Перлитные рельсы

Перлитные рельсы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к перлитным рельсам, у которых улучшена стойкость к усталостному повреждению головной части и подошвенной части рельсов. В частности, настоящее изобретение относится к перлитным рельсам, которые используются на кривых с малым радиусом кривизны на отечественных и зарубежных грузовых железных дорогах.

Приоритет заявлен на основании японской патентной заявки № 2009-189508, поданной 18 августа 2009 г, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Предпосылки к созданию изобретения

Что касается зарубежных грузовых железных дорог, то для достижения высокой эффективности железнодорожных перевозок повышена грузоподъемность грузовых составов. В частности, у рельсов, применяемых на участке, по которому проходит большое количество поездов, или с поворотами с малым радиусом кривизны происходит сильный износ головной верхней части или головной угловой части рельса (периферии угла головки рельса, которая интенсивно соприкасается с фланцевыми частями колес). Поэтому существует проблема уменьшения срока службы, связанного с увеличением степени износа.

Кроме того, аналогичным образом на отечественных пассажирских железных дорогах, в особенности на рельсах, применяемых на крутых поворотах, износ развивается в той же степени, что и на зарубежных грузовых железных дорогах, так что существует проблема того, что срок службы уменьшается из-за увеличения степени износа.

Исходя из сказанного требуется разработка рельсов с высокой износостойкостью. Для того чтобы решить эту проблему, разработаны рельсы, описанные в Патентном документе 1. Главная характеристика рельсов заключается в том, что ее перлитная структура (пластинчатое размещение) выполнена тонкой путем выполнения термообработки с целью повышения твердости перлитной структуры.

В Патентном документе 1 описана техника выполнения термообработки стального рельса, содержащего высокоуглеродистую сталь, таким образом, чтобы получить металлическую структуру, имеющую сорбитную структуру и мелкую перлитную структуру. Соответственно за счет достижения высокой твердости стального рельса можно получить рельс, обладающий превосходной износостойкостью.

Однако в последние годы повышение грузоподъемности и повышение скорости грузовых составов достигнуты на зарубежных грузовых железных дорогах и отечественных грузовых железных дорогах для дальнейшего повышения эффективности железнодорожных перевозок. В рельсе, описанном в Патентном документе 1, оказывается затруднительным обеспечить износостойкость головной части рельса, так что существует проблема в значительном сокращении срока службы рельса.

Для решения этой проблемы рассматривается стальной рельс с высоким содержанием углерода. Этот рельс имеет такие характеристики, при которых износостойкость повышается за счет увеличения объемной доли цементита в тонких пластинках перлитной структуры (например, см. Патентный документ 2).

В Патентном документе 2 описан рельс, имеющий перлитную структуру в качестве структуры металла за счет повышения содержания углерода в стали до заэвтектоидной области. Соответственно износостойкость повышается путем увеличения объемной доле цементитной фазы в пластинках перлита, так что может быть достигнут более высокий срок службы рельса. Согласно рельсу, описанному в Патентном документе 2, износостойкость рельса повышается, так что достигается повышение определенного срока службы. Однако в последние годы происходит чрезмерный рост плотности железнодорожных перевозок, так что происходит развитие усталостного разрушения головной части или подошвенной части рельса. В результате даже при использовании рельса, описанного в Патентном документе 2, существует проблема, заключающаяся в недостаточном сроке службы рельса.

Список ссылок

[Патентная литература]

[Патентный документ 1] Не рассмотренная японская патентная заявка, первая публикация № S51-002616

[Патентный документ 2] Не рассмотренная японская патентная заявка, первая публикация № H08-144016

[Патентный документ 1] Не рассмотренная японская патентная заявка, первая публикация № H08-246100

[Патентный документ 1] Не рассмотренная японская патентная заявка, первая публикация № H09-111352

Сущность изобретения

Проблемы, которые должно решить изобретение

Исходя из сказанного выше для стального рельса, включающего в себя перлитную структуру с высокой углеродной составляющей, предпочтительным является предложение рельса с улучшенной стойкостью к усталостному повреждению головной части и подошвенной части рельса.

Изобретение было разработано исходя из описанных выше проблем, и целью настоящего изобретения является предложение рельса из перлитной стали с улучшенной стойкостью к усталостному повреждению для грузовых железных дорог за рубежом и отечественных пассажирских железных дорог.

