CN101824584B - 高性能粒状贝氏体心轨钢及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种高性能粒状贝氏体心轨钢及生产工艺，属于冶金制造技术领域。其原料配方配比为：C：0.19％～0.28％；Si：1.20％～1.70％；Mn：1.60％～2.20％；Ni：0.40％-0.80％；Mo：0.45％～0.80％；P≤0.018％；S≤0.01％；Cu≤0.20％；Cr：1.20％～1.80％，V：0.04％～0.18％；工业纯铁92.362％～95.02％。其重点制造工艺包括：(1)中频冶炼，制取电极锭(2)电渣重熔，制取电渣锭(3)对锻件进行扩氢处理(4)、对锻件进行正火、回火处理。本发明化学成份配比合理，制造成本低，合金化效果好；锻造比变大，金属组织的致密度良好；产品各相性能指标均达到或超过了国内外同类产品水品。

Description

高性能粒状贝氏体心轨钢及生产工艺

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域。

背景技术

世界经济的发展，尤其是国内经济的快速发展，人口流动量和货物周转量急剧攀升，这就对承担着60%以上运输任务的铁路列车提出了更高的要求。我国为了适应国内经济快速发展的需要，在最近几年内先后进行了六次大提速，近期国家又确立了大力发展高速铁路的中长期战略目标和规划，然而，随着列车运行速度的提高，必将带来更大的惯性，产生更大的冲击和颠簸，为了保证高速列车的安全性和可靠性，这就对辙叉心轨提出了更高的要求。

国内现行辙叉为整铸型辙叉，即采用整体铸造的形式将心轨、翼轨、叉跟轨及其他部件铸造在一起，称为高锰钢辙叉，这种结构形式的高锰钢弊端是：

①化学成分匹配不合理、合金化效果差，如常用的ZGMn13的化学成分范围是：C 1.00-1.45 ；Mn11.0-14.00 ；Si 0.30-1.00 其余为少量元素如Cr、 Mo、S、P等，这种成分配方所组成的材料，C含量较高，冲击性能差、强度低、抗疲劳性能差，不适应于该产品的工作环境。

 ②由于整铸型高锰钢辙叉结构形式复杂，其工艺决定了在浇注时钢液的流动性差异很大，结晶时差较大，必然造成其组织致密度很差，晶粒粗大无法消除，疏松、气孔、夹杂等铸造缺陷在所难免，这就必将造成其性能指标如强度、塑性、韧性、冲击、耐磨、疲劳等较低，导致使用寿命低。目前，平均使用寿命在1亿吨左右，这样的使用寿命给繁忙的铁路运输带来了一系列问题。

a、在正线铁路轨道，一般1年需更换2次，这样的频繁更换影响正常的铁路运输秩序，是造成列车晚点、列车暂停、也是运输拥挤的重要原因之一。

b、由于使用寿命低造成铁路建设和维护的成本加大，严重影响着铁路运输的经济效益和社会效益。

③由于整铸型高锰钢辙叉未经过电渣重熔（精炼）和锻造，性能离散度较大，且高锰钢辙叉制造过程中的不确定因素较多，造成其性能离散度较大，这种性能离散度常因局部缺陷造成非正常损坏，给铁路运输的可靠性和安全性产生极为不利的影响，甚至会造成事故隐患。

④整铸型高锰钢辙叉产品档次低，不适应我国铁路运输安全、高速、重载的需要：从我国铁路运输开始至今，高锰钢辙叉只是在成分、结构形式发生过变化，而铸态组织一直未变，这样的组织形态造成其产品档次仍然停留在原始状态，无法适应目前我国铁路运输安全、高速、重载的需要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高性能粒状贝氏体心轨钢及生产工艺，本发明增加了电渣重熔（精炼）工艺、采用了先进的扩氢工艺和正回火工艺，得到了具有良好性能的粒状贝氏体组织，以解决现有整体铸造技术化学成分配比不合理、合金化效果差、组织致密度差、晶粒粗大、疏松、气孔、夹杂；性能离散度大、产品档次低、使用寿命低、不适应目前我国铁路运输安全、高速、重载的需要等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对产品成份配方进行了优化和创新，降低了C、Mn含量，合理增加了Ni、Mo、V、Cr等元素的含量，并对S、P、Cu等有害元素做了严格限制，还增加了扩氢工序，使氢含量控制在1ppm之内，所采用原材料配方配比（质量分数w%）为：C：0.19％-0.28％；Si：1.20％-1.70％；Mn：1.60％-2.20％；Ni：0.40％-0.80％；Mo：0.45％-0.80％；P≤0.018％；S≤0.01％；Cu≤0.20％；Cr：1.20％-1.80％，V：0.04％-0.18％；工业纯铁92.362％-95.02％。

