intervalo de 900 °C a 1000 °C.

A continuación, se describirá la razón por la cual es preferible que la reducción final (reducción del área) se establezca para que esté en un intervalo de 2% a 20%.

Cuando la reducción final (reducción del área) es menor que 2%, los granos de austenita después del laminado en caliente se vuelven gruesos, la templabilidad aumenta excesivamente, se genera fácilmente la bainita perjudicial para la resistencia al desgaste en la parte de la cabeza del raíl, el tamaño de grano de la estructura de perlita se vuelve grueso, y la ductilidad o la tenacidad requerida para el raíl no pueden garantizarse en algunos casos. Mientras tanto, cuando la reducción final (reducción del área) es mayor que 20%, el refinado de los granos de austenita después del laminado en caliente se vuelve significativo, se degrada enormemente la templabilidad y es poco probable que se garantice la dureza de la parte de la cabeza del raíl. Por lo tanto, es preferible que la reducción final (reducción del área) se establezca para que esté en un intervalo de 2% a 20%.

Las condiciones para el laminado en caliente de la parte de la cabeza del raíl no están particularmente limitadas. Es suficiente controlar la temperatura final del laminado en caliente a través del calibre o el laminado universal de un raíl típico para garantizar la dureza de la parte de la cabeza del raíl. Como un método de laminado en caliente, por ejemplo, puede utilizarse un método descrito en la Solicitud de patente sin examinar japonesa, primera publicación N° 2002 226915 tal que se obtenga principalmente la estructura de perlita. Es decir, se realiza el laminado en caliente rugoso en una plancha o floración, se realiza el laminado en caliente intermedio sobre una multitud de pasos utilizando un molino inverso, y luego se realiza el laminado de acabado en dos pasos o más utilizando un molino continuo. Las temperaturas pueden controlarse para que estén en el intervalo de temperatura descrito anteriormente en el momento del laminado en caliente final del laminado en caliente de acabado.

A continuación, la razón por la cual es preferible que la velocidad de enfriamiento del enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza) se establezca para que esté en un intervalo de 2 °C/s a 8 °C/s.

Cuando la velocidad de enfriamiento es menor que 2 °C/s, se inicia la transformación perlítica en una región de alta temperatura en el camino del enfriamiento acelerado. Como resultado, en la composición química del raíl según la presente realización, se genera una parte que tiene una dureza de menor que Hv 350 en la parte de la superficie de la cabeza de la parte de la cabeza del raíl, y es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna requerida para el raíl en algunos casos. Mientras tanto, cuando la velocidad de enfriamiento es mayor que 8 °C/s, en la composición química del raíl según la presente realización, se genera la estructura de bainita o la estructura de martensita en la parte de la superficie de la cabeza y, por tanto, puede degradarse la resistencia al desgaste o la tenacidad del raíl. Por lo tanto, es preferible que la velocidad de enfriamiento se establezca para que esté en un intervalo de 2 ° C/s a 8 °C/s.

A continuación, se describirá la razón por la cual es preferible que la temperatura de inicio del enfriamiento acelerado se establezca a 750 °C o superior y la temperatura de detención del mismo se establezca para que esté en un intervalo de 580 °C a 640 °C.

Cuando la temperatura de inicio del enfriamiento acelerado de la superficie exterior de la parte de la cabeza es menor que 750 °C, se genera a veces la estructura de perlita en una región de alta temperatura antes del enfriamiento acelerado. En este caso, no se obtiene una dureza predeterminada y es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial requerida para el raíl. Además, en el acero que tiene una cantidad relativamente grande de carbono, existen preocupaciones de que se genere la cementita proeutectoide, se fragilice la estructura de perlita y se degrade la resistencia del raíl. Por lo tanto, es preferible que la temperatura de la superficie exterior de la parte de la cabeza del raíl al momento de comenzar el enfriamiento acelerado se establezca a 750 °C o superior.