Решение проблемы

(1) Согласно аспекту изобретения перлитный рельс содержит, в массовых %: от 0,65 до 1,20% С; от 0,05 до 2,00% Si; от 0,05 до 2,00% Mn; остальное приходится на долю Fe и неизбежных примесей, причем по меньшей мере часть головной части и по меньшей мере часть подошвенной части имеет перлитную структуру, и поверхностная твердость части перлитной структуры находится в диапазоне от HV 320 до HV 500 и максимальная шероховатость поверхности части перлитной структуры меньше или равна 180 мкм.

(2) В рельсе из перлитной стали, описанном выше в (1), желательно, чтобы отношение поверхностной твердости к максимальной шероховатости поверхности превышало или равнялось 3,5.

(3) В рельсе из перлитной стали, описанном выше в (1) или (2), желательно, чтобы на том участке, на котором была измерена максимальная шероховатость поверхности, количество вогнутостей и выпуклостей, которые превышают 0,30 от максимальной шероховатости поверхности в отношении средней величины шероховатости по вертикали рельса (в направлении по высоте) от подошвенной части до головной части, было меньше или равно 40 на отрезке 5 мм в продольном направлении на поверхности головной части и подошвенной части рельса.

(4)-(14) Желательно, чтобы рельс из перлитной стали, описанный выше в (1) или (2), избирательно содержал компоненты (а)-(k) в следующем виде, в массовых %: (а) один или больше элементов из 0,01-2,00% Cr и 0,01-0,50 Mo; (b) один или два элемента из 0,005-0,50% V и 0,002-0,050% Nb; (с) один из 0,01-1,00% Со; (d) один элемент из 0,0001-0,0050% В; (е) один элемент из 0,01-1,00% Cu; (f) один из 0,01-1,00% Ni; (g) 0,0050-0,0500% Ti; (h) один или два элемента из 0,0005-0,0200% Са и 0,0005-0,0200 Mg; (i) один элемент из 0,0001-0,0100% Zr; (j) один вид с 0,0100-1,00% Al; и (k) один элемент из 0,0060-0,0200% N.

(15) Желательно, чтобы рельс из перлитной стали, описанный в пунктах (1) или (2), содержал, в массовых %: один или два элемента из 0,01-2,00% Cr и 0,01-0,50 Mo; один или два элемента из 0,005-0,50% V и 0,002-0,050% Nb; 0,01-1,00% Со; 0,0001-0,0050% В; 0,01-1,00% Cu; 0,01-1,00% Ni; 0,0050-0,0500% Ti; 0,0005-0,0200% Mg и 0,0005-0,0200% Са; 0,0001-0,2000% Zr; 0,0040-1,00% Al; и 0,0060-0,0200% N.

Преимущества изобретения

В перлитном рельсе, описанном выше (1), при содержании в нем от 0,65 до 1,20% С, от 0,05 до 2,00% Si и от 0,05 до 2,00% Mn можно поддерживать твердость (прочность) перлитной структуры и улучшать стойкость к усталостному повреждению. Кроме того, с трудом создается мартенситная структура, отрицательно влияющая на усталостные свойства, и может подавляться уменьшение диапазона предельных усталостных напряжений, так что возникает возможность повысить усталостную прочность.

Кроме того, в рельсе из перлитной стали по меньшей мере часть головной части и по меньшей мере часть подошвенной части имеют перлитную структуру, и поверхностная твердость по меньшей мере части головной части и по меньшей мере части подошвенной части находится в диапазоне от HV 320 до HV 500 и максимальная шероховатость поверхности части перлитной структуры меньше или равна 180 мкм. Поэтому становится возможным улучшить сопротивление усталостному повреждению рельса для грузовых железных дорог за рубежом и отечественных пассажирских железных дорог.

В перлитном рельсе, описанном выше (2), поскольку отношение поверхностной твердости к максимальной шероховатости поверхности превышает или равно 3,5, диапазон предельных усталостных напряжений возрастает, так что появляется возможность повысить усталостную прочность. Поэтому становится возможным дополнительно повысить сопротивление усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (3), поскольку количество вогнутостей и выпуклостей меньше или равно 40, диапазон предельных усталостных напряжений возрастает, так что значительно повышается усталостная прочность.

