Acero para raíles con una excelente combinación de propiedades de desgaste, resistencia a la fatiga de contacto por rodadura y soldabilidad.

Un Acero para la fabricación de raíles, en particular de raíles acanalados, que tiene una dureza de al menos 330 HV30

, una resistencia a la tracción de al menos 1000 MPa y un límite elástico de al menos 600 MPa y consiste en 5 % en peso, de

* 0,70% a 0,85 de carbono,

* 0,65% a 1,00% silicio,

* 1,1% a 1,4% de manganeso,

* 0,07% a 0,15% de vanadio,

* hasta 0,008% de nitrógeno,

* hasta 0,025% de fósforo,

* como máximo 2,5 ppm de hidrógeno,

* como máximo 0,10% de cromo,

* como máximo 0,010% de aluminio,

* como máximo 20 ppm de oxígeno,

* el resto consiste en hierro e impurezas inevitables.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2012/073606.

Solicitante: Tata Steel UK Ltd.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: 30 Millbank London SW1P 4WY REINO UNIDO.

Inventor/es: SECORDEL, PASCAL, SMITH,Howard,Martin, JAISWAL,Shreekant.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero... > C22C38/12 (que contienen tungsteno, tántalo, molibdeno, vanadio o niobio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero... > C22C38/04 (que contienen manganeso)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero... > C22C38/24 (con vanadio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero... > C22C38/02 (que contienen silicio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > ALEACIONES (tratamiento de alegaciones C21D, C22F) > Aleaciones ferrosas, p. ej. aleaciones del acero... > C22C38/46 (con vanadio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA DEL HIERRO > MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA FISICA DE LOS METALES... > Tratamiento térmico, p. ej. recocido, endurecido,... > C21D9/04 (para raíles)

PDF original: ES-2545659_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Acero para raíles con una excelente combinación de propiedades de desgaste, resistencia a la fatiga de contacto por

rodadura y soldabllldad.

Esta invención se refiere a un raíl de acero, en particular para su uso como un raíl acanalado tales como los utilizados para las pistas de tranvía, que tiene una excelente combinación de propiedades, en particular, la resistencia tanto a desgaste y fatiga de contacto por rodadura y al mismo tiempo siendo capaz de ser restaurado por soldadura sin la necesidad de una alta temperatura de precalentamiento.

La rentabilidad del transporte sobre raíles se ha convertido en un problema importante en los últimos años. La sustitución de un raíl embebido en una red de tranvías provoca interrupciones en el servicio; no sólo para el tráfico ferroviario, sino también para otros usuarios de la infraestructura compartida como las redes instaladas en los centros urbanos. Las redes de tranvía se caracterizan a menudo por radios de pista muy ajustados que inevitablemente experimentan altas tasas de desgaste lateral y por lo tanto puede ser el factor que dicta la vida útil del raíl. Así, un primer requisito clave de un grado rentable de acero de raíl para aplicaciones en líneas de tranvía es su capacidad para ser restaurado por soldadura sin la necesidad de una alta temperatura de precalentamiento que daña el polímero circundante en el cual está incrustado el raíl. Sin embargo, incluso con este atributo, el factor determinante de la vida útil del raíl es la tasa de desgaste de la cabeza vertical y por lo tanto, el segundo requisito clave de un grado rentable de acero de raíl es su resistencia al desgaste. Por otra parte, el aumento de los números de pasajeros significa que el tráfico ferroviario se ha vuelto más intenso en los últimos años, causando un mayor desgaste de los raíles Se requieren más mejoras en las propiedades del material de los raíles para que sean más tolerantes y resistentes a los daños resultantes del aumento de las tensiones y los ciclos impuestos de tensiones. Aunque la evolución de la metalurgia de raíles y la tecnología de tratamiento de calor han refinado la microestructura perlifica para aumentar la resistencia al desgaste, la necesidad de una mayor reducción en los costes del ciclo de vida continúa impulsando nuevas mejoras en la metalurgia de los raíles.

