ACERO DE RAÍL CON UNA EXCELENTE COMBINACIÓN DE PROPIEDADES DE DESGASTE Y RESISTENCIA A LA FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA.

Acero de raíl con una excelente combinación de propiedades de desgaste y resistencia a la fatiga de contacto por rodadura Esta invención se refiere a un acero de raíl con una excelente combinación de propiedades de desgaste y resistencia a la fatiga de contacto por rodadura requeridas para ferrocarriles convencionales y de tráfico pesado. Los incrementos de las velocidades de los trenes y de las cargas han hecho más eficiente al transporte por ferrocarril. Sin embargo, este incremento también significa más duras condiciones de funcionamiento para los railes, y se requieren mejoras adicionales en las propiedades del material del raíl para hacerlos más tolerantes y resistentes a las tensiones incrementadas y a los ciclos de tensiones impuestos. El incremento de desgaste es particularmente pesado en las curvas cerradas con alta densidad de tráfico y una mayor proporción de tráfico de mercancías, y la caída de la vida útil del raíl se puede volver significativa e indeseable. Sin embargo, la vida útil del raíl se ha incrementado significativamente en los últimos años debido a las mejoras en las tecnologías de tratamiento térmico para fortalecer adicionalmente los railes, y al desarrollo de railes de alta resistencia usando un acero al carbono eutectoide y que tiene una fina estructura perlítica. En las partes rectas y ligeramente curvadas de los ferrocarriles donde se requiere más baja resistencia al desgaste, los contactos repetidos entre las ruedas y los railes pueden provocar fallos por fatiga de contacto por rodadura (RCF) sobre la superficie de la cabeza del raíl. Estos fallos son el resultado de la propagación de las grietas de fatiga que empezaron en el plano superior de la superficie de la cabeza del raíl hacia su interior. Los fallos denominados squat o dark spot aparecen principalmente, pero no exclusivamente, en las vías tangentes de los ferrocarriles de alta velocidad y son debidos a la acumulación de daño en el centro de superficie de la cabeza del raíl que son el resultado de los contactos repetidos entres ruedas y railes. Estos fallos se pueden eliminar puliendo la superficie de la cabeza del raíl a intervalos dados. Sin embargo, los costes del vagón pulidor y su funcionamiento son altos y el tiempo para pulir está limitado por los horarios de circulación de los trenes. Otra solución es incrementar la velocidad de desgaste de la superficie de la cabeza del raíl para permitir que el daño acumulado se desgaste antes de que ocurran los defectos. La velocidad de desgaste de los railes se puede incrementar disminuyendo su dureza ya que su resistencia al desgaste depende de la dureza del acero. Sin embargo, la simple reducción de la dureza del acero provoca deformación plástica en la superficie de la cabeza del raíl que, a su vez, provoca la pérdida del perfil óptimo y la aparición de grietas de fatiga de contacto por rodadura. Los railes con una estructura bainítica se desgastan más que los railes con una estructura perlítica porque consisten en partículas de carburo finamente dispersadas en una matriz ferrítica blanda. Las ruedas que corren sobre los railes de estructuras bainíticas, por lo tanto, provocan que el carburo se desgaste fácilmente con la matriz ferrítica. El desgaste acelerado de este modo retira de la cabeza del raíl la capa dañada por la fatiga de la superficie de la cabeza del raíl. La baja resistencia de la matriz ferrítica se puede contrarrestar añadiendo más altos porcentajes de cromo u otros elementos aleantes para proporcionar la alta resistencia requerida según sale del laminador. Sin embargo las adiciones incrementadas de aleantes no solo son costosas sino que pueden formar también una estructura dura y frágil en las uniones soldadas entre railes. Estos aceros bainíticos parecen ser más susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión y requerir un control más rígido de las tensiones residuales. Además, se debe mejorar el rendimiento de la soldadura aluminotérmica y a tope por chispa de aceros bainíticos Los railes con una estructura perlítica comprenden una combinación de ferrita blanda y láminas de cementita dura. Sobre la superficie de la cabeza del raíl que está en contacto con las ruedas, la ferrita blanda se excluye para dejar solo las láminas de cementita dura. Esta cementita y el efecto de endurecimiento por tratamiento proporcionan la resistencia al desgaste requerida de los railes. La resistencia de estos aceros perlíticos se consigue por medio de las adiciones de aleantes, el enfriamiento acelerado o una de sus combinaciones. Usando estos medios, se ha reducido el espaciado interlaminar de la perlita. Un incremento de la dureza del acero provoca un incremento de la resistencia al desgaste. Sin embargo, a valores de dureza de alrededor de 360 HB y más altos, la velocidad de desgaste es tan pequeña que un incremento adicional de dureza no da como resultado una velocidad de desgaste significativamente diferente. Sin embargo, se han visto mejoras de resistencia a la fatiga de contacto por rodadura con el incremento de dureza hasta ~400 HB que se considera generalmente como límite superior de dureza para aceros eutectoides e hipereutectoides con una microestructura totalmente perlítica. El documento JP 2000 345 296 describe un raíl de acero con buena resistencia al desgaste y fatiga. Sin embargo, en condiciones prácticas, la resistencia a la RCF de estos aceros perlíticos de alta resistencia necesita ser