В перлитном рельсе, описанном выше (4), поскольку содержатся один или два элемента из 0,01-2,00% Cr и 0,01-0,50 Mo, промежутки между пластинками становятся небольшими, так что твердость (прочность) перлитной структуры улучшена и образование мартенситной структуры, отрицательно влияющей на усталостные свойства, ограничивается. В результате становится возможным улучшение стойкости к усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (5), поскольку содержатся один или два элемента из 0,005-0,50% V и 0,002-0,050% Nb, аустенитные зерна измельчаются, так что улучшается вязкость перлитной структуры. Кроме того, поскольку V и Nb предотвращают размягчение зоны термического влияния, становится возможным повысить вязкость перлитной структуры и прочность сварных соединений.

В перлитном рельсе, описанном выше (6), поскольку содержится 0,01-1,00% Со, ферритная структура поверхности катящегося контакта делается еще более мелкой, так что улучшаются характеристики износостойкости.

В перлитном рельсе, описанном выше (7), поскольку содержится 0,0001-0,0050% В, уменьшается зависимость температуры превращения перлита от скорости охлаждения, так что перлитный рельс получает более равномерное распределение твердости. В результате появляется возможность увеличить срок службы рельса из перлитной стали.

В перлитном рельсе, описанном выше (8), поскольку содержится 0,01-1,00% Cu, повышается твердость (прочность) перлитной структуры, так что ограничивается образование мартенситной структуры, отрицательно влияющей на усталостные свойства. В результате становится возможным улучшение стойкости к усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (9), поскольку содержится 0,01-1,00% Ni, улучшается прочность и вязкость перлитной структуры, так что ограничивается образование мартенситной структуры, отрицательно влияющей на усталостные свойства. В результате становится возможным улучшение стойкости к усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (10), поскольку содержится 0,0050-0,0500% Ti, аустенитные зерна становятся очень мелкими, и за счет этого улучшается вязкость перлитной структуры. Кроме того, может быть предотвращено охрупчивание участка сварного соединения, так что становится возможным улучшение вязкости перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (11), поскольку содержатся один или два элемента из 0,0005-0,0200% Mg и 0,0005-0,0200% Са, измельчаются аустенитные зерна и таким образом улучшается вязкость перлитной структуры. В результате становится возможным улучшение стойкости к усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (12), поскольку содержится 0,0001-0,2000% Zr, ограничивается образование мартенситной структуры или доэвтектоидной цементитной структуры ограничивается на участке ликвации перлитного рельса. Соответственно становится возможным улучшение стойкости к усталостному повреждению перлитного рельса.

В перлитном рельсе, описанном выше (13), поскольку содержится 0,0040-1,00% Al, температура эвтектоидного превращения может быть сдвинута в сторону повышения. Соответственно, перлитная структура имеет высокую твердости (прочность) и появляется возможность улучшить стойкость к усталостному повреждению.

В перлитном рельсе, описанном выше (14), поскольку содержится 0,0060-0,0200% N, происходит ускорение перлитного превращения от границ аустенитных зерен, и размеры блока перлита уменьшаются. Соответственно повышается вязкость и появляется возможность повысить вязкость рельса из перлитной стали.

В перлитном рельсе, описанном выше (15), путем добавления Cr, Mo, V, Nb, Co, B, Cu, Ni, Ti, Ca, Mg, Zr, Al и N появляется возможность добиться улучшения стойкости к усталостному повреждению, улучшения износостойкости, улучшения вязкости, предотвращения размягчения сварочной зоны термического влияния и контроля распределения твердости в поперечном разрезе по внутренней части головной части рельса из перлитной стали.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано графическое изображение зависимости между твердостью или металлической структурой поверхности подошвенной части перлитного рельса и диапазоном предельных усталостных напряжений, полученное в результате усталостных испытаний перлитного рельса согласно варианту реализации изобретения;

на фиг.2 показано графическое изображение зависимости между максимальной шероховатостью поверхности Rmax на поверхности подошвенной части перлитного рельса и диапазоном предельных усталостных напряжений;

на фиг.3 показано графическое изображение зависимости между SVH/Rmax на поверхности подошвенной части перлитного рельса и диапазоном предельных усталостных напряжений;

на фиг.4 показано графическое изображение зависимости между количеством вогнутостей и выпуклостей перлитного рельса и диапазоном предельных усталостных напряжений;