其制造工艺流程为：选定适宜的原辅材料及配比方案→对原辅材料进行检验→对原辅材料采取技术处理→中频冶炼，制取电极锭→对电极锭进行抛光处理→电渣重熔（精炼），制取电渣锭→对电渣锭进行缓冷保温→对电渣锭进行退火处理→对电渣锭进行探伤检验→切掉电渣锭两端→锻造成型→锻件保温缓冷→对锻件进行扩氢处理→对锻件进行正火、回火处理→对热处理后的锻件进行探伤检验→粗加工→成品检验。其重点制造工艺如下：

 (1)中频冶炼，制取电极锭：

 a、炉衬及其烘干：采用碱性炉衬，烘干温度为500±30℃，烘干时间≥6h。

b、脱氧：采用铝锭脱氧，按每吨钢水3-5Kg投放，投放时机应在出炉前5分钟内。

c、除渣：采用CQ-1聚渣剂，按每吨钢水2-2.5㎏投放，投放时机应在出炉前5分钟内，并且在出钢前要将漂浮在钢液上面的杂质全部清除。

d、钢模准备：在合模前应将模内均匀粉刷脱模涂料，并用酒精烘干，浇口及出气孔要位置准确，保持通畅，不得有任何杂物。

e、炉前检验：在炉内炉料全部熔化且钢水温度达到1500℃左右时，随机从炉内取样进行检验。

（2）电渣重熔（精炼），制取电渣锭：电渣重熔的目的是减少或避免钢中的缩孔、疏松、白点、气孔、裂纹等倾向，降低硫、氧等有害元素和非金属夹杂的数量，提高钢材的塑性、韧性、纯净度、组织的致密度，最终达到提高产品质量、保证机械性能的目的，其工艺参数如下：

 a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝28％-45％，氧化钙提高15％-18％，氟化钙提高35％-40％，氧化硅减少8％-15％

 b、渣量：提高电渣重熔的渣量，由正常状态下的80㎜－100㎜提高到150㎜－170㎜。

c、电流：电流的大小决定了生产效率和产品质量，电流越大生产效率越高，而对产品质量却产生不利影响，所以电流强度比冶炼常规合金钢降低10％-12％。

d、电压：电压控制在60V-70V。

e、填充比：将填充比控制在0.4-0.45之间。

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在25℃-45℃之间。

（3）电渣锭缓冷保温

电渣锭从结晶器中取出之后，及时将其放入保温炉中保温40小时,炉温降至200℃出炉。

（4）对电渣锭进行退火处理

电渣锭室温装炉，升温至860℃保温4小时，随炉冷却至室温出炉。

（5）锻造成型

心轨钢必须经过锻造，锻造比≥8，其中敦粗比≥4，其工艺参数为：

加热：装炉温度400℃，加热至850℃保温45分钟，升至1250℃再次保温45分钟。

始锻温度：1200℃-1250℃。

终锻温度：900℃-950℃。

锤击重量：按“轻-重-轻”的原则。

 (6)对锻件进行扩氢处理：为了去除锻件中氢和其它有害气体的含量，采用以下扩氢处理工艺室温装炉，升温至690-710℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间≥30小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

 (7)对锻件进行正火、回火处理：为了得到均匀的粒状贝氏体组织，达到高强韧性能，正回火工艺如下：

Ⅰ正火

室温装炉，升温至920-940℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间为3-5小时；；保温完成后，出炉空冷至室温。

Ⅱ回火

室温装炉，升温至200-350℃保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间为30-35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