Además, cuando la temperatura de detención del enfriamiento acelerado es más alta que 640 °C, se inicia la transformación perlítica en una región de alta temperatura inmediatamente después del enfriamiento y se genera una gran cantidad de la estructura de perlita que tiene una baja dureza. Como resultado, no puede garantizarse la dureza de la parte de la cabeza y es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial requerida para el raíl en algunos casos. Además, cuando la temperatura de detención del enfriamiento acelerado se establece a menor que 580 °C, existe un caso de que se genere inmediatamente después del enfriamiento una gran cantidad de la estructura de bainita perjudicial para la resistencia al desgaste. En este caso, es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste requerida para el raíl. Por lo tanto, es preferible que la temperatura de detención del enfriamiento acelerado se establezca para que esté en un intervalo de 580 °C a 640 °C.

A continuación, se describirá la razón para limitar las condiciones preferibles para el enfriamiento controlado. Este proceso afecta enormemente al número de carbonitruros de V y la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza.

Primero, se describirá la razón por la cual es preferible que la temperatura de mantenimiento después del enfriamiento acelerado se establezca para que esté en un intervalo de 580 °C a 640 °C.

Cuando la temperatura de mantenimiento es más alta que 640 °C, en la composición química del raíl según la presente realización, la transformación perlítica se inicia en una región de alta temperatura inmediatamente después del enfriamiento y se genera una gran cantidad de la estructura de perlita que tiene una baja dureza. Como resultado, no puede garantizarse la dureza de la parte de la cabeza, y es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste o la resistencia al daño superficial requerida para el raíl. Además, existe una preocupación de que el carbonitruro de V generado en el interior de la parte de la cabeza se vuelva grueso y la cantidad de fortalecimiento de precipitación disminuya de modo que la dureza no pueda mejorarse. Mientras tanto, la temperatura de mantenimiento se establece a menor que 580 °C, se genera una gran cantidad de la estructura de bainita perjudicial para la resistencia al desgaste inmediatamente después del enfriamiento. Como resultado, existe una preocupación de que es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste requerida para el raíl. Además, se suprime la generación de carbonitruro de V, de modo que en algunos casos no puede garantizarse el número de carbonitruros finos de V. En este caso, la dureza del interior de la parte de la cabeza no mejora y es poco probable que mejore la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, es preferible que la temperatura de mantenimiento después del enfriamiento acelerado se establezca para que esté en un intervalo de 580 °C a 640 °C.

A continuación, se describirá la razón por la cual el tiempo de mantenimiento de la temperatura se establece para que esté preferiblemente en un intervalo de 100 a 200 s.

Cuando el tiempo de mantenimiento es más largo que 200 s, el templado de la estructura de perlita progresa durante el mantenimiento y se suaviza la estructura de perlita. Como resultado, no puede garantizarse la dureza del interior de la parte de la cabeza y es poco probable que se garantice la resistencia al desgaste o la resistencia al daño por fatiga interna requerida para el raíl. Además, se vuelve insuficiente la generación de carbonitruro de V y no puede esperarse una mejora de la dureza del interior de la parte de la cabeza. Mientras tanto, cuando el tiempo de mantenimiento se establece en más corto que 100 s, no es suficiente la generación de carbonitruro de V y no puede garantizarse el número de carbonitruros finos de V. Como resultado, no puede mejorarse la dureza del interior de la parte de la cabeza y, por lo tanto, es poco probable que se mejore la resistencia al daño por fatiga interna. Por lo tanto, es preferible que el tiempo de mantenimiento de la temperatura después del enfriamiento acelerado se establezca para que esté en un intervalo de 100 a 200 s.

El método de mantener la temperatura durante el enfriamiento controlado no está particularmente limitado. Es preferible realizar el enfriamiento que controle la recuperación generada desde el interior de la parte de la cabeza del raíl realizando y deteniendo repetidamente el enfriamiento de la superficie exterior de la parte de la cabeza del raíl utilizando enfriamiento por inyección de aire, enfriamiento por neblina, enfriamiento por inyección mixta de agua y aire, o un refrigerante obtenido combinando estos. Específicamente, es preferible que el enfriamiento acelerado se detenga en un lado de baja temperatura en una región de temperatura donde se mantiene la temperatura, el enfriamiento se inicia después de cara a la recuperación generada desde el interior de la parte de la cabeza del raíl, y el enfriamiento se detiene antes de que la temperatura alcance el límite inferior de un intervalo de temperatura predeterminado. Además, es preferible que este control de temperatura se realice repetidamente para controlar el tiempo de mantenimiento. En un caso donde la cantidad de recuperación es pequeña, también es efectivo realizar el calentamiento utilizando una bobina IH o similar.