на фиг.5 показан вид в поперечном разрезе, демонстрирующий участок, которому требуется перлитная структура с твердостью от HV 320 до HV 500, и наименование поверхностной позиции в поперечном разрезе перлитного рельса;

на фиг.6А показана схема, демонстрирующая суммарные показатели усталостного испытания на поверхности головной части перлитного рельса;

на фиг.6В показана схема, демонстрирующая суммарные показатели усталостного испытания на поверхности подошвенной части перлитного рельса;

на фиг.7 показано графическое изображение зависимости между поверхностной твердостью головной части и диапазоном предельных усталостных напряжений, которая должна различаться отношением шероховатости поверхности SVH к максимальной шероховатости поверхности Rmax перлитного рельса;

на фиг.8 показано графическое изображение зависимости между поверхностной твердостью подошвенной части и диапазоном предельных усталостных напряжений, которая должна различаться отношением шероховатости поверхности SVH к максимальной шероховатости поверхности Rmax перлитного рельса;

на фиг.9 показано графическое изображение зависимости между поверхностной твердостью головной части рельса на основе перлита и диапазоном предельных усталостных напряжений, которая должна различаться количеством вогнутостей и выпуклостей, которые превышают 0,30 от максимальной шероховатости поверхности;

на фиг.10 показано графическое изображение зависимости между поверхностной твердостью подошвенной части рельса на основе перлита и диапазоном предельных усталостных напряжений, которая должна различаться количеством вогнутостей и выпуклостей, которые превышают 0,30 от максимальной шероховатости поверхности.

Описание вариантов реализации

Далее будет подробно описан рельс на основе перлита (перлитный рельс), обладающий превосходной износостойкостью и стойкостью к усталостному повреждению согласно варианту реализации изобретения. В данном случае вариант реализации не ограничивается следующим описанием и специалистам в данной области техники должно быть понятно, что его формы и детали могут быть модифицированы в различных формах без отступления от существа и объема варианта реализации. Поэтому вариант реализации не рассматривается как ограниченный описанием, приведенным далее. Далее, в отношении состава, массовые % упоминаются просто как %. Кроме того, рельс на основе перлита согласно этому варианту реализации упоминается как стальной рельс.

Сначала авторы изобретения изучили ситуации, при которых фактически происходит усталостное повреждение путей. В результате было установлено и подтверждено, что усталостное повреждение головной части стального рельса не происходит на поверхности качения, которая находится в контакте с колесами, но происходит на поверхности не контактирующего участка по его периферии. Кроме того, было подтверждено, что усталостное повреждение подошвенной части стального рельса возникает от поверхности в окрестностях центральной части подошвенной части в направлении по ширине, где напряжение относительно высоко. Поэтому было обнаружено, что усталостное повреждение самого пути возникает от головной части и поверхности подошвенной части полученного рельса.

Кроме того, авторы изобретения показали факторы генерирования усталостного повреждения стального рельса. Известно, что усталостная прочность стали в общем коррелирует с прочностью на разрыв (твердостью) стали. Здесь стальной рельс был произведен с использованием стали, имеющей содержание С от 0,60 до 1,30%, содержание Si от 0,05 до 2,00% и содержание Mn от 0,05 до 2,00%, с выполнением прокатки рельсов и с термообработкой, и с испытанием на усталость, при котором воспроизводились условия реального железнодорожного пути. Кроме того, условия испытания были следующими:

(х1) Форма рельса: использовался стальной рельс (67 кг/м) на 136 фунтов

(х2) Усталостное испытание

Способ испытания: испытание на изгибание в трех точках (длина пролета 1 м с частотой 5 Гц) выполняется на фактическом стальном рельсе.

Условие нагружения: выполняется контроль диапазона нагрузки (максимальный-минимальный, минимальная нагрузка составляет 10% от максимальной нагрузки).

(х3) Позиция испытания: нагрузку добавляют к головной части рельса (прочность на разрыв добавляется на подошвенной части).

(х4) Количество повторов: 2 миллиона раз, максимальный диапазон напряжений без разрушения упоминается как диапазон предельных усталостных напряжений.

