CN101736658B - 高氮奥氏体钢高速铁路辙叉及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高氮奥氏体钢高速铁路辙叉，其化学成分(wt％)为：C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0、W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余为Fe。上述辙叉的制造方法是：向电炉内加入钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等；在0.2～0.6MPa氮气的压力，温度1600～1650℃，熔炼时间5～10min后浇注成钢锭；锻造时钢锭的加热速度≤100℃/h，加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1180℃，终锻温度≥900℃；将锻件加热到1050℃～1100℃保温2～3小时水淬。本发明的这种辙叉常规力学性能为σb≥1000MPa、σs≥500MPa、δ5≥30％、aK≥250J/cm2、aK(-40℃)≥180J/cm2和HB≥280；使用寿命和过载量提高1倍以上，耐磨损性能和抗滚动接触疲劳性能优异。
Description
技术领域 本发明涉及一种钢铁材料及其加工方法，特别是高速、重载铁路辙叉专用耐磨高氮奥氏体锰钢及其制造方法。
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。目前，我国生产的ZGMn13钢辙叉的平均使用寿命(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。
法国研制了一种铸造含Mo高锰钢辙叉，它可以在不经过热处理的铸态条件下使用，同时，如果辙叉和钢轨焊接，焊后不需要固溶处理。这种高锰钢辙叉成分为C 0.7～0.9、Mn 13～15、Mo 1.0～1.8、Si≤1.0。前苏联利用0.02～0.09％N和0.25～1.0％Al对高锰钢进行再合金化处理，其水韧处理态和冷变形态的力学性能均明显增高，从而有效地提高高锰钢辙叉的使用寿命。另外，他们还利用Cr和Nb对高锰钢进行再合金化处理研制出FeCrMnNbC合金，利用该高锰钢铸造的铁路辙叉，其使用寿命为普通高锰钢辙叉的2倍，同时，铸造高锰钢辙叉的废品率大大降低。美国发明了一种新型铁路辙叉用高锰钢铸件，其成分为C 0.85、Mn 14、Si 0.6、Cr 4、Ni 3.6、V 0.4，它是在原高锰钢基础上，利用Cr、Ni和V对高锰钢进行再合金化处理，同时钢中的碳含量降低到普通高锰钢以下的水平。这种高锰钢使用寿命相对于普通高锰钢辙叉有大幅度提高。另外，美国还发明一种利用Ni、V、Ti微合金化的奥氏体锰钢铸件，这种奥氏体锰钢的成份为(wt％)：Mn11.0～24.0、C 1.0～1.4、Si≥1、Cr≥1.9、Ni≥0.25、Mo≥1.0、Al≥0.2、Cu≥0.25、杂质P≤0.07、S≤0.06，微合金Ti、Nb、V的加入量分别约为0.020～0.070，N大约为0.001～0.01。并且，微合金化Ti+Nb+V+N元素的总和不小于0.05％，不超过0.22％，碳和微合金元素
总和的比率范围为10∶1～25∶1。加拿大开展了对高锰钢进行V再合金化处理的研究工作，研究发现，高锰钢的耐磨性能在V含量为2％时达到最佳值，其耐磨性能可达到普通高锰钢的5倍。此外，德国在高锰钢中加入0.5％的钒，使高锰钢的屈服极限从380N/mm2提高到425N/mm2。英国在高锰钢中加入0.05～0.2％的铝，提高了高锰钢的耐磨性，而对其韧性和塑性影响不大，利用这种方法提高高锰钢辙叉的使用寿命。
我国对铁路辙叉用高锰钢也进行了大量的实验室研究和生产实践。有人通过加入Cu或者V、Ti等进行再合金化处理，从而提高高锰钢辙叉的使用性能。燕山大学利用再合金化的原理开发了一种加工硬化能力高、自减摩性能好的铁路辙叉专用高锰钢，其化学成分为wt％：C 1.0～1.2、Mn 11～13、N 0.04～0.08、Cr 1.5～2.5、Cu 0.8～1.0、Re 0.1～0.3。
纵观以上关于高锰钢辙叉再合金化方案，人们已经采用了的再合金化元素有Cr、Ni、Mo、V、Al、Cu和N等，它们会使高锰钢叉某一方面的性能有所提高，但都不能适应目前高速、重载铁路辙叉恶劣的服役条件。
发明内容 本发明的目的在于提供一种耐磨、耐疲劳的适合高速、重载铁路使用条件的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉及其制造方法。本发明主要是①采用超出高锰钢极限溶解量的N对高锰钢进行再合金化，并且又利用Cr、W和Al对高锰钢再合金化处理，②采用氮气压力条件下熔炼，从而使高锰钢中的氮含量达到高于其极限溶解氮含量的水平。
本发明的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉其化学成分(wt％)为：C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0 W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余为Fe。
本发明的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉的制造方法如下：
1、加料：向电炉内加入工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝等合金及金属原料，最好由先到后的加入顺序为：工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝；
2、熔炼：将电炉抽真空，然后充氮，在氮气保护气氛下熔炼钢液，氮气的压力0.2～0.6MPa，熔炼温度1600～1650℃，熔炼时间5～10min，熔炼完毕后浇注成钢锭；
3、锻造：钢锭的加热速度≤100℃/h，加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1180℃，终锻温度≥900℃；
4、热处理：将锻件加热到1050℃～1100℃保温2～3h水淬，得到本发明的单相奥氏体组织高氮奥氏体钢。