Otro mecanismo de degradación del raíl a menudo encontrado en las redes de tranvía y de metro es la corrugación de la cabeza del rail. Aunque el desarrollo de corrugación está influenciado por una variedad de características del sistema, se reconoce ampliamente que un aumento en la dureza y del límite elástico de los aceros de raíl retarda el desarrollo y crecimiento de la corrugación. En consecuencia la tercera exigencia de aceros de raíl rentables para tranvías y redes de metro es un aumento en la dureza y del límite elástico.

El documento US29/134647 se refiere un acero para rueda de ferrocarril con una estructura perlifica, que contiene (% en peso) carbono (,65-,8), silicio (,9-1,1), manganeso (,85-1,15), fósforo (,1-,3), niobio (,9-,13), azufre (,5-,4) y el resto de hierro e impurezas inevitables. El acero contiene adicionalmente cromo (,1-,25), níquel (,5-,15), molibdeno (,2-,3) y vanadio (,1-,3).

En partes rectas y suavemente curvadas de líneas de raíles, donde las tasas experimentadas de desgaste son generalmente más bajas, la vida útil de los raíles y los costes de mantenimiento asociados también son dictados por la necesidad de controlar el inicio y crecimiento de las grietas de fatiga de desgaste por rodadura (RCF) cuyos orígenes son, ya sea en, o muy cerca de la superficie de la cabeza del raíl. La RCF puede ocurrir en varias formas, pero se conoce comúnmente como chichones (HC), grietas en ángulo (CCG), o como defectos Squat. Por lo tanto, un cuarto requisito del acero rentable para raíl para tranvías y redes de metro es su resistencia a la iniciación de la fatiga de desgaste por rodadura (RCF).

La optimización de los perfiles de rueda y de raíl para reducir al mínimo las tensiones perjudiciales y el uso de amolado regular para mantener los perfiles deseados, mientras que, al mismo tiempo, la eliminación de las capas superficiales dañadas restantes se ha convertido en el método de control probado para RCF y la pista afectada por corrugación. Sin embargo, el costo del amolado del raíl es alto y consume tiempo disponible para el funcionamiento de los servicios regulares. Por lo tanto se mantiene la solución metalúrgica para el desarrollo como la más rentable.

Además de la mejora de la resistencia al desgaste, RCF, y la corrugación, un requisito adicional para el diseño de un nuevo acero de raíl es la capacidad de ser repetidamente restaurado mediante soldadura ¡n-situ como una medida de mitigación a las altas tasas de desgaste lateral experimentado en las curvas apretadas de las redes de tranvía. La tecnología de restauración por soldadura de bajo precalentamiento, según lo establecido en la Tata Steel patenteGB2443494, proporciona una metodología probada de restauración de aceros con alto contenido de carbono mediante soldaduras repetitivas. Sin embargo, el uso de esta técnica impone dos requisitos clave metalúrgicos de un límite superior en la temperatura de inicio de martensita (Ms) de menos de 2°C y que, al final la temperatura de martensita (Mt) no sea mayor de 5° C y

preferentemente mucho menos. Así, la composición de un nuevo acero para raíles debe diseñarse no sólo para cumplir los requisitos de resistencia al desgaste, RCF, y corrugación sino también para asegurar que la transformación en martensita se produce en un intervalo tal que impida la terminación de la transformación cuando se utiliza la tecnología de restauración por soldadura a bajo precalentamiento. El factor crítico del éxito para tal proceso de restauración por soldadura es la ausencia de cualquier microestructura dura quebradiza o grietas incipientes dentro del metal soldado, de una interfase entre el metal soldado y el metal original del raíl, o dentro de la zona afectada por el calor, todo lo cual posteriormente dará lugar a desprendimientos del depósito a partir de la propagación de grietas incipientes a través de la fatiga.