Результаты усталостных напряжений настоящего стального рельса при изгибании в трех точках показаны на фиг.1. На фиг.1 показано графическое изображение зависимости между твердостью или металлической структурой поверхности подошвенной части рельса из перлитной стали и диапазоном предельных усталостных напряжений. Здесь поверхность подошвенной части стального рельса является участком подошвы 3, показанным на фиг.5. Что касается диапазона предельных усталостных напряжений, описанных выше (х2), в то время, когда испытание выполняется с варьированием нагрузки между максимальным напряжением и минимальным напряжением, разница между максимальным напряжением и минимальным напряжением является такой же, как диапазон напряжений при испытании на усталость и, в частности, как описано выше (х4), максимальный диапазон напряжений без разрушения является таким же, как диапазон предельных усталостных напряжений.

На фиг.1 было подтверждено, что диапазон предельных усталостных напряжений, который определяет усталостные свойства стали, коррелирует с металлической структурой стали. Обнаружено, что стальной рельс на участке, обозначенном стрелкой А с фиг.1 (поверхностная твердость подошвенной части от HV 250 до 300), на котором с перлитной структурой смешано небольшое количество ферритной структуры, и стальной рельс на участке, обозначенном стрелкой С с фиг.1 (поверхностная твердость подошвенной части от HV 530 до 580), на котором с перлитной структурой смешано небольшое количество мартенситной структуры и доэвтектоидной цементитной структуры, имеет значительно уменьшенный диапазон предельных усталостных напряжений и, таким образом, значительно уменьшенную усталостную прочность.

Кроме того, на участке, обозначенном стрелкой В на фиг.1, который представляет однофазную структуру перлита (поверхностная твердость подошвенной части от HV 300 до 530), существует тенденция к увеличению диапазона предельных усталостных напряжений вместе с поверхностной твердостью. Однако в случае, если поверхностная твердость подошвенной части превышает HV 500, диапазон предельных усталостных напряжений значительно уменьшается. Поэтому обнаружено, что для того, чтобы надежно сохранить заданную усталостную прочность, поверхностную твердость требуется ограничить заданным диапазоном.

Кроме того, авторы изобретения проверили факторы, которые влияют на диапазон предельных усталостных напряжений стальных рельсов, обладающих одинаковой твердостью, для того чтобы надежно улучшить усталостную прочность стального рельса. Как показано на фиг.1, диапазоны предельных усталостных напряжений перлитной структуры, имеющей одинаковую твердость, варьируются в диапазоне около 200-250 МПа. Здесь изучали начальную точку стального рельса, разрушенную во время испытания на усталость. В результате было подтверждено, что начальная точка имеет вогнутости и выпуклости и усталостное повреждение начинается с вогнутостей и выпуклостей.

Авторы изобретения в деталях исследовали зависимость между усталостной прочностью стального рельса и вогнутостями и выпуклостями на его поверхности. Полученный результат показан на фиг.2. На фиг.2 показано графическое изображение зависимости между максимальной шероховатостью поверхности R_max на поверхности подошвенной части (полки) рельса из перлитной стали и диапазоном предельных усталостных напряжений при содержании С от 0,65 до 1,20%, содержании Si 0,50%, содержании Mn 0,80% и твердости HV 320-HV 500 с использованием индикатора шероховатости. В данном случае максимальной шероховатостью поверхности является сумма глубины максимального углубления и высоты максимального выступа относительно среднего значения глубин или высот от подошвенной части до головной части в вертикальном направлении по рельсу (направление по высоте) как эталонной для измерений длины, и в отношении деталей означает максимальную высоту (Rz) кривой шероховатости, как предусмотрено в JIS B 0601. Кроме того, при измерении шероховатости поверхности окалину (оксидную пленку) с поверхности рельса удаляли путем промывки кислотой или пескоструйной обработкой.

Усталостная прочность стали коррелирует с максимальной шероховатостью поверхности Rmax, и на фиг.2 в то время, когда максимальная шероховатость поверхности Rmax меньше или равна 180 мкм, диапазон предельных усталостных напряжений значительно возрастает. Соответственно обнаружено, что обеспечена минимальная усталостная прочность (≥300 МПа), необходимая для рельса. Кроме того, у рельса, имеющего твердость HV 320, дополнительно возрастает диапазон предельных усталостных напряжений в то время, когда его максимальная шероховатость поверхности R_max меньше или равна 90 мкм, а у рельса имеющего твердость HV 400, дополнительно возрастает диапазон предельных усталостных напряжений в то время, когда его максимальная шероховатость поверхности R_max меньше или равна 120 мкм, и у рельса, имеющего твердость HV 500, дополнительно возрастает диапазон предельных усталостных напряжений в то время, когда его максимальная шероховатость поверхности R_max меньше или равна 150 мкм.