本发明与现有技术相比具有如下优点：在通常情况下，高锰钢中氮的加入量严格受到氮在其中的溶解度限制，由于本发明采用了氮气压力条件下熔炼，从而使高锰钢中的氮含量达到很高的水平。该高氮高锰钢具有非常高的加工硬化性能、非常高的抗滚动接触疲劳性能、非常好的耐磨性能、很好的抗大气腐蚀性能，尤其是，氮与钨和铝共同作用，使高氮高锰钢辙叉具有非常卓越的使用性能。
1、使用状态的这种辙叉专用材料组织状态为单相奥氏体，常规力学性能达到σb≥1000MPa、σs≥500MPa、δ5≥30％、aK≥250J/cm2、aK(-40℃)≥180J/cm2和HB≥280。
2、本发明的高氮奥氏体锻钢辙叉的使用寿命比目前使用的普通ZGMn13钢辙叉提高1倍以上，比贝氏体钢辙叉的使用寿命提高50％以上，过载量可达3亿吨以上。
3、本发明的高氮奥氏体钢具有十分优异的耐磨损性能和抗滚动接触疲劳性能，是一种十分优异的制造高速、重载铁路辙叉的专用材料。
具体实施方式
实施例1
首先将有关原材料按照工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝顺序加入到电炉中，将电炉抽真空然后充氮，氮气的压力0.26MPa，加热原料使其全部熔化，控制炉内物料的温度在1610℃，维持6min出钢；将上述钢水浇注成钢锭，该钢锭的化学成分(wt％)为：C 0.72、Mn 12.55、Al 0.50、N 0.22、Cr 5.58、W 0.65、Si 0.45、S 0.015、P 0.018、其余为Fe。锻造时钢锭的加热速度60℃/h，加热温度1200℃，始锻温度1180℃，终锻温度900℃。热处理时将钢加热到1100℃保温2小时水淬处理，得到尺寸为120×200×1000mm本发明产品，在产品表面下30mm处取样测试，其机械性能为：σb＝1025MPa、σs＝616MPa、δ5＝35％、aKU＝257J/cm2、HB290。
实施例2
首先将有关原材料按照工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝顺序加入到电炉中，将电炉抽真空然后充氮，氮气的压力0.58MPa，加热原料使其全部熔化，控制炉内物料的温度在1645℃，维持9min出钢；将上述钢水浇注成钢锭，该钢锭的化学成分(wt％)为：C 0.75、Mn 11.77、Al 0.48、N 0.39、Cr 4.67、W 1.0、Si 0.45、S 0.011、P 0.009、其余为Fe。锻造时钢锭的加热速度50℃/h，加热温度1180℃，始锻温度1150℃，终锻温度950℃。热处理时将钢加热到1050℃保温3h水淬处理，得到尺寸为120×200×1000mm本发明产品，在产品表面下50mm处取样测试，其机械性能为：σb＝1108MPa、σs＝621MPa、δ5＝36％、aKU＝275J/cm2、aKU(-40℃)＝198J/cm2、HB303。
实施例3
首先将有关原材料按照工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝顺序加入到电炉中，将电炉抽真空然后充氮，氮气的压力0.31MPa，加热原料使其全部熔化，控制炉内物料的温度在1630℃，维持8min出钢；将上述钢水浇注成钢锭，该钢锭的化学成分(wt％)为：C 0.63、Mn 13.72、Al 0.38、N 0.28、Cr 5.62、W 0.73、Si 0.55、S 0.012、P 0.006、其余为Fe。锻造时钢锭的加热速度90℃/h，加热温度1200℃，始锻温度1180℃，终锻温度920℃。热处理时将钢加热到1100℃保温2.5h水淬处理，得到尺寸为120×200×1000mm本发明产品，在产品表面下40mm处取样测试，其机械性能为：σb＝1045MPa、σs＝581MPa、δ5＝38％、aKU＝286J/cm2、aKU(-40℃)＝182J/cm2、HB305。将该锻钢机械加工成60kg/m型辙叉心轨，拼装成3棵高速铁路辙叉，每棵辙叉的平均过载量为3.3亿吨。
实施例4
首先将有关原材料按照工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝顺序加入到电炉中，将电炉抽真空然后充氮，氮气的压力0.48MPa，加热原料使其全部熔化，控制炉内物料的温度在1640℃，维持9min出钢；将上述钢水浇注成钢锭，该钢锭的化学成分(wt％)为：C 0.66、Mn 13.62、Al 0.44、N 0.36、Cr 5.89、W 0.61、Si 0.62、S 0.006、P 0.015、其余为Fe。锻造时钢锭的加热速度70℃/h，加热温度1200℃，始锻温度1180℃，终锻温度930℃。热处理时将钢加热到1080℃保温3h水淬处理，得到尺寸为120×200×1000mm本发明产品，在产品表面下40mm处取样测试，其机械性能为：σb＝1145MPa、σs＝623MPa、δ5＝38％、aKU＝258J/cm2、aKU(-40℃)＝209J/cm2、HB307。将该锻钢机械加工成60kg/m型辙叉心轨，拼装成2棵高速铁路辙叉，每棵辙叉的平均过载量为3.4亿吨。
Claims (3)
1.一种高氮奥氏体钢高速铁路辙叉，其特征在于：其化学成分wt％为：C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0、W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余为Fe。
2.上述权利要求1所述的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉制造方法，其特征在于：
(1)向电炉内加入工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝；
(2)将电炉抽真空，然后充氮，在氮气保护气氛下熔炼钢液，氮气的压力0.2～0.6MPa，熔炼温度1600～1650℃，熔炼时间5～10min，熔炼完毕后浇注成钢锭；
(3)锻造时钢锭的加热速度≤100℃/h，加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1180℃，终锻温度≥900℃；
(4)将锻件加热到1050℃～1100℃保温2～3h水淬，得到单相奥氏体组织高氮奥氏体钢。
3.根据权利要求2所述的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉制造方法，其特征在于：加入合金及金属由先到后的加入顺序为：工业纯铁、钨铁、铬铁、锰铁、工业纯铝。
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