采用本发明的积极效果：

1、化学成份配比合理，合金化效果好；制造成本低；锻造比大；金属组织的致密度良好；本体的性能好。具体指标是：

①强度指标

拉伸强度σb≥1380MPa

屈服强度σs≥1180MPa

屈强比≥0.85

②塑性、韧性指标

延伸率A≥15%

断面收缩率Z≥39%

冲击韧性Aku≥110J/cm²(室温+20℃)

Aku≥58J/cm²(-40℃)

③硬度指标41-42HRC

④疲劳寿命≥2.7×106

⑤焊接性能指标

碳当量CE≤0.32%

冷裂敏感系数≤0.23%

⑥金相组织

组织形态：粒状贝氏体

非金属夹杂物：≤1.5级

晶粒度：≥7级

⑦气体含量：

氢含量≤1.0ppm

氮含量≤55ppm

氧含量≤23ppm

2、高性能粒状贝氏体心轨钢采用独创的合金成份设计,即根据钢的合金化成分设计原理并结合我国资源与冶金技术的实情,研制高性能、长寿命、节约资源的新钢种。具有如下特点：

（1）化学成分组成科学匹配，是一新型的高性能心轨钢，适合我国铁路运输的实际情况。

（2）在国内率先将电渣重熔技术应用于心轨钢的制造过程，并且研发了专门的渣系配方，优化了电流、电压、渣量、填充比等工艺参数，使材料的纯净度、致密度、各向同性等均高于国内同类技术。

（3）对锻造工艺进行了优化和界定，包括加热工艺、锻比、锻造温度范围、锻造方法等，使其更具有针对性和科学性。

（4）增加了扩氢工序，使氢含量控制在1ppm之内。

具体实施方式

实施例一用于制作60㎏-12号心轨

具体材料成份及制造工艺参数如下：

1、选定适宜的原辅材料及配比方案（质量分数w%）：

根据化学成分范围，选定的原材料为及配方如下：

C：0.20%，Cr：1.5%，Ni：0.65%，Si：1.35%，Mo：0.65%，V：0.1%，Mn：2.1%，P≤0.018％；S≤0.01％；Cu≤0.20％，工业纯铁93.5%。

2、对原辅材料进行检验：对上述原材料应进行检验，其纯度不应低于99.9％。

3、对原辅材料采取技术处理：

a、除锈：对锈蚀较为严重的原材料进行抛丸处理，以减少Fe2O3在冶炼过程中的危害。

b、烘干：在冶炼前对原辅材料均进行烘干，工艺为：室温装炉，升温至400℃，保温4小时出炉，冷却至室温。

4、中频冶炼，制取电极锭：

a、炉衬及其烘干：采用碱性炉衬，烘干温度为500±30℃，烘干时间≥6h。

b、脱氧：采用铝锭脱氧，按每吨钢水3-5Kg投放，投放时机应在出炉前5分钟内。

c、除渣：采用CQ-1聚渣剂，按每吨钢水2-2.5㎏投放，投放时机应在出炉前5分钟内，并且在出钢前要将漂浮在钢液上面的杂质全部清除。

d、钢模准备：在合模前应将模内均匀粉刷脱模涂料，并用酒精烘干，浇口及出气孔要位置准确，保持通畅，不得有任何杂物。

e、炉前检验：在炉内炉料全部熔化且钢水温度达到1500℃左右时，随机从炉内取样进行检验。根据检验结果计算得出须向炉内添加的合金炉料数量。

f、炉中检验：合金炉料投放且熔化后，再按上述规定进行炉中检验。

g、炉后检验：经检验确认化学成分合格后方可出炉浇铸，浇铸时随机抽取试样进行炉后检验，炉后检验结果作为该炉批次的出厂检验结果，并将炉后检验试样保留半年以上。

炉前、炉中、炉后检验均使用直读光谱仪，检验方法按该设备的操作规程及相关标准。

h、电极锭保存：从钢模中取出电极锭之后存放在干燥区域，且不得与地面接触。

5、电极锭抛光处理

在电渣重熔之前，对电极锭应逐一进行抛丸处理，其目的是清除表面氧化物及其他杂质，抛丸处理采用辊道式抛丸机，每抛一次旋转120°角，抛丸之后应清除钢丸。

6、电渣重熔，制取电渣锭

a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝25％-40％，氧化钙提高15％-18％，氟化钙提高35％-40％，氧化硅减少8％-15％

