專利名稱：鐵軌接合方法及接合鐵軌的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接合由不同類型的金屬材料制成的錳合金鋼鐵軌和碳素鋼鐵軌的方法以及通過該方法獲得的接合鐵軌。
上述接合方法是這樣的方法，即在高錳合金鋼整鑄轍叉和碳素鋼制普通鐵軌的接合面之間插入其熔點(diǎn)比轍叉熔點(diǎn)低的嵌件的狀態(tài)下，在該接合面之間施加壓力并把接合部加熱到比嵌件熔點(diǎn)高但比轍叉熔點(diǎn)低的溫度，由此使嵌件向兩段鐵軌接合部擴(kuò)散地將這兩段鐵軌接合在一起。根據(jù)這種接合方法，沒有引起錳合金鋼轍叉熱脆化的問題并且能夠在短時間內(nèi)接合兩段鐵軌。但根據(jù)該方法，接合部的抗彎強(qiáng)度在每個產(chǎn)品中產(chǎn)生了很大的差異，所以存在著產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的困難。
因而，本申請人作為“異種金屬的接合方法”發(fā)明地提出了針對上述問題的發(fā)明申請。折中接合方法是這樣的，即在通過嵌件接合碳素鋼鐵軌和具有所需厚度的中間材料后，通過嵌件來接合該中間材料和錳合金鋼轍叉，根據(jù)該接合方法，沒有引起每個產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度差異并且能夠穩(wěn)定地接合兩段鐵軌。
在通過嵌件接合上述碳素鋼鐵軌和中間材料的場合下，為了不進(jìn)行嵌件的擴(kuò)散并獲得足夠高的抗彎強(qiáng)度，人們認(rèn)為必須加熱到比錳合金鋼轍叉的固相線溫度1280℃高的1300℃以上的溫度。因此，根據(jù)上述接合方法，在碳素鋼鐵軌與中間材料接合后，該中間材料和錳合金鋼轍叉接合，兩段鐵軌的接合過程分兩步進(jìn)行。因此，指出了難以穩(wěn)定獲得足夠高的所需抗彎強(qiáng)度以及因工序多而成本高昂的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
與在上述碳素鋼鐵軌與中間材料接合時所施加的溫度有關(guān)地，發(fā)明人重新進(jìn)行了驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果該加熱溫度高，則抗彎強(qiáng)度提高，但在比錳合金鋼轍叉的固相線溫度1280℃低的1250℃以上時，抗彎強(qiáng)度不會再超過一定值。因此，發(fā)明人也認(rèn)識到，在取加熱溫度為1250℃左右的場合下，在確保鐵軌所需的抗彎強(qiáng)度的同時，獲得了也與疲勞強(qiáng)度相關(guān)地足以讓人滿意的值。
即，鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所包含的上述課題，本發(fā)明提出了應(yīng)適當(dāng)解決這個課題的技術(shù)方案。本發(fā)明的目的是提供一種可以進(jìn)行錳合金鋼鐵軌和碳素鋼鐵軌的穩(wěn)定接合的并且能夠減少工序而降低成本的鐵軌接合方法機(jī)接合鐵軌。
解決上述課題并合理實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的的本發(fā)明的鐵軌接合方法是接合錳合金鋼鐵軌和碳素鋼的方法，其特點(diǎn)是，在錳合金鋼鐵軌接合端面和由奧氏體系金屬材料制成的且具有理想厚度的中間材料之間插入其熔點(diǎn)比錳合金鋼鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的第一嵌件地對接的同時，在所述碳素鋼鐵軌接合端面和所述中間材料之間插入其熔點(diǎn)比碳素鋼鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的第二嵌件地對接的狀態(tài)下，在這兩個接合面上施加所需壓力并把接合部附近加熱到這兩個嵌件的熔點(diǎn)以上且比這兩段鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的預(yù)定溫度并保持在該溫度上，由此通過該中間材料接合錳合金鋼鐵軌和碳素鋼鐵軌。