mejorada adicionalmente para retrasar el inicio de las grietas por fatiga de contacto por rodadura y prolongar por ello los intervalos entre las operaciones de pulido de los railes. Es por lo tanto un objetivo de esta invención proporcionar railes de alta resistencia que son resistentes a la fatiga de contacto por rodadura reteniendo la excelente resistencia al desgaste de los actuales railes térmicamente tratados. El objetivo de la invención se consiguió con un acero de raíl perlítico de alta resistencia con una excelente 2 E09713461 19-10-2011   combinación de propiedades de desgaste y resistencia a la fatiga de contacto por rodadura, que contiene (en % en peso): de 0,88 a 0,95% de carbono, de 0,75% a 0,95% de silicio, de 0,80% a 0,95% de manganeso, de 0,05% a 0,14% de vanadio, como mucho 0,008% de nitrógeno, como mucho 0,030% de fósforo, de 0,008% a 0,030% de azufre, como mucho 2,5 ppm de hidrógeno, como mucho 0,10% de cromo, como mucho 0,010% de aluminio, como mucho 20 ppm de oxígeno, consistiendo el resto en hierro e impurezas inevitables. Los aceros de composición química según la invención mostraron muy buenas propiedades de desgaste comparado con los aceros perlíticos hipo- e hiper-eutectoides convencionales. Los inventores han encontrado que la composición química equilibrada produce perlita muy resistente al desgaste que comprende carbonitruros de vanadio muy finamente dispersados. Además, la resistencia a la RCF es significativamente más alta que la de los aceros convencionales comparables. Varios factores se unen para provocar esta mejora. Primeramente, el movimiento hacia la región hipereutectoide del diagrama de fases de hierro-carbono incrementa la fracción en volumen de cementita dura en la microestructura. Sin embargo, en el relativamente lento enfriamiento experimentado por los railes, tales altas concentraciones de carbono pueden conducir a redes nocivas de cementita fragilizante en los bordes de grano. La adición intencionada de más alta concentración de silicio y vanadio a la composición se ha diseñado para prevenir la cementita en el borde de grano. Estas adiciones tienen también una segunda e igualmente importante función. El silicio es un fortalecedor de la disolución sólida e incrementa la resistencia de la ferrita perlítica que incrementa la resistencia de la perlita a la iniciación de la RCF. Similarmente, la precipitación de finos carbonitruros de vanadio dentro de la ferrita perlítica incrementa su fortaleza y por ello la resistencia a la RCF de esta microestructura perlítica combinada. Una característica adicional del diseño composicional es limitar el contenido de nitrógeno para prevenir los precipitados prematuros y gruesos de nitruro de vanadio ya que no son efectivos para incrementar la resistencia de la ferrita perlítica. Esto asegura que las adiciones de vanadio permanecen en disolución dentro de la austenita hasta temperaturas más bajas y, por lo tanto, dan como resultado precipitados más finos. El vanadio en disolución actúa también como agente de templabilidad para refinar el espaciado de la perlita. De este modo, el diseño específico de la composición reivindicada en esta realización utiliza los distintos atributos de los elementos individuales para producir una microestructura con una combinación muy deseable de desgaste y resistencia a la RCF. La RCF y la resistencia al desgaste mejoradas se pueden conseguir... [Seguir leyendo]

1. Un raíl de acero perlítico de alta resistencia con una excelente combinación de propiedades de desgaste y resistencia a la fatiga de contacto por rodadura en el que el acero consiste en de 0,88% a 0,95% de carbono, de 0,75% a 0,95% de silicio, de 0,80% a 0,95% de manganeso, de 0,05% a 0,14% de vanadio, hasta 0,008% de nitrógeno, hasta 0,030% de fósforo, de 0,008% a 0,030% de azufre, como mucho 2,5 ppm de hidrógeno, como mucho 0,10% de cromo, como mucho 0,010% de aluminio, como mucho 20 ppm de oxígeno, siendo el resto hierro e impurezas inevitables. 2. El raíl perlítico según la reivindicación 1, en el que el carbono es por lo menos 0,90%. 3. El raíl perlítico según la reivindicación 1 o 2, en el que el nitrógeno es por lo menos 0,003%, o en el que el nitrógeno es como mucho 0,007%. 4. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el nitrógeno es como mucho 0,005%. 5. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el vanadio es por lo menos 0,08% y/o como mucho 0,12%. 6. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que consiste en de 0,90% a 0,95% de carbono, de 0,82% a 0,92% de silicio, de 0,80% a 0,95% de manganeso, de 0,08% a 0,12% de vanadio, de 0,003% a 0,007% de nitrógeno, como mucho 0,015% de fósforo, de 0,008% a 0,030% de azufre, como mucho 2 ppm de hidrógeno, como mucho 0,10% de cromo, como mucho 0,004% de aluminio, como mucho 20 ppm de oxígeno, consistiendo en resto hierro e impurezas inevitables. 7. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el manganeso es como mucho 0,90%. 8. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una resistencia a la RCF de por lo menos 130000 ciclos hasta el inicio en condiciones de ensayo de dos discos lubricados con agua. 9. El raíl perlítico según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes con una resistencia al desgaste comparable a los aceros de raíl térmicamente tratados actuales, preferentemente en el que el desgaste es menor de 40 mg/m de deslizamiento a una dureza entre 320 y 350 HB, o más bajo de 20 mg/m y preferentemente menor de 10 mg/m de deslizamiento a una dureza por encima de 350 HB. 7 E09713461 19-10-2011   8 E09713461 19-10-2011