b、渣量：提高到150㎜。

c、电流：电流的大小决定了生产效率和产品质量，电流越大生产效率越高，而对产品质量却产生不利影响，所以电流强度比冶炼常规合金钢降低11％。

d、电压：电压控制在65V。

e、填充比：将填充比控制在0.41之间。

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在40-45℃之间。

7、电渣锭缓冷保温

电渣锭从结晶器中取出之后，及时将其放入保温炉中保温40小时,炉温降至200℃出炉。

8、对电渣锭进行退火处理

电渣锭室温装炉，升温至860℃保温4小时，随炉冷却至室温出炉。

9、对电渣锭进行探伤检验

探伤方法按照GB/T6402-2008进行，Ⅲ级合格。

10、切掉电渣锭两端

使用高速金属带锯床切掉电渣锭两端，每端的锯除量应在30-50㎜之间。

11、锻造成型

心轨钢必须经过锻造，锻造比≥8，其中敦粗比≥4，其工艺参数为：

加热：装炉温度400℃，加热至850℃保温45分钟，升至1250℃再次保温45分钟。

始锻温度：1200℃-1250℃。

终锻温度：900℃-950℃。

锤击重量：按“轻-重-轻”的原则。

12、锻件保温缓冷

工件锻完之后，及时将其放入保温炉中，保温炉的温度为600℃，保温时间不低于40小时,锻件随炉冷却至200℃出炉。

13、对锻件进行扩氢处理

室温装炉，升温至700℃进行保温，升温速度为12℃/分钟；然后进行保温，保温时间35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

14、对锻件进行正火、回火处理

Ⅰ正火

室温装炉，升温至930℃进行保温，升温速度为12℃/分钟；然后进行保温，保温时间为4小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

Ⅱ回火

室温装炉，升温至320℃保温，升温速度为12℃/分钟；然后进行保温，保温时间为35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

15、对热处理后的锻件进行探伤检验

探伤方法按照GB/T6402-2008进行，Ⅲ级合格。

16、粗加工

根据需方图纸要求加工至图纸尺寸。

17、成品检验

a、外形尺寸检验：用游标卡尺及样板检验，符合图纸尺寸即可。

b、硬度：按GB/T230-2004进行检验。

c、超声波探伤：按GB/T74163-1984进行检验。

d、性能试验及气体含量检验：按200件为一批，随机抽检1件进行性能试验及气体含量检验，合格则判定为批合格，否则加倍试验。

实施例二

用于制作60㎏-9号心轨

具体材料成份及制造工艺参数如下：

1、选定适宜的原辅材料及配比方案（质量分数w%）：

根据化学成分范围，选定的原材料为及配方如下：

C：0.21%，Cr：1.7%，Ni：0.65%，Si：1.45%，Mo：0.55%，V：0.07%，Mn：1.5%，P≤0.018％；S≤0.01％；Cu≤0.20％，工业纯铁93.87%。

2、对原辅材料进行检验：同实施例一

3、对原辅材料采取技术处理：

同实施例一

4、中频冶炼，制取电极锭：

同实施例一

5、电极锭抛光处理

同实施例一

6、电渣重熔，制取电渣锭

a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝30％，氧化钙提高18％，氟化钙提高38％，氧化硅减少10％