此外，解決上述課題并合理實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的的本發(fā)明另一個技術(shù)方案的接合鐵軌是一種接合錳合金鋼鐵軌與碳素鋼鐵軌而成的接合鐵軌，其特征是，在錳合金鋼鐵軌接合端面和由奧氏體系金屬材料制成的且具有理想厚度的中間材料之間插入其熔點(diǎn)比錳合金鋼鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的第一嵌件地對接的同時，在碳素鋼鐵軌接合端面和中間材料之間插入其熔點(diǎn)比碳素鋼鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的第二嵌件地對接的狀態(tài)下，在這兩個接合面上施加所需壓力并把接合部附近加熱到這兩個嵌件的熔點(diǎn)以上且比這兩段鐵軌和中間材料的熔點(diǎn)低的預(yù)定溫度并保持在該溫度上，由此通過該中間材料接合錳合金鋼鐵軌和碳素鋼鐵軌。


圖1是根據(jù)一個實(shí)施例的鐵軌接合方法的工程圖。
圖2是在根據(jù)實(shí)施例的接合方法中通過液相擴(kuò)散接合法接合兩段鐵軌的說明圖。
圖1表示根據(jù)一個實(shí)施例的接合方法過程，在接合作為錳合金鋼鐵軌的錳合金鋼轍叉10和碳素鋼12時，在這兩段鐵軌10、12的接合端面之間插入中間材料14和一對夾住中間材料14的嵌件16、18。就是說，在錳合金鋼轍叉10和中間材料14相對的端面之間插入其熔點(diǎn)比錳合金鋼轍叉10和中間材料的熔點(diǎn)14低的第一嵌件16并使它們對接。而在碳素鋼鐵軌12和中間材料14的相對端面之間插入其熔點(diǎn)比碳素鋼鐵軌12和中間材料14的熔點(diǎn)低的第二嵌件18并使它們對接。
中間材料14是這樣的具有所需厚度的板材，即它由在錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12上通過設(shè)置各嵌件16、18而獲得良好接合的奧氏體金系金屬材料構(gòu)成并且被制成與這兩段鐵軌10、12的接合端面一樣的形狀，其厚度最好為2毫米以上并優(yōu)選為6毫米以上。此外，在接合奧氏體系錳合金鋼轍叉10和鐵素體系碳素鋼鐵軌12的實(shí)施例中，雖然最好把如奧氏體系不銹鋼、雙相不銹鋼、奧氏體系鎳基超合金和錳鋼用作中間材料14的材料，但如果是奧氏體系金屬材料，則其它材料也可行。此外，響應(yīng)于碳化物穩(wěn)定化、晶界穩(wěn)定化、強(qiáng)度提高、奧氏體穩(wěn)定化等目的地在上述各材料中添力Ti、Nb、B、V、W、Co等添加物，也可以按所需比例添加一種或兩種以上元素。其中，Ti、Nb有利于碳化物的穩(wěn)定化，B有利于晶界穩(wěn)定化，V有利于強(qiáng)度提高和碳化物的穩(wěn)定化，W有利于強(qiáng)度提高，Co有利于奧氏體的穩(wěn)定化。
此外，作為第一嵌件和第二嵌件16、18，優(yōu)選具有40微米厚度的這樣的板材(非晶態(tài)合金箔)，即它由其熔點(diǎn)比是錳合金鋼轍叉10的母材的高錳鑄鋼的熔點(diǎn)(1375℃)和是碳素鋼鐵軌12的母材的碳素鋼的熔點(diǎn)(1470℃)低的鎳硅硼合金(熔點(diǎn)1040℃)和鎳鉻硅硼合金(熔點(diǎn)1135℃)等鎳硅硼系合金制成并且同中間材料16一樣地被制成與兩段鐵軌10、12的接合端面一樣的形狀，但不局限于此，如果其它材料具有比兩段鐵軌10、12和中間材料14的熔點(diǎn)低的熔點(diǎn)，則也能使用它。與在接合碳素鋼鐵軌12和中間材料時使用的第二嵌件18有關(guān)地，不局限于鎳合金地可以使用鐵合金。此外，兩段鐵軌10、12的接合表面的粗糙度最好為Rmax≤100微米。