Por lo tanto es un objeto de esta Invención proporcionar raíles de alta resistencia que son altamente resistentes al desgaste, fatiga de contacto por rodadura, y corrugación al tiempo que conserva la capacidad de ser restaurado repetidamente mediante soldadura.

También es un objeto proporcionar raíles de alta resistencia en los cuales el desgaste lateral puede ser restaurado robusta y fácilmente ¡n-situ por medio de un tratamiento de soldadura por deposición.

También es un objeto proporcionar raíles de alta resistencia con una dureza de al menos 33 HV, una resistencia a la tracción de al menos 1 MPa y un límite elástico de al menos 6 MPa.

Uno o más de los objetos de la invención se logró con un raíl de acero perlítico de alta resistencia que tiene una excelente combinación de propiedades contra desgaste, resistencia contra la fatiga de contacto por rodadura y capacidad de restauración mediante soldadura, que contiene (en % en peso):

,7% a ,85% de carbono,

,65% a 1,% de silicio,

1,1% a 1,4% de manganeso,

,7% a ,15% de vanadio,

hasta ,8% de nitrógeno,

hasta ,25% de fósforo,

,8 a ,3% de azufre,

como máximo 2,5 ppm de hidrógeno,

como máximo ,1% de cromo,

como máximo ,1% de aluminio,

como máximo 2 ppm de oxígeno,

el resto consiste en hierro e impurezas inevitables.

La eficacia de la composición química de los aceros según la invención se demuestra mejor a través de una explicación... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un Acero para la fabricación de raíles, en particular de raíles acanalados, que tiene una dureza de al menos 33 HV3, una resistencia a la tracción de al menos 1 MPa y un límite elástico de al menos 6 MPa y consiste en % en peso, de

,7% a ,85 de carbono,

,65% a 1,% silicio,

1,1% a 1,4% de manganeso,

,7% a ,15% de vanadio,

hasta ,8% de nitrógeno,

hasta ,25% de fósforo,

como máximo 2,5 ppm de hidrógeno,

como máximo ,1% de cromo,

como máximo ,1% de aluminio,

como máximo 2 ppm de oxígeno,

el resto consiste en hierro e impurezas inevitables.

2. Acero de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la temperatura de transformación inicial de la martensita (M s ) determinado por la ecuación ( 1 está por debajo de 19°C y en donde la transformación final de la martensita (Mf) de acuerdo con la ec. 2 está por debajo de 4°C.

Ms ( C) ,5 X (Ms, Andrews Ms, stevenson & Haynes) QC. 1

Ms, Andrews (°C) = 539 - 423 x % carbono - 3.4 x % Mn ec. 1a

Ms, stevenson & Haynes ( C) -561 -474 % carbono - 33 x % Mn ec. 1 b

Mf (°C) = Ms -15 ec. 2

3. Acero de conformidad con la reivindicación 1 que comprende un contenido de carbono de al menos ,735%C, preferentemente de al menos ,75%.

4. Acero de conformidad con reivindicación 1 o 2 que comprende un contenido de manganeso de al menos 1,2%.

5. Acero de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 que comprende un contenido de silicio de al menos ,75%.

6. Acero de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende una combinación de un

contenido de vanadio de al menos ,8% V y un contenido de nitrógeno como máximo de ,5%.

7. Acero de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende una combinación de un

contenido de vanadio de al menos ,1% Vy un contenido de nitrógeno como máximo de ,7%.

8. Acero de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en donde la temperatura de transformación inicial de la martensita determinada por la ec. 1 está por debajo de 175°C y en donde transformación final de la martensita de conformidad con la ec. 2 está por debajo de 25°C.

9. Acero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la zona afectada por el calor de la capa de soldadura de la restauración comprende al menos 5% en volumen de austenita retenida.

1. Raíl, tal como raíl acanalado, raíl de grúa o raíl de fondo plano, fabricados de acero de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que tiene una dureza de al menos 33 HV, una resistencia a la tracción de al menos 1 MPa y un límite elástico de al menos 6 MPa.