CN100413990C - 铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢及其制造方法，它属于MnSiCrNiW系低合金钢，其化学成分(wt%)为：C 0.18～0.40，Mn 1.0～3.0，Si 0.3～2.5，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W0.4～2.0，S＜0.03，P＜0.03，其余为Fe。采用电炉冶炼，浇注后钢锭在模中缓冷至室温。锻造后经过两次热处理：锻后热处理和最终热处理，最终热处理后的组织为无碳化物贝氏体和少量残余奥氏体。最终热处理后性能：σb≥1300MPa，σs≥1100MPa，δ5≥8%，aK≥70J/cm2，aK(-40℃)≥35J/cm2，HRC 38-45。使用这种钢制作的铁路辙叉使用寿命比目前广泛使用的ZGMn13钢辙叉提高50%以上，过载量可达3亿吨以上。

Description

铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种铁路辙叉专用含钨贝氏体钢，它需经过锻造后使用。
背景技术
ZGMn13奥氏体高锰钢是英国工程师Hadfield于1882年9月发明的，它的第一个用途就是于1892年用于制作电车轨道的辙叉，从此，100多年来世界上几乎所有的铁路辙叉都是由这种材料制作。最初Hadfield公布的ZGMn13的化学成分是：C 1.35％、Si 0.69％、Mn 12.76％，目前。公认的ZGMn13钢的化学成分范围为C 1.0-1.4％，Mn 11-14％，其余为铁和少量杂质如Si、S、P等。我国生产的ZGMn13钢辙叉的平均过载量为1.5亿吨，美国及欧洲一些发达国家生产的ZGMn13钢辙叉的平均使用寿命可达2亿吨以上。随着社会发展和铁路运输速度的提高，人们对铁路辙叉使用寿命提出更高的要求。因此人们从进一步提高原ZGMn13钢辙叉使用寿命和寻求新的辙叉材料等方面展开了广泛的研究，出现了许多新的研究成果。如世界专利WO0136698、加拿大专利CA2159358、美国专利4514235、中国专利CN02157927.X和CN98124899.3等等。纵观这些研究成果和实际使用效果，可以说目前世界上关于铁路辙叉选材方面主要有两大流派，其一是奥氏体高锰钢，即在原有高锰钢的基础上利用冶金、铸造、热处理和机械强化等工艺方法进一步提高其使用寿命；其二是主要组织为贝氏体的中低碳低合金钢。
贝氏体钢因其具有高的强度、适当的韧度和硬度使其表现出优良的抗接触疲劳和耐磨性能，尤其是它具有优异的焊接工艺性能，使它成为制作新型高速铁路用辙叉的理想材料之一。因此，目前它在制作铁路辙叉方面有了越来越广泛的应用，并且有逐渐代替传统高锰钢辙叉的势头。中国专利CN02157927.X公布了一种贝氏体钢电渣熔铸复合辙叉心轨，其制作的工艺流程为：备料→电渣熔铸复合→机加工→热处理→探伤→成品；其结构为由无碳化物贝氏体钢辙叉心轨和普通钢轨即叉根轨复合组成的；心轨主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、Ni，附以微量元素V和Nb，其余为Fe。中国专利CN98124899.3公布一种铁道辙叉专用材料，发明者把它命名为铁道辙叉专用超高韧可焊接空冷鸿康贝氏体钢，此发明以Mn、Si为主要合金元素，辅以Cr、Ni、Mo等元素，经奥氏体化后空冷即可到贝氏体/马氏体复相组织；其基础化学成分为(Wt％)：C 0.10～0.65、Si ≤2.65、Mn 0.50～3.20、Cr 0.20～2.80、Ni≤3.50、Mo ≤2.00、余下是Fe。中国的另一项研究成果报道了“新一代高性能新型合金钢新材料”，它是以Si和Mn为主要合金元素，Cr、Mo、Ni为辅，辅以Re、V、Ti变质的铁路道岔心轨，具体化学成分为：0.25～0.4％C、1.0～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、1.0～2.0％Cr、0.3～0.8％Mo、0.3～1.0％Ni，以及微量的Re、B、V、Ti。这种钢用锻造方法成型，正火或退火态获得贝氏体组织。使用状态下钢的机械性能指标为：抗拉强度σb1240～1360MPa、屈服强度σs≥1100MPa、延伸率δ5≥8％、室温冲击韧性≥75J/cm2、低温冲击韧性≥40J/cm2(-40℃)、硬度HRC37～42。
从目前所公开的铁路辙叉专用贝氏体钢的化学成分看，其中都存在合金元素Si和Mo且含有微合金元素V、Nb、Ti或B等。然而世界上Mo资源日趋匮乏，尤其是近年来，西方发达国家利用含Mo的肥料种植食用牛吃的草，使Mo资源更加紧张。因此，目前大量的研究集中在利用W代替Mo。因为，研究表明W对钢的珠光体和贝氏体相变都有很大的影响，并且可显著阻碍奥氏体晶界碳化物的析出，其作用类似于Mo，从降低钢的回火脆性和阻碍珠光体转变角度讲，公认的观点是W的作用相当于Mo的一半。我国是世界上W资源富饶的国家之一，因此研究含W钢具有实际意义。然而，W作为合金化元素在钢贝氏体中的使用相对较少。本发明提出一种含钨的贝氏体锻钢，经过热处理，获得综合力学性能优异的材料，用于制作使用安全性和寿命更高的铁路辙叉。