En el caso de controlar la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V con el propósito de controlar el número de carbonitruros de V y controlar la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza, la temperatura de detención de enfriamiento y la temperatura de mantenimiento a partir de entonces pueden establecerse para que esté en un intervalo de 610 °C a 640 °C durante el enfriamiento controlado descrito anteriormente.

Cuando el enfriamiento acelerado se realiza a menor que 610 °C, se aumenta la cantidad de carburos en el carbonitruro de V, es poco probable que se controle la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V, y es poco probable que se eviten las grietas finas que aparecen en la periferia del carbonitruro de V. Por lo tanto, en el caso de controlar la relación (CA/NA), es preferible que la temperatura durante el mantenimiento de la temperatura después del enfriamiento acelerado se establezca para que esté en un intervalo de 610 °C a 640 °C.

El refrigerante para el tratamiento térmico de la parte de la cabeza del raíl no está particularmente limitado. Para controlar la dureza para dar la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna, es preferible controlar la velocidad de enfriamiento de la parte de la cabeza del raíl en el momento del tratamiento térmico utilizando enfriamiento por inyección de aire, enfriamiento por neblina, enfriamiento por inyección mixta de agua y aire, o una combinación de estos.

[Ejemplos]

A continuación, se describirán los ejemplos de la presente invención.

Las tablas 1 a 6 muestran las composiciones químicas y las características de los raíles de la presente invención. Las tablas 1 a 6 muestran los valores de las composiciones químicas, los valores de Mn/Cr que se calculan a partir de los valores de las composiciones químicas (% en masa) y los valores de 0,25 x Mn Cr. En la microestructura de la parte de la cabeza en las Tablas 3 y 4, la "perlita" indica que la relación de área de la estructura de perlita es del 95% o mayor y pueden mezclarse una pequeña cantidad de una ferrita proeutectoide, una cementita proeutectoide, una estructura de bainita, o una estructura de martensita en una relación de área de 5% o menos.

Las tablas 7 a 9 muestran las composiciones químicas y las características de los raíles para la comparación. Las tablas 7 a 9 muestran los valores de las composiciones químicas, los valores de Mn/Cr que se calculan a partir de los valores de las composiciones químicas (% en masa) y valores de 0,25 x Mn Cr. En la microestructura de la parte de la cabeza en la Tabla 8, la "perlita" indica que la relación de área de la estructura de perlita es 95% o mayor y pueden mezclarse una pequeña cantidad de una ferrita proeutectoide, una cementita proeutectoide, una estructura de bainita, o una estructura de martensita en una relación de área de 5% o menos. Mientras tanto, cuando se describe una estructura distinta de la estructura de perlita, esto significa que la estructura se incluye en una relación de área mayor que 5%.

El esquema del proceso de producción y las condiciones de producción de los ejemplos y los ejemplos comparativos de la presente invención, enumerados en las Tablas 1 a 6 y Tablas 7 a 9, son los siguientes.

• Esquema del proceso completo

El proceso completo se realiza en el siguiente orden:

(1) acero fundido;

(2) ajuste de la composición química;

(3) fundición (floración o plancha);

(4) re-calentamiento (1250 °C a 1300 °C);

(5) laminado en caliente; y

(6) tratamiento térmico (enfriamiento acelerado o enfriamiento controlado).

Además, el esquema de las condiciones de producción de los ejemplos y los ejemplos comparativos de la presente invención es el siguiente.

• Condiciones para el laminado en caliente

Temperatura final del laminado en caliente (superficie exterior de la parte de la cabeza): 900 °C a 1000 °C Reducción final (reducción de área): 2% a 20%

• Condiciones para el tratamiento térmico (superficie exterior de la parte de la cabeza): realizar enfriamiento por aire natural después del laminado en caliente y luego realizar enfriamiento acelerado y enfriamiento controlado.

Enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Velocidad de enfriamiento: 2 °C/s a 8 °C/s

Temperatura de inicio del enfriamiento acelerado: 750 °C o superior

Temperatura de detención del enfriamiento acelerado: 580 °C a 640 °C

Enfriamiento controlado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Temperatura de mantenimiento en el intervalo de temperatura de 580 °C a 640 °C durante 100 a 200 s después de detener el enfriamiento acelerado y después de realizar el enfriamiento por aire

En este caso, con respecto a A20, A22, A24, A26 y similares de las Tablas 1 a 6, las condiciones para el enfriamiento acelerado y el enfriamiento controlado después del laminado en caliente se establecieron de la siguiente manera para controlar la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V y evitar las grietas finas que aparecen en la periferia de los carbonitruros.

Enfriamiento acelerado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Velocidad de enfriamiento: 2 °C/s a 8 °C/s

Temperatura de inicio del enfriamiento acelerado: 750 °C o superior

Temperatura de detención del enfriamiento acelerado: 610 °C a 640 °C

Enfriamiento controlado (superficie exterior de la parte de la cabeza):

Temperatura de mantenimiento en un intervalo de temperatura de 610 °C a 640 °C durante 100 a 200 s después detener el enfriamiento acelerado y después de realizar el enfriamiento por aire

De la manera descrita anteriormente, se produjeron los aceros nos A1 a A44 (raíles de los ejemplos de la presente invención) y los aceros nos B1 a B23, B62 y B72 (raíles de los ejemplos comparativos) enumerados en las Tablas 1 a 9.

Los raíles A1 a A44 de la presente invención son raíles en los que los valores de las composiciones químicas, los valores de Mn/Cr y los valores de 0,25 x Mn Cr formados por los valores de las composiciones químicas (% en masa), la microestructura de la parte de la cabeza, y la dureza de la parte de la cabeza están en los intervalos de la presente solicitud de la invención. Mientras tanto, los raíles B1 a B15, B62 y B72 (líneas 17) de los ejemplos comparativos son raíles en los que los contenidos de C, Si, Mn, Cr, P, S, V y N y el número de carbonitruros de V que tienen un promedio de tamaño de grano de 5 a 20 nm en el interior de la parte de la cabeza están fuera de los intervalos de la presente solicitud de la invención. Además, los raíles B16 a B23 de los ejemplos comparativos son raíles en los que los valores de Mn/Cr o los valores de 0,25 x Mn Cr están fuera de los intervalos de la presente solicitud de la invención.

Además, los raíles (C1 a C24) enumerados en las Tablas 10 y 11 se produjeron cambiando varias condiciones para el laminado en caliente y las condiciones para el tratamiento térmico (condiciones para el enfriamiento acelerado y condiciones para el enfriamiento controlado) utilizando una floración o plancha que tiene las mismas composiciones químicas como las del raíl de la presente invención.

Según el siguiente método, se realizaron la observación de la microestructura de la parte de la cabeza, la medida del número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano de 5 a 20 nm, la dureza de la parte de la cabeza, la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza, y CA/NA, un ensayo de desgaste y un ensayo de fatiga de contacto por rodadura en estos raíles A1 a A44, B1 a B23 y C1 a C24. Los resultados se enumeran en las tablas 1 a 11.

[Observación de la microestructura de la parte de la cabeza]

Se observó la estructura metalográfica en el campo visual de un microscopio óptico de 200 aumentos en 10 o más posiciones a una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen y 10 o más posiciones a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen, se determinó la relación de área de cada estructura metalográfica, y luego se utilizó el valor promedio de la relación de área como la relación de área de la parte observada.