Исходя из полученного результата для того, чтобы улучшить усталостную прочность стали с высоким содержанием углерода, было обнаружено, что металлическая структура должна быть однофазной структурой из перлита, поверхностная твердость стального рельса должна быть ограничена в диапазоне от HV 320 до HV 500, и максимальная шероховатость поверхности (Rmax) должна составлять 180 мкм или меньше.

В данном случае, когда с перлитной структурой смешивают небольшое количество феррита, мартенсита и доэвтектоидного цементита, не наблюдается значительного снижения усталостной прочности. Однако для того, чтобы максимально улучшить усталостную прочность, желательно, чтобы перлитная структура была однофазной структурой.

Кроме того, авторы детально изучали зависимость между диапазоном предельных усталостных напряжений, поверхностной твердостью (SVH: поверхностная поверхности по Виккерсу) и максимальной шероховатостью поверхности Rmax стального рельса. В результате было обнаружено, что существует корреляция между отношением поверхностной твердости (SVH) стального рельса к максимальной шероховатости поверхности Rmax, то есть SVH/Rmax и диапазоном предельных усталостных напряжений. На фиг.3 показано графическое изображение зависимости между SVH/Rmax стального рельса при содержании С от 0,65 до 1,20%, содержании Si 0,50%, содержании Mn 0,80% и твердости HV 320-HV 500 и диапазоном его предельных усталостных напряжений. Обнаружено, что в отношении стальных рельсов, имеющих любую твердость HV 320, HV 400 и HV 500, диапазон предельных усталостных напряжений, величина SVH/Rmax которых превышает или равна 3,5, возрастает до 380 МПа или больше и таким образом значительно возрастает усталостная прочность.

В дополнение к указанному варианту реализации авторы изобретения изучили корреляцию между шероховатостью поверхности и усталостной прочностью стального рельса для того, чтобы повысить усталостную прочность стального рельса. На фиг.4 показан результат испытания на усталость стальных рельсов при содержании С 1,00%, содержании Si 0,50%, содержании Mn 0,80% и твердости HV 400 при его максимальной шероховатости поверхности Rmax 150 мкм и 50 мкм. Для того чтобы подробно исследовать зависимость между шероховатостью поверхности подошвенной части и диапазоном предельных усталостных напряжений, изучили корреляцию между количеством вогнутостей и выпуклостей, превышающих 0,30 от величины максимальной шероховатости поверхности в отношении среднего значения глубины или высоты в направлении по вертикали рельса (в направлении по высоте) от подошвенной части до головной части, и диапазоном предельных усталостных напряжений. Кроме того, подсчитывают количество вогнутостей и выпуклостей на отрезке подошвенной части в 5 мм в продольном направлении рельса. Было обнаружено, что в отношении стальных рельсов, имеющих любую твердость и максимальную шероховатость поверхности Rmax 150 мкм и 50 мкм, при использовании стальных рельсов, имеющих количество вогнутостей и выпуклостей, равное 40 или менее, и предпочтительно 10 или менее, диапазон предельных усталостных напряжений возрастает дополнительно и, таким образом, сильно возрастает усталостная прочность.

Таким образом, в этом варианте реализации за счет того, что допускается, чтобы поверхностная твердость и SVH головной части и подошвенной части стального рельса была в диапазоне от HV 320 до HV 500, и при использовании стального рельса, имеющего перлитную структуру с высоким содержанием углерода, и при максимальной шероховатости поверхности Rmax меньше или равной 180 мкм, устойчивость к усталостному разрушению перлитного рельса, применяемого на грузовых железных дорогах за рубежом и отечественных пассажирских дорогах, может быть улучшена. Кроме того, путем использования рельса на основе перлита с перлитной структурой и высоким содержанием углерода, в котором отношение SVH/Rmax поверхностной твердости к максимальной шероховатости поверхности превышает или равняется 3,5, или путем использования рельса на основе перлита с перлитной структурой и высоким содержанием углерода, в котором количество вогнутостей и выпуклостей меньше или равняется 40, можно значительно увеличить диапазон предельных усталостных напряжений и значительно увеличить усталостную прочность.

