[发明专利]制造贝氏体钢轨钢材和轨道部件的方法和实施该方法的装置

说明书

本发明涉及轨道部件，特别是用于有轨机动车的由低合金钢构成的钢轨。

本发明进一步涉及由热轧的型材制造轨道部件的方法以及实施该方法的装置。

近年来，铁路交通中的运输负载重量和行驶速度持续升高，以提高铁路运输的效率。因此，铁路钢轨经受加重的运行条件和因此需要具有更高的品质，以承受更高的负荷。具体问题在于，特别是装配在弧形段中的钢轨的剧烈增加的摩擦，和材料疲劳损伤出现，其主要在行驶边缘处，即钢轨与车轮在弧形段中的主要接触点处产生。这导致滚动接触疲劳损伤（RCF）。RCF-表面损伤的实例例如是端部裂纹（滚动疲劳）、脱皮（剥落）、凹陷（Squats）（塑性表面变形）、滑波（Schlupfwellen）和起皱（Verriffelungen）。所述的表面损伤导致缩短的钢轨使用寿命、提高的噪音释放和运行障碍。此外，故障增加出现由于持续增长的交通负荷而加速。这样发展的直接结果是提高的钢轨维护需求。然而，增加的钢轨维护需求有悖于变得越来越小的维护空挡。更高的列车密度越来越多地减小了可以处理钢轨的时间段。

所提及的损伤尽管可以在初期阶段通过磨削而消除，然而在严重损伤的情况下必须更换钢轨。因此，过去不乏改进耐磨性和抗RCF-损伤性的实验，以提高钢轨的寿命周期。这尤其通过引入和使用贝氏体钢轨钢材进行。

贝氏体是可以在热处理含碳钢的情况下通过等温转变或者连续冷却而生成的结构。贝氏体在形成珠光体和马氏体之间的温度和冷却速度下产生。不同于形成马氏体，晶格中的倒逆过程和扩散过程在此是耦合的，由此不同的转变机理是可行的。由于依赖于冷却速度、碳含量、合金元素和由此产生的形成温度，贝氏体不具有特征性的结构。贝氏体，亦如珠光体由铁素体和渗碳体（Fe3C）的相组成，但是就形状、尺寸和分布而言有别于珠光体。原则上，贝氏体区分为两个主要结构形式，即上贝氏体和下贝氏体。

从AT 407057 B中已知钢轨材料，其中奥氏体的结构转变仅明确地在下贝氏体阶段的范围内产生，以致成型的轧件获得至少350 HB，特别是450-600 HB的硬度。

贝氏体基本结构还可以用较高的合金成分，用例如描述于DE 102006030815 A1和DE 102006030816 A1文件中的2.2至3.0重量%的高的铬含量实现。然而，高含量的合金成分导致不希望的高费用和复杂的焊接技术。DE 202005009259 U1也描述了由高合金钢构成的贝氏体高强度的轨道部件，特别是具有高的Mn、Si和Cr合金含量。在这种高合金钢的情况下， 可以以简单的方式通过在静态空气中冷却导致贝氏体形成。在低合金钢的情况下相反地，仅当进行受控冷却时才能形成贝氏体。

相应地，例如DE 1533982描述了热处理钢轨的方法，其中还具有轧制温度的钢轨在离开轧机机座之后用起重装置提起，以轨头向下的方式浸渍到维持在恒定温度的流化床中，并且在此处冷却，其中贝氏体结构的形成通过以下方式实现，即选择380至460℃的流化床温度，并且使钢轨在流化床中取决于其温度而停留300至900秒。

从EP 612852 B1中已知高强度钢轨的其它制造方式，其由具有贝氏体结构的低合金钢构成以实现更好的对于由于滚动接触的疲劳损伤而言的稳定性。钢轨的轨头以1-10℃/s速度经受从奥氏体范围直至500-300℃的冷却中断温度的加速冷却。在这样的快速冷却之后，轨头进一步冷却至接近室温，其中使用随着热回收的自然冷却或者以1-40℃/min速度的强制冷却。

用所提及的措施，尽管可以延缓轨头处的裂纹形成和裂纹扩展，但是却不能将其阻止。

因此，本发明的目的在于，如下改进出于费用原因和出于焊接技术原因应由低合金钢组成的轨道部件，特别是钢轨，从而使其在提高的轮负载的情况下，也不产生滚动接触疲劳损伤，和尤其在行驶边缘处和滚动面上不产生裂纹。进一步地，还应该提高耐磨强度，以使可以确保多于30年的使用寿命（Liegedauer）。最后，所述的轨道部件应是可以良好焊接的，并且具有相对于迄今为止在钢轨建造中被证明是好的钢而言的类似的其它材料性能，例如类似的导电性和类似的热膨胀系数。

本发明的目的进一步在于，提供简单的制造方法，其特征在于短的方法时间（避免退火阶段）、高的可复制性和高的经济性。该方法应适合于制造例如超过100 m长度的长钢轨，其中跨钢轨全长应确保恒定的材料性能。