b、渣量：提高到160㎜。

c、电流：电流的大小决定了生产效率和产品质量，电流越大生产效率越高，而对产品质量却产生不利影响，所以电流强度比冶炼常规合金钢降低11％。

d、电压：电压控制在60V。

e、填充比：将填充比控制在0.42。

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在30-40℃之间。

7、电渣锭缓冷保温

同实施例一

8、对电渣锭进行退火处理

电渣锭室温装炉，升温至860℃保温4小时，随炉冷却至室温出炉。

9、对电渣锭进行探伤检验

探伤方法按照GB/T6402-2008进行，Ⅲ级合格。

10、切掉电渣锭两端

同实施例一

11、锻造成型

心轨钢必须经过锻造，锻造比≥8，其中敦粗比≥4，其工艺参数为：

加热：装炉温度300℃，加热至860℃保温1小时，升至1200℃再次保温1小时。

始锻温度：1200℃-1250℃。

终锻温度：900℃-950℃。

锤击重量：按“轻-重-轻”的原则。

12、锻件保温缓冷

同实施例一

13、对锻件进行扩氢处理

室温装炉，升温至690℃进行保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

14、对锻件进行正火、回火处理

Ⅰ正火

室温装炉，升温至925℃进行保温，升温速度为13℃/分钟；然后进行保温，保温时间为3.5小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

Ⅱ回火

室温装炉，升温至310℃保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间为35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。

15、对热处理后的锻件进行探伤检验

同实施例一

16、粗加工

同实施例一

17、成品检验

同实施例一。

Claims (1)

1.一种高性能粒状贝氏体心轨钢生产工艺，工艺流程包括：选定适宜的原辅材料及配比方案→对原辅材料进行检验→对原辅材料采取技术处理→中频冶炼，制取电极锭→对电极锭进行抛光处理→电渣重熔，制取电渣锭→对电渣锭进行缓冷保温→对电渣锭进行退火处理→对电渣锭进行探伤检验→切掉电渣锭两端→锻造成型→锻件保温缓冷→对锻件进行扩氢处理→对锻件进行正火、回火处理→对热处理后的锻件进行探伤检验→粗加工→成品检验，其特征是重点制造工艺如下：

(1)中频冶炼，制取电极锭具体工艺如下：

a、炉衬及其烘干：采用碱性炉衬，烘干温度为500±30℃，烘干时间≥6h；

b、脱氧：采用铝锭脱氧，按每吨钢水3-5Kg投放，投放时机应在出炉前5分钟内；

c、除渣：采用CQ-1聚渣剂，按每吨钢水2-2.5㎏投放，投放时机应在出炉前5分钟内，并且在出钢前要将漂浮在钢液上面的杂质全部清除；

d、钢模准备：在合模前应将模内均匀粉刷脱模涂料，并用酒精烘干，浇口及出气孔要位置准确，保持通畅，不得有任何杂物；

e、炉前检验：在炉内炉料全部熔化且钢水温度达到1500℃左右时，随机从炉内取样进行检验；

（2）电渣重熔，制取电渣锭：具体工艺如下：

a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝28％-45％，氧化钙提高15％-18％，氟化钙提高35％-40％，氧化硅减少8％-15％；

b、渣量：提高电渣重熔的渣量，由正常状态下的80㎜－100㎜提高到150㎜－170㎜；

c、电流：电流强度比冶炼常规合金钢降低10％-12％；

d、电压：电压控制在60V-70V；

e、填充比：将填充比控制在0.4-0.45之间；

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在25℃-45℃之间；

（3）电渣锭缓冷保温

电渣锭从结晶器中取出之后，及时将其放入保温炉中保温40小时,炉温降至200℃出炉；

（4）对电渣锭进行退火处理

电渣锭室温装炉，升温至860℃保温4小时，随炉冷却至室温出炉；

（5）锻造成型

心轨钢必须经过锻造，锻造比≥8，其中敦粗比≥4，其工艺参数为：

加热：装炉温度400℃，加热至850℃保温45分钟，升至1250℃再次保温45分钟；

始锻温度：1200℃-1250℃；

终锻温度：900℃-950℃；

锤击重量：按“轻-重-轻”的原则；

(6)对锻件进行扩氢处理具体工艺如下：

室温装炉，升温至690-710℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间≥30小时；保温完成后，出炉空冷至室温；

(7)对锻件进行正火、回火处理：正回火工艺如下：

Ⅰ正火

室温装炉，升温至920-940℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间为3-5小时；；保温完成后，出炉空冷至室温；

Ⅱ回火

室温装炉，升温至200-350℃保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间为30-35小时；保温完成后，出炉空冷至室温。