В этом варианте реализации результаты, полученные для поверхности подошвенной части рельса на основе перлита, показаны на фиг.1-4. Такие же результаты, как показанные на фиг.1-4, могут быть получены для поверхности головной части рельса на основе перлита.

Кроме того, содержание С, содержание Si и содержание Mn не ограничиваются значениями, описанными выше, и те же результаты могут быть получены при содержании С в диапазоне 0,65-1,20%, содержании Si в диапазоне 0,05-2,00% и содержании Mn в диапазоне 0,05-2,00%.

Кроме того, части, имеющие перлитную структуру, части, имеющие поверхностную твердость SVH в диапазоне от HV320 до HV500, и части, имеющие максимальную шероховатость поверхности меньше или равную 180 мкм, могут по меньшей мере частично включены в головную часть и по меньшей мере частично в подошвенную часть рельса на основе перлита.

Кроме того, отношение поверхностной твердости SVH к максимальной шероховатости поверхности Rmax может необязательно быть больше или равняться 3,5 и количество вогнутостей и выпуклостей может необязательно быть меньше или равняться 40. Однако за счет того, что отношение SVN/Rmax превышает или равняется 3,5 и за счет того, что количество вогнутостей и выпуклостей меньше или равняется 40, как описано выше, может дополнительно быть достигнуто повышение усталостной прочности.

Далее будет подробно описана причина ограничения этого варианта реализации. Далее, в отношении химического состава стали массовые % просто упоминаются как %.

(1) Причина ограничения химических компонентов

Причина ограничения химических компонентов рельса на основе перлита так, что содержание С находится в диапазоне 0,65-1,20%, содержание Si в диапазоне 0,05-2,00% и содержание Mn в диапазоне 0,05-2,00%, будет описана подробно.

Наличие С ускоряет превращение перлита и, таким образом, обеспечивает износостойкость. Когда содержание С в рельсе на основе перлита меньше 0,65%, более вероятным является появление доэвтектоидного феррита, который оказывает отрицательное влияние на усталостные свойства перлитной структуры и, кроме того, становится трудным поддерживать твердость (прочность) перлитной структуры. Кроме того, когда содержание С в рельсе из перлитной стали превышает 1,20%, более вероятным является появление доэвтектоидной цементитной структуры, который оказывает отрицательное влияние на усталостные свойства перлитной структуры. В результате ухудшается сопротивление рельса к усталостному разрушению. Соответственно содержание С в рельсе на основе перлита ограничивается 0,65-1,20%.

Si является ключевым компонентом в качестве раскислителя. Кроме того, Si увеличивает твердость (прочность) перлитной структуры благодаря упрочнению в твердом растворе ферритной фазы в перлитной структуре и, таким образом, стойкость перлитной структуры к усталостному разрушению. Кроме того, Si ограничивает образование доэвтектоидной цементитной структуры в заэвтектоидной стали и таким образом подавляет ухудшение усталостных свойств. Однако в то время, когда содержание Si в рельсе на основе перлита меньше 0,05%, этих последствий трудно ожидать в достаточной степени. Кроме того, когда содержание Si в рельсе на основе перлита превышает 2,00%, закаливаемость значительно возрастает, и таким образом более вероятным становится появление мартенситной структуры, вредной для усталостных свойств. Соответственно, содержание Si, добавленного в рельс на основе перлита, ограничивается 0,05-2,00%.

Mn повышает закаливаемость и делает таким образом тонкими промежутки между пластинками в перлитной структуре, обеспечивая таким образом твердость (прочность) перлитной структуры и улучшая стойкость к усталостному разрушению. Однако в случае, если содержание Mn в рельсе на основе перлита меньше 0,05%, его влияние мало и становится затруднительным обеспечить стойкость к усталостному разрушению, требующуюся от рельса. Кроме того, в то время, когда количество Mn, содержащегося в рельсе на основе перлита, превышает 2,00%, закаливаемость значительно возрастает, и повышается вероятность появления мартенситной структуры, отрицательно влияющей на усталостные характеристики. Соответственно количество Mn, добавляемого к рельсу на основе перлита, ограничивается 0,05-2,00%.

