專利名稱：鐵路車輪合金的制作方法
背景技術：
本發(fā)明提供了一種鐵路車輪合金，更具體地說，尤其適用于制造鑄鋼鐵路車輪的一種鐵路車輪合金。
在鑄鋼鐵路車輪的制造中，希望利用一種能被硬化的合金鋼，以提供適宜的耐磨性，同時也提供適宜的耐熱解性。添加合金元素諸如鉻、錳及鉬，可提高鋼的機械強度。但是，對這種合金添加物必須小心選擇，以使費用的增加減到最少，以及均衡這類合金理想添加量所改善的性質(zhì)的可能減退。
熱機械去皮(shelling)及剝落(spalling)是鐵路車輪運行中發(fā)現(xiàn)的輪面損壞的二個主要原因。這種輪面損壞導致了明顯程度的過早撤換使用車輪。熱機械去皮現(xiàn)象一般出現(xiàn)在重荷牽引煤、礦石及顆粒的運行中，在此所述環(huán)境導致了這類故障。與這類運行相關的影響因素包括在鐵路車負載時的高法向力、陡坡及長久運行于坡陡山岳地區(qū)。對于鐵路由鐵路車負載產(chǎn)生的法向力理想上是處于車輪設計的最大允許值。剝落涉及輪面表面材料相變?yōu)橐姿榈鸟R氏體相。車輪在軌道上的滑動引起這種材料相變。本合金的開發(fā)目的在于減少或消除由車輪在軌道上熱機械損傷或滑動所引起的這種損壞。
熱機械去皮的三因素一起會造成輪面損壞的發(fā)生。此過程的機械因素是滾動接觸疲勞。車輪滾動構成了周期性應力，從而驅(qū)使其逐漸損壞。此種通過制動器制動引起的熱因素，不僅對車輪產(chǎn)生了熱應力，而且也通過降低的材料強度而減弱了材料在高溫下承受機械負載的能力。逐漸損壞的最后因素是處在溫度下的時間。車輪處于高溫下越長久，將產(chǎn)生的引發(fā)及蔓延裂隙所需要的加荷循環(huán)數(shù)就越高。
還應明白，本發(fā)明的所需合金不僅可用于鑄鋼鐵路車輪，而且可用于鐵路車輪的其它制造形式中，包括鍛造。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種尤其適宜制造鐵路車輪的合金。
本發(fā)明還有一個目的在于提供一種尤其適宜制造鑄鋼鐵路車輪的合金，該車輪具有改進的硬度，且因此耐磨性和耐熱裂性提高。
發(fā)明概述兩種特殊合金均針對熱機械去皮的影響。第一種是一種鉻-硅-鉬合金。這種合金已顯示在對付重荷牽引運行上很有希望。鉬和鉻增強了鋼的高溫性能。這些改善了的高溫性能會使引發(fā)疲勞裂隙的最低溫度提高，從而縮短了輪面材料處于臨界溫度之上的溫度下的時間。由于減輕疲勞及縮短了處于溫度下的時間這二個因素，在輪面上引發(fā)及蔓延的裂隙更少。所有三種合金元素都增強了鋼的屈服及拉伸強度。這樣就可能減少隨后在高溫下引發(fā)的任何裂隙的蔓延，同時又使車輪仍在正常運行條件下滾動。鉬和鉻合金的另一益處是提高了耐磨性，從而延長了車輪正常運行的壽命。
針對熱機械去皮的第二合金是一種鎳鉬合金。鉬可提供同樣的益處，如同第一合金的一樣，增強高溫性能、強度及耐磨性。加入鎳增強了鋼的斷裂韌性及鐵氧體的強度。這些改進都有助于防止鋼內(nèi)裂隙的產(chǎn)生及蔓延。
點蝕與車輪在軌道上的滑動相關。接觸印痕處的材料由于滑動摩擦被加熱到相變溫度以上，約1600°F，然后當車輪停止或旋轉(zhuǎn)時，由于車輪整體而被迅速急冷。這樣形成的馬氏體易碎，且在隨后正常滾動負載下產(chǎn)生裂隙。這種裂隙導致了被稱為剝落的輪面點蝕。
為試圖減少輪面剝落損壞，開發(fā)了一系列合金。這些合金是低碳鋼，添加有保持材料性質(zhì)的添加合金；參見所附化學組成表。這種處理剝落問題的方法并不減少或消除馬氏體的形成，卻反而改善了馬氏體的性質(zhì)及縮小了馬氏體與基礎鋼之間性質(zhì)的差異。低碳馬氏體不太硬，不太易碎，而且在較高溫度下形成，應能抑制或減少與剝落過程相關的點蝕。碳含量的減少導致了材料強度及耐磨性明顯降低。為抑制這些降低，添加了鎳、鉻及鉬。這些添加合金產(chǎn)生了如上所述的同樣益處。
詳細說明鑄造具有如以下實施例1-5所列合金的鐵路車輪并對其進行各種性能現(xiàn)場測試。