发明内容
本发明在系统研究了W含量以及热处理工艺，尤其是锻后热处理工艺对MnSi系贝氏体钢组织和常规力学性能的基础上，提供一种新型耐磨耐疲劳铁路辙叉专用含钨贝氏体钢及其制造方法，该钢经过锻造后使用。特别强调的是，本发明贝氏体钢完全不存在氢脆现象，因此，其作为塑性指标之一的延伸率得以大幅度提高，从而使铁路辙叉的安全性得到提高，这也正是目前公布的有关贝氏体钢辙叉专利所没有充分考虑到的。
本发明所采用的技术方案是：
铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢的化学成分(wt％)为：C 0.18～0.40，Mn 1.0～3.0，Si 0.3～2.5，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，S＜0.03，P＜0.03，其余为Fe。
铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢的冶炼制造工艺过程为：
电炉冶炼工艺为：出钢温度和浇注温度与一般中碳低合金钢相同；在冶炼时，合金元素(相应铁合金)由先到后的加入顺序为：钨铁、镍铁、硅铁、铬铁、锰铁，然后浇注成钢锭。
锻造工艺为：钢锭的加热速度≤120℃/h，加热温度1150-1250℃，始锻温度1150-1220℃，终锻温度≥850℃。
最终热处理工艺为：首先将锻件加热到850℃～950℃进行正火处理，然后再加热到300℃～400℃进行回火处理。
本发明的有益效果是：最终热处理后钢的组织为无碳化物贝氏体和少量残余奥氏体。钢使用状态的常规力学性能为：σb≥1300MPa，σs≥1100MPa，δ5≥8％，aK≥70J/cm2，aK(-40℃)≥35J/cm2，HRC 38-45。这种铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢制造的铁路辙叉的使用寿命比目前使用的普通ZGMn13钢辙叉提高50％以上，过载量可达3亿吨以上。
具体实施方式
实施例1
铁路辙叉专用含钨贝氏体钢的其化学成分(wt％)为：C 0.25，Mn 1.81，Si1.54，Ni 0.35，Cr1.51，W 0.85，S 0.021，P＜0.018，其余为Fe。锻造工艺为：钢锭的加热速度100℃/h，加热温度1220℃，始锻温度1200℃，终锻温度950℃。最终热处理工艺为：将钢加热到920℃进行正火处理，然后再加热到400℃进行回火处理。锻件尺寸为120×200×1000mm，锻件表面下30mm处取样，机械性能为：σb＝1360MPa，σ0.2＝1120MPa，σ5＝16％，aK＝102J/cm2。
实施例2
铁路辙叉专用含钨贝氏体钢的其化学成分(wt％)为：C 0.28，Mn 1.57，Si1.68，Ni 0.34，Cr 1.65，W 0.95，S 0.023，P 0.022，其余为Fe。锻造工艺及热处理工艺同实施例1。锻件尺寸为120×200×1000mm，锻件表面下30mm处取样，机械性能为：σb＝1330MPa，σ0.2＝1105MPa，σ5＝18％，aK＝92J/cm2。

Claims (2)

1. 一种铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢，其特征是：
铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢的化学成分为wt％：C 0.18～0.40，Mn1.0～3.0，Si 0.3～2.5，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W0.4～2.0，S＜0.03，P＜0.03，其余为Fe；使用状态钢的常规力学性能为：σb≥1300MPa，σs≥1100MPa，δ5≥8％，aK≥70J/cm2，aK(-40℃)≥35J/cm2，HRC 38-45。
2. 一种制造权利要求1所述的铁路辙叉专用含钨贝氏体锻钢的方法为：
(1)电炉冶炼，其冶炼工艺为：出钢温度和浇注温度与一般中碳低合金钢相同；在冶炼时，合金元素由先到后的加入顺序为：钨铁、镍铁、硅铁、铬铁、锰铁，然后浇注成钢锭；钢锭需要在锭模中缓慢冷却到室温出模；
(2)锻造工艺为：钢锭的加热速度≤120℃/h，加热温度1150-1250℃，始锻温度1150-1220℃，终锻温度≥850℃；
(3)最终热处理工艺为：首先将锻件加热到850℃～950℃进行正火处理，然后再加热到300℃～400℃进行回火处理，得到无碳化物贝氏体和少量残余奥氏体组织。
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