如上所述，在相互對接錳合金鋼轍叉10、第一嵌件16、中間材料14、第二嵌件18及碳素鋼鐵軌12的狀態(tài)下，如圖2所示，在各接合面上施加理想壓力P的同時，如通過高頻感應(yīng)線圈20把其接合部附近加熱到在兩個嵌件16、18的熔點(diǎn)以上且比錳合金鋼轍叉10、碳素鋼鐵軌12和中間材料14的熔點(diǎn)低即具體地說是錳合金鋼轍叉10的固相線溫度的1280℃低的預(yù)定加熱溫度T，并將該加熱溫度T保持預(yù)定時間S，由此一來，獲得了錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12通過中間材料14接合而成的接合鐵軌22。為了獲得碳素鋼12和中間材料14的接合部的高抗彎強(qiáng)度，作為上述加熱溫度T地最好是約1250℃，但由于由鐵軌形狀等引起的溫度分布差有30℃，優(yōu)選加熱溫度為1220℃。
即，通過用線圈20加熱而熔融的第一嵌件16擴(kuò)散到錳合金鋼轍叉10和中間材料14的端部，由此在金屬復(fù)合兩者10、14的同時，同樣通過用線圈20加熱而熔融的第二嵌件18向碳素鋼鐵軌12和中間材料14的端部擴(kuò)散，由此將兩者12、14金屬復(fù)合在一起。在這種場合下，如上所述地，取加熱溫度T為比錳合金鋼轍叉10的固相線溫度1280℃低的溫度，這也能確保碳素鋼鐵軌12和中間材料14之間獲得所必需的充分的接合強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度)。因此，實(shí)現(xiàn)了錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12的牢固接合。此外，根據(jù)這樣的液相擴(kuò)散接合方法，縮短了加熱時間，由于在短時間內(nèi)降低溫度，所以，沒有產(chǎn)生錳合金鋼轍叉10的熱脆化。
因此，所述液相擴(kuò)散接合方法是在這樣的狀態(tài)下進(jìn)行的，即給兩段鐵軌10、12的接合部位提供氬氣等惰性氣體，使接合部位附近處于非氧化性氣氛下。此外，優(yōu)選以下接合條件，即加熱溫度T為(熔點(diǎn)1050℃≤T≤1250℃，施加在接合面上的壓力P為1MPa≤P≤20Mpa，加熱溫度T的保持時間S為1分鐘≤S≤10分鐘。
就是說，由于在一個工序中接合錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12，所以能夠縮短接合所需的時間，從而存在經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)。此外，中間材料14以通過各嵌件16、18良好接合錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12的金屬為材料，從而穩(wěn)定了由此獲得的接合鐵軌22的接合部的抗彎強(qiáng)度。
此外，根據(jù)分兩步進(jìn)行錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12的接合的現(xiàn)有技術(shù)，由于總是對碳素鋼鐵軌12和中間材料14進(jìn)行兩次加熱，恐怕會因兩次加熱產(chǎn)生熱脆化。因此，根據(jù)本實(shí)施例的接合方法，由于只對兩段鐵軌10、12和中間材料14進(jìn)行一次加熱，所以進(jìn)一步抑制了熱脆化的發(fā)生。
在上述接合鐵軌22中，是奧氏體系金屬材料的錳合金鋼轍叉10容易撓曲，是鐵素體系金屬材料的碳素鋼鐵軌12難于撓曲，在車輛通過等時施加給其接合部的彎曲負(fù)荷恐怕會集中在碳素鋼鐵軌12側(cè)的接合部上。因此，根據(jù)該實(shí)施例的接合鐵軌22，由于在錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12之間插入具有所需厚度的中間材料14，所以接合部的厚度增大，能夠使集中在該接合部上的彎曲負(fù)荷分散。