[Número de carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano de 5 a 20 nm]

Se mecanizaron las muestras desde una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza de la sección transversal tranversa como el origen, se realizó el procesamiento de película delgada o la recogida de réplicas, y luego se realizó la observación utilizando un microscopio electrónico de transmisión a un aumento de 50000 a 500000 veces. Además, se analizó cada uno de los precipitados observados, solo se seleccionaron los carbonitruros de V (precipitados que al menos contenían V y carbono, V y nitrógeno, o V y carbono y nitrógeno), se obtuvo el área de los mismos y se calculó el tamaño medio de grano utilizando un diámetro de un círculo que corresponde al área. Además, se obtuvo el valor promedio realizando la observación de 20 campos visuales, contando el número de carbonitruros de V que tenían un diámetro predeterminado y convirtiendo el número de carbonitruros de V al número por unidad de área.

[Medida de CA/NA]

Se procesó una muestra de aguja (10 gm x 10 gm x 100 gm) según el método de haz de iones enfocado (FIB, por sus siglas en inglés) desde una posición a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza como el origen, y se contaron el número de átomos de carbono y el número de átomos de nitrógeno contenidos en el carbonitruro de V según un método de sonda atómica tridimensional (3DAP, por sus siglas en inglés). A partir de los resultados, se calculó la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA). Se midieron CA/NA en 5 o más puntos y se utilizó el valor promedio como el valor representativo. En este momento, se estableció el voltaje a CC y pulso (frecuencia de pulso del 20% o mayor) y se estableció la temperatura de la muestra a -233,1 °C (40 K) o inferior.

[Medida de la dureza de la parte de la cabeza y diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza]

Se mecanizó una muestra de la sección transversal tranversa de la parte de la cabeza del raíl, se pulió la sección transversal tranversa con granos abrasivos de diamante que tenían un tamaño de grano promedio de 1 gm, y se realizó la medida en 20 sitios arbitrarios a una profundidad de 2 mm desde el superficie exterior de la parte de la cabeza y 20 sitios arbitrarios a una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza con una carga de 98 N utilizando un probador de dureza Vickers de conformidad con JIS Z 2244. Además, el valor promedio de la dureza de los 20 sitios en cada posición de profundidad se estableció a la dureza de la posición.

[Ensayo de desgaste]

Probador: máquina de ensayo de desgaste tipo Nishihara (véase FIG. 8)

Forma del espécimen (material del raíl 4): pieza de ensayo en forma de disco (diámetro exterior: 30 mm, espesor: 8 mm)

Posición para mecanizar el espécimen de ensayo: posición a una profundidad de 2 mm debajo de la superficie exterior de la parte de la cabeza (superficie de la parte de la cabeza (véase FIG. 7))

Carga de ensayo: 686 N (presión de contacto de 640 MPa)

Relación de deslizamiento: 20%

Espécimen opuesto (material de la rueda 5): acero perlítico (Hv 380)

Atmósfera: en aire

Enfriamiento: enfriamiento forzado utilizando inyección de aire comprimido desde la boquilla de aire 6 para el enfriamiento (caudal: 100 Nl/min)

Número de repeticiones: 700000

Criterios de aceptación o rechazo: Como resultado de realizar el ensayo de desgaste y la evaluación de la resistencia al desgaste en las vías reales, se confirmó que la resistencia al desgaste en las vías reales era mala cuando la cantidad de desgaste era mayor que 1,30 g. En consecuencia, se determinó que los raíles que tenían una cantidad de desgaste mayor que 1,30 g tenían mala resistencia al desgaste.

[Ensayo de fatiga de contacto por rodadura]

Probador: probador de fatiga de contacto por rodadura (véase FIG. 9)

Forma de la pieza de ensayo

Raíl 8: raíl de 63,96 kg (141 lbs) x 2 m

Rueda 9: tipo AAR (diámetro de 920 mm)

Carga

Radial: 50 a 300 kN

Empuje: 20 kN

Lubricación: aceite (suministrado de forma intermitente)

Número de repeticiones: 2000000 como máximo

Criterios de aceptación o rechazo: se determinó como la vida útil del raíl el número de repeticiones en el momento de la aparición de grietas en la superficie exterior de la parte de la cabeza del raíl y las grietas en el interior de la parte de la cabeza. En un caso donde no se descubrió respectivamente la aparición de grietas en la superficie exterior de la parte de la cabeza del raíl y en el interior de la parte de la cabeza después de 2000000 repeticiones, se determinó que la resistencia al daño era excelente. La presencia o ausencia de grietas en el interior de la parte de la cabeza se confirmó detectando defectos utilizando ensayos ultrasónicos (UST, por sus siglas en inglés) durante el ensayo. En este caso, dado que las grietas finas que tienen una longitud de grieta de hasta 2 mm no deterioran enormemente la resistencia al daño, se aceptó la presencia de grietas finas.