實施例1鑄造具有以下合金組成的鐵路車輪，按重量百分比計碳0.67-0.70、錳0.70-0.85、硅0.65-0.85、磷小于0.025、硫小于0.025、鉻0.18-0.25和鉬0.08-0.12。
實施例2鑄造具有以下合金組成的鐵路車輪，按重量百分比計碳0.67-0.77、錳0.60-0.85、硅0.36-0.60、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳0.40-0.60和鉬0.25-0.40。
實施例3鑄造具有以下合金組成的鐵路車輪，按重量百分比計碳0.16-0.25、錳0.90-1.10、硅0.50-0.70、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳1.0-1.5、鉬0.40-0.60、鉻0.40-0.60。
實施例4鑄造具有以下合金組成的鐵路車輪，按重量百分比計碳0.26-0.35、錳0.90-1.10、硅0.50-0.70、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳1.0-1.5、鉬0.40-0.60、鉻0.40-0.60。
實施例5鑄造具有以下合金組成的鐵路車輪，按重量百分比計碳0.36-0.45、錳0.90-1.10、硅0.50-0.70、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳1.0-1.5、鉬0.40-0.60、鉻0.40-0.60。
對這些車輪進行強化性能測試，獲得了令人滿意的結果。
實際上，與車輪對照組相比，該對照組車輪由以下重量百分比成分的正常合金鋼組成碳0.67-0.77、錳0.60-0.85、硅大于0.15、磷小于0.05、硫小于0.05、具有僅痕量的鉻和鉬，測定的性能特征如下在約275,000英里的普通貨車運行后，50％的具有對照組組成的車輪已因去皮而退出運行，而對本發(fā)明優(yōu)選合金僅有15％退出運行。
根據(jù)這些現(xiàn)場試驗結果和配套實驗室檢測，本發(fā)明的合金比普通碳型鋼更耐受輪面去皮條件。實際上，可以看出，對于普通貨車運行，按照本發(fā)明的鑄鋼車輪的里程性能接近400,000英里。
權利要求
1.一種鐵路鋼車輪合金，按重量百分比計包括碳0.67-0.77、錳0.70-0.85、硅0.65-0.85、磷小于0.05、硫小于0.05、鉻0.14-0.25、鉬0.08-0.14，其余主要為鐵。
2.按照權利要求1的合金，進一步包括附帶的雜質(zhì)。
3.一種鐵路鋼車輪合金，按重量百分比計包括碳0.67-0.77、錳0.60-0.85、硅0.36-0.60、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳0.40-0.60、鉬0.25-0.40，其余主要為鐵。
4.按照權利要求3的鐵路鋼車輪合金，進一步包括附帶的雜質(zhì)。
5.一種鐵路鋼車輪合金，按重量百分比計包括碳0.16-0.45、錳0.90-1.10、硅0.50-0.70、磷最多0.035、硫最多0.035、鎳1.0-1.5、鉬0.40-0.60、鉻0.40-0.60，其余主要為鐵。
6.按照權利要求5的合金，進一步基本由附帶的雜質(zhì)組成。
全文摘要
提供了一種尤其適于制造鐵路車輪的合金鋼。這種合金按重量百分比計主要包括:碳0.67－0.77、錳0.70－0.85、硅0.65－0.85、磷小于0.025、硫小于0.025、鉻0.18－0.25、鉬0.08－0.12,其余主要為鐵。另一低碳合金按重量百分比計主要包括:碳0.16－0.45、錳0.90－1.10、硅0.50－0.70、磷小于0.035、硫小于0.035、鎳1.0－1.5、鉻0.40－0.60和鉬0.40－0.60。
文檔編號C22C38/08GK1374206SQ0210683
公開日2002年10月16日 申請日期2002年3月5日 優(yōu)先權日2001年3月5日
發(fā)明者M·S·舍利, R·A·皮倫 申請人:阿姆斯泰德工業(yè)公司