接著，如上所述地獲得的接合鐵軌22的錳合金鋼轍叉10和碳素鋼鐵軌12之間的接合部被加熱到相變溫度以下的溫度并在該溫度下保持一定時間，隨后進(jìn)行緩冷的消除應(yīng)力退火處理(后熱處理)。由此一來，除去了在該接合部上的應(yīng)力。作為該消除應(yīng)力退火處理地，例如最好采用以下條件，即350℃-900℃的再加熱→在相同溫度下保持0.1小時-5小時→緩冷。此外，對經(jīng)過消除應(yīng)力退火處理的錳合金綱轍叉10和碳素鋼12之間的接合部進(jìn)行噴丸處理，由此提高接合部的疲勞強(qiáng)度。此外，即便不進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理地對接合部進(jìn)行噴丸處理，也提高了接合部的疲勞強(qiáng)度。
實(shí)例利用由下述材料構(gòu)成的中間材料和嵌件，在以下所示的條件下并在一個工序中接合具有與錳合金鋼轍叉相同材料的第一試樣片、具有與碳素鋼鐵軌一樣的材料的第二試樣片，在表1中列出了如此獲得的試樣(發(fā)明例)的抗彎強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的試驗結(jié)果。在表1中也列出了分兩步進(jìn)行第一試樣片和第二試樣片的接合的試樣(對比例)的抗彎強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的試驗結(jié)果。
1、第一試樣片，60K(生)的錳合金鑄鋼(ScMnH3JIS G 5131)2、第二試樣片，60K(生)的碳素鋼(S55CJISG4051)，(生)意味著未經(jīng)過熱處理的鐵軌。
3、中間材料材料組成SUS347C 0.08，Si 1.00，Mn 2.00，P 0.045，S 0.030，Ni＝9.00-13.00，Cr＝17.00-19.00，Nb 10×C％，厚度＝6毫米。
4、試樣片表面的粗糙度(Rmax)6微米。
5、第一嵌件(非晶態(tài)合金箔鎳系MBF-20)組成82.3wt％Ni-4.5wt％Si-3.2wt％B-3.0wt％Fe-7.0wt％Cr(Bni-2JIS Z 3265)厚度40微米，熔點(diǎn)1040℃。
6、第二嵌件(非晶態(tài)合金箔鐵系2605S-C)組成81.0wt％Fe-13.5wt％B-3.5wt％Si-2.0wt％C厚度為40微米，熔點(diǎn)1150℃。
7、發(fā)明例的接合條件加熱溫度為1220℃，加熱方法為高頻感應(yīng)加熱(1.8/3.5KHz)，壓力為1.5Pa，保持時間為4分鐘。
8、對比例的結(jié)合條件第一次(第二試樣片和中間材料的接合)加熱溫度為1250℃-1310℃，加熱方法為高頻感應(yīng)加熱(1.8/3.5KHz)，壓力為1.5Pa，保持時間為4分鐘。
第二次(第一試樣片和中間材料的接合)加熱溫度為1250℃-1310℃，加熱方法為高頻感應(yīng)加熱(1.8/3.5KHz)，壓力為1.5Pa，保持時間為4分鐘。表1

根據(jù)上述結(jié)果，與分兩步進(jìn)行兩個試樣片的接合的方法相比，根據(jù)在一個工序中進(jìn)行接合的發(fā)明例，獲得了抗彎強(qiáng)度降低一些且與疲勞強(qiáng)度有關(guān)地獲得了同樣結(jié)果。即，即使在一個工序中進(jìn)行兩個試樣片的接合，接合強(qiáng)度也沒有明顯降低，獲得了所需的充分強(qiáng)度。因此，由于減少工序數(shù)，所以提高了效率。
在把與第一嵌件一樣的鐵系2605S-C用作第二嵌件的場合下，應(yīng)力振幅根據(jù)疲勞強(qiáng)度而成為28kgf/mm2，而強(qiáng)度比鎳系的MFB-20更高。
盡管在該實(shí)施例中作為錳合金鋼鐵軌地說明了用于道岔的轍叉，但也可以是其它部位的鐵軌。