[Método para medir la dureza de la sección transversal de la parte de la cabeza del raíl]

Dispositivo de medida: probador de dureza Vickers (carga de 98 N)

Colección de piezas de ensayo para la medida: muestra mecanizada de la sección transversal tranversa de la parte de la cabeza del raíl

Pre-procesamiento: muestra pulida con granos abrasivos de diamante que tienen un tamaño de grano promedio de 1 gm

Método de medida: llevado a cabo de conformidad con JIS Z 2244

Cálculo de la dureza:

Profundidad de 2 mm debajo de la superficie exterior de la parte de la cabeza: La medida se realizó en 20 sitios arbitrarios (a una profundidad de 2 mm debajo de la superficie) de la superficie de la parte de la cabeza de la sección transversal tranversa del raíl mostrado en la FIG. 6 y se estableció el valor promedio del mismo a la dureza de la superficie de la parte.

Profundidad de 25 mm debajo de la superficie exterior de la parte de la cabeza: La medida se realizó en 20 sitios arbitrarios (a una profundidad de 25 mm debajo de la superficie) en el interior de la parte de la cabeza de la sección transversal tranversa del raíl mostrado en la FIG. 6 y se estableció el valor promedio del mismo a la dureza de la superficie de la parte.

Como se muestra en las Tablas 1 a 9, en los raíles de los ejemplos de la presente invención (A1 a A44) comparado con los raíles de los ejemplos comparativos (B1 a B15, B62 y B72), los contenidos de C, Si, Mn , Cr, P, S, V y N del acero estaban en los intervalos limitados, se suprimió la generación de la ferrita proeutectoide, la cementita proeutectoide, la estructura de bainita y la estructura de martensita, y se formó la parte de la cabeza de la estructura de perlita. Además, en los raíles de la presente invención, se estableció la dureza del interior de la parte de la cabeza para que fuera menor que la dureza de la superficie de la parte de la cabeza controlando el número de carbonitruros de V y se mejoró la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna controlando la diferencia en la dureza entre la superficie de la parte de la cabeza y el interior de la parte de la cabeza y suprimiendo la fragilidad de la estructura de perlita y la generación de burbujas.

Además, como se muestra en las Tablas 1 a 9, en los aceros de los raíles (A1 a A44) de los ejemplos de la presente invención comparados con los aceros de los raíles (B16 a B23) de los ejemplos comparativos, se suprimió la generación de la bainita o la martensita controlando los contenidos de C, Si, Mn, P y S, los valores de Mn/Cr y los valores de 0,25 x Mn Cr y se suprimió la fragilidad de la estructura de perlita y se mejoraron la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna controlando la dureza de la estructura de perlita.

Además, como se muestra en las Tablas 1 a 6, en los ejemplos en los que la relación (CA/NA) del número de átomos de carbono (CA) al número de átomos de nitrógeno (NA) del carbonitruro de V se limitó a 0,70 o menos entre los raíles de los ejemplos de la presente invención, se mejoraron además la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna suprimiendo un aumento en la dureza del carbonitruro de V y suprimiendo y evitando la aparición de posibles grietas.

Además, como se muestra en las Tablas 10 y 11, se suprimió la generación de la estructura de bainita, de modo que se obtuvo la estructura de perlita realizando un laminado en caliente y el tratamiento térmico de la parte de la cabeza bajo ciertas condiciones. Además, dado que se pudo favorecer la generación del carbonitruro de V, se obtuvieron railes que tenían resistencia al desgaste y resistencia al daño por fatiga interna excelentes.