Кроме того, в рельсе на основе перлита, полученном с химическим составом, описанным выше, добавляют элементы Cr, Mo, V, Nb, Co, B, Cu, Ni, Ti, Ca, Mg, Zr, Al и N, как требуется для целей повышения твердости (прочности) перлитной структуры, то есть улучшения стойкости к усталостному разрушению, улучшения износостойкости, улучшения вязкости, предотвращения размягчения зоны термического влияния при сварке и контроля распределения твердости в поперечном сечении внутри головной части рельса.

В данном случае Cr и Mo повышают точку равновесного превращения перлита и главным образом утончают промежутки между пластинками перлита, обеспечивая таким образом твердость перлитной структуры. V и Nb подавляют рост аустенитных зерен за счет карбида и нитрида, образующихся во время горячей прокатки и последующего охлаждения. Кроме того, V и Nb улучшают вязкость и твердость перлитной структуры или ферритной структуры путем дисперсионного твердения. Кроме того, V и Nb стабильно генерируют карбид и нитрид во время повторного нагрева и таким образом предотвращают размягчение зоны термического влияния сварного шва. Со измельчает пластинчатую структуру или ферритное зерно на поверхности контакта качения, повышая таким образом износостойкость перлитной структуры. В снижает зависимость температуры превращения перлита от скорости охлаждения, выравнивая таким образом распределение твердости по головной части рельса. Cu растворяется в твердом состоянии в феррите в перлитной структуре или в перлитной структуре, повышая таким образом твердость перлитной структуры. Ni улучшает вязкость и твердость ферритной структуры или перлитной структуры и одновременно предотвращает размягчение зоны термического влияния сварного шва. Ti измельчает структуру в зонах термического влияния сварного шва и предотвращает охрупчивание зон термического влияния сварного шва. Са и Mg измельчают аустенитные зерна во время прокатки рельса и одновременно ускоряют превращение перлита, улучшая таким образом вязкость перлитной структуры. Zr увеличивает скорость равноосной кристаллизации затвердевшей структуры и подавляет формирование зоны сегрегации в центральной части блюма, уменьшая таким образом толщину доэвтектоидной цементитной структуры. Al перемещает температуру эвтектоидного превращения в сторону повышения температуры и, таким образом, увеличивает твердость перлитной структуры. Главной целью добавления N является ускорение превращения перлита в то время, когда N выделяется в направлении границ аустенитного зерна и измельчает размеры перлитного блока, повышая таким образом вязкость.

Далее будет детально описана причина ограничения дополнительных количеств таких компонентов в рельсе на основе перлита.

Cr повышает температуру равновесного превращения и в результате делает тонкими промежутки между пластинами в перлитной структуре, способствуя таким образом повышению твердости (прочности). Одновременно Cr упрочняет цементитную фазу и повышает таким образом твердость (прочность) перлитной структуры, улучшая таким образом стойкость к усталостному повреждению перлитной структуры. Однако в то время, когда содержание Cr в рельсе на основе перлита меньше 0,01%, эти результаты малы, и эффект повышения твердости рельса на основе перлита не может быть полностью продемонстрирован. Кроме того, когда содержание Cr в рельсе на основе перлита превышает 2,00%, повышается прокаливаемость и, таким образом, повышается вероятность возникновения мартенситной структуры, вредной для усталостных свойств перлитной структуры. В результате ухудшается стойкость к усталостному повреждению рельса. Соответственно содержание Cr в рельсе на основе перлита ограничивается диапазоном от 0,01 до 2,00%.

Мо повышает температуру равновесного превращения подобно Cr и в результате утончает промежутки между пластинами в перлитной структуре, способствуя таким образом повышению твердости (прочности) и улучшая стойкость к усталостному повреждению перлитной структуры. Однако при содержании Мо в рельсе на основе перлита меньше 0,01% эти результаты малы, и результат повышения твердости рельса на основе перлита не может быть полностью продемонстрирован. Кроме того, когда содержание Мо в рельсе на основе перлита превышает 0,50%, скорость превращения значительно снижается и, таким образом, повышается вероятность возникновения мартенситной структуры, вредной для усталостных свойств перлитной структуры. В результате ухудшается стойкость к усталостному повреждению рельса. Соответственно содержание Мо в рельсе на основе перлита ограничивается диапазоном от 0,01