發(fā)明效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明的鐵軌接合方法及接合鐵軌，由于在一個工序中接合錳合金鋼鐵軌和碳素鋼鐵軌，所以減少了工序數(shù)并由此能降低成本。而且，由于通過中間材料接合這兩段鐵軌，所以縮小了每個產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度差異，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。此外，由于通過中間材料明顯增加了接合部的厚度，所以能夠防止彎曲負(fù)荷集中在接合部上。
權(quán)利要求
1.一種接合錳合金鋼鐵軌(10)與碳素鋼鐵軌(12)的方法，其特征在于，在所述錳合金鋼鐵軌(10)的接合端面和由奧氏體系金屬材料制成的且具有理想厚度的中間材料(14)之間插入其熔點(diǎn)比錳合金鋼鐵軌(10)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的第一嵌件(16)地對接的同時，在所述碳素鋼鐵軌(12)的接合端面和所述中間材料(14)之間插入其熔點(diǎn)比碳素鋼鐵軌(12)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的第二嵌件(18)地對接的狀態(tài)下，在這兩個接合面上施加所需壓力并把接合部附近加熱到這兩個嵌件(16，18)的熔點(diǎn)以上且比這兩段鐵軌(10，12)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的預(yù)定溫度并保持在該溫度上，由此通過該中間材料(14)接合錳合金鋼鐵軌(10)和碳素鋼鐵軌(12)。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵軌接合方法，其特征在于，所述中間材料(14)是鎳鉻系不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳基超合金鋼和錳鋼中的任何一種。
3.一種接合錳合金鋼鐵軌(10)與碳素鋼鐵軌(12)而成的接合鐵軌，其特征在于，在所述錳合金鋼鐵軌(10)的接合端面和由奧氏體系金屬材料制成的且具有理想厚度的中間材料(14)之間插入其熔點(diǎn)比錳合金鋼鐵軌(10)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的第一嵌件(16)地對接的同時，在所述碳素鋼鐵軌(12)的接合端面和所述中間材料(14)之間插入其熔點(diǎn)比碳素鋼鐵軌(12)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的第二嵌件(18)地對接的狀態(tài)下，在這兩個接合面上施加所需壓力并把接合部附近加熱到這兩個嵌件(16，18)的熔點(diǎn)以上且比這兩段鐵軌(10，12)和中間材料(14)的熔點(diǎn)低的預(yù)定溫度并保持在該溫度上，由此通過該中間材料(14)接合錳合金鋼鐵軌(10)和碳素鋼鐵軌(12)。
4.如權(quán)利要求3所述的接合鐵軌，其特征在于，所述中間材料(14)是鎳鉻系不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳基超合金鋼和錳鋼中的任何一種。
全文摘要
鐵軌接合方法和接合鐵軌。在錳合金鋼鐵軌10和碳素鋼鐵軌12之間的接合端面之間,插入中間材料14和一對夾住中間材料14的嵌件16、18。在相互對接在錳合金鋼鐵軌10、第一嵌件16、中間材料14、第二嵌件18及碳素鋼12的狀態(tài)下,在對各接合面施加所需壓力P的同時,把接合部附近加熱到兩個嵌件16、18的熔點(diǎn)以上且比這兩段鐵軌10、12和中間材料14的熔點(diǎn)低的加熱溫度T并將加熱溫度T保持預(yù)定時間S。由此一來,獲得了通過中間材料14接合錳合金鋼鐵軌10和碳素鋼鐵軌12而成的接合鐵軌22。
文檔編號E01B5/00GK1378896SQ02104979
公開日2002年11月13日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者石島圭三, 堀尾浩次 申請人:大同特殊鋼株式會社