37

[Aplicabilidad industrial]

Según el raíl de la presente invención, es posible mejorar la resistencia al desgaste y la resistencia al daño por fatiga interna. Además, en un caso donde dicho raíl se utilizó en ferrocarriles de carga, la vida útil del raíl pudo mejorarse enormemente.

[Breve descripción de los símbolos de referencia]

1: PARTE SUPERIOR DE LA CABEZA

2: PARTE DE ESQUINA DE LA CABEZA

3: PARTE DE LA CABEZA DEL RAÍL

3a: PARTE DE LA SUPERFICIE DE LA CABEZA (INTERVALO A PROFUNDIDAD DE 25 mm DESDE LA SUPERFICIE DE LA PARTE DE ESQUINA DE LA CABEZA Y LA PARTE SUPERIOR DE LA CABEZA COMO ORIGEN, PARTE SOMBREADA)

4: MATERIAL DEL RAÍL

5: MATERIAL DE LA RUEDA

6: BOQUILLA DE AIRE PARA ENFRIAMIENTO

7: DESLIZADOR PARA MOVER EL RAÍL

8: RAÍL

9: RUEDA

10: MOTOR

11: DISPOSITIVO DE CONTROL DE CARGA

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un raíl que comprende, en términos de % en masa:

C: 0,75% a 0,85%;

Si: 0,10% a 1,00%;

Mn: 0,30% a 1,20%;

Cr: 0,20% a 0,80%;

V: 0,01% a 0,20%;

N: 0,0040% a 0,0200%;

Mo: 0% a 0,50%;

Co: 0% a 1,00%;

B: 0% a 0,0050%;

Cu: 0% a 1,00%;

Ni: 0% a 1,00%;

Nb: 0% a 0,0500%;

Ti: 0% a 0,0500%;

Mg: 0% a 0,0200%;

Ca: 0% a 0,0200%;

REM: 0% a 0,0500%;

Zr: 0% a 0,0200%;

Al: 0% a 1,00%;

P < 0,0250%;

S < 0,0250%; y

Fe e impurezas como un resto,

en donde se cumplen las siguientes expresiones 1 y 2,

una estructura de un intervalo entre una superficie exterior de una parte de la cabeza como un origen y una profundidad de 25 mm incluye 95% o mayor de una estructura de perlita y una dureza de la estructura es Hv 350 a 480, en donde una medida de la dureza se lleva a cabo de conformidad con JIS Z 2244,

están presentes 50 a 500 carbonitruros de V que tienen un tamaño de grano promedio de 5 a 20 nm por 1,0 pm2 de un área a inspeccionar en una sección transversal tranversa en una posición que tiene una profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza, y

el valor obtenido restando una dureza de la posición que tiene la profundidad de 25 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza de una dureza de una posición que tiene una profundidad de 2 mm desde la superficie exterior de la parte de la cabeza es Hv 0 a Hv 40,

1,00 < Mn/Cr < 4,00 ■ ■ ■ Expresión 1,

0,30 < 0,25 x Mn Cr < 1,00 ■■■ Expresión 2,

aquí, los símbolos de los elementos descritos en las Expresiones 1 y 2 indican el contenido de cada elemento en términos de % en masa.

2. El raíl según la reivindicación 1,

en donde cuando un número de átomos de carbono se define como CA y un número de átomos de nitrógeno se define como NA en el carbonitruro de V, una relación CA/NA que es una relación de CA a NA es 0,70 o menos.

3. El raíl según la reivindicación 1 o 2, que comprende, en términos de % en masa, al menos uno seleccionado del grupo que consiste en:

Mo: 0,01% a 0,50%;

Co: 0,01% a 1,00%;

B: 0,0001% a 0,0050%;

Cu: 0,01% a 1,00%;

Ni: 0,01% a 1,00%;

Nb: 0,0010% a 0,0500%;

Ti: 0,0030% a 0,0500%;

Mg: 0,0005% a 0,0200%;

Ca: 0,0005% a 0,0200%;

REM: 0,0005% a 0,0500%;

Zr: 0,0001% a 0,0200%; y

Al: 0,0100% a 1,00%.