CN102936700A

CN102936700A - 全贝氏体钢辙叉及其制造方法

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Publication number: CN102936700A
Application number: CN2012104224553A
Authority: CN
Inventors: 张福成; 吕博; 张明; 杨志南; 郑春雷; 康杰
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102936700B

Abstract

一种全贝氏体钢辙叉，其主要是：贝氏体钢辙叉心轨和翼轨分别采用两种不同的贝氏体钢，心轨的材质是35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，其O＜0.0015，H<0.0001，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01，S<0.01，P<0.01，翼轨的材质是23MnCrSiAlNiMo贝氏体钢。贝氏体钢辙叉心轨前后为相连的两段，前段为35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢心轨，后段为60型U75V钢轨，两者直接闪光焊接，之后进行整体热处理。将制得的贝氏体钢辙叉心轨和翼轨进行拼装，便获得全贝氏体钢辙叉。本发明的辙叉机械性能优良，可明显地提高使用寿命；虽然是全贝氏体钢辙叉，但成本并不高；而且不存在贝氏体钢焊接后造成性能强烈衰减以及焊接接头残余应力问题。

Description

全贝氏体钢辙叉及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铁道辙叉及其制造方法。

背景技术

辙叉是铁道的重要组成部件，也是损伤最严重的部位。目前我国铁路上使用的固定型辙叉有两种：一种是贝氏体钢心轨和高碳钢翼轨组合辙叉，它是通过螺栓紧固而成，通常称之为拼装式贝氏体钢辙叉；另一种是铸造高锰钢辙叉，它是通过铸造整体成形，通常称之为高锰钢整铸辙叉。高锰钢辙叉具有韧性好，承载硬化，耐磨等优点，但铸造高锰钢辙叉又存在难以避免的铸造缺陷，如疏松、缩孔及晶粒过于粗大等，在运营过程中易引起纵向水平裂纹，垂直裂纹、压塌、剥离掉块等早期失效而影响使用寿命，难以适应重载的运输要求。目前的所谓贝氏体钢辙叉，其翼轨几乎都是采用普通高碳钢轨钢制造，然而，钢轨钢的疲劳性能和韧性较差，因此，往往因翼轨早期破坏而使整个贝氏体钢辙叉被迫下线，使用效果不理想。贝氏体钢因其具有高强度、高韧度和适当的硬度表现出优良的抗接触疲劳和耐磨性能，尤其是它具有较好的焊接工艺性能，使它成为制作新型重载高速铁路用辙叉的理想材料之一。因此，它在制作铁路辙叉方面得到越来越广泛的应用，并且有逐渐代替传统高锰钢辙叉的势头。随之也有许多贝氏体钢辙叉的专利相继问世，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98124899.3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。我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形，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σ_b1240～1360 MPa、屈服强度σ_s≥1100 MPa、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。然而，目前还没有全贝氏体钢辙叉的报道。

关于贝氏体钢与碳钢钢轨钢进行连接的方法，已有相关报道，例如：2004年12月《大连铁道学院学报》报道了在实验室条件下贝氏体钢与高碳钢轨钢焊接研究结果，给出了贝氏体钢与钢轨钢直接进行闪光焊接焊接接头的组织和力学性能，并且由此得出预测性结论，认为贝氏体钢辙叉与钢轨直接进行闪光焊接是可能的。2005年3月也是《大连铁道学院学报》报道了在实验室条件下利用普通电弧焊接方法将贝氏体钢与高碳钢轨钢焊接研究结果。2006年6月《中国铁路》杂志报道了一项利用闪光焊接直接将贝氏体钢辙叉与碳钢钢轨进行焊接，同时利用二氧化碳气体保护焊接和埋弧堆焊相结合进行焊接的综合焊接方法。同时，有关将贝氏体钢与碳钢钢轨钢进行连接方法方面的专利技术也相继公开，例如中国专利ZL98232564.9、ZL99210616.8、ZL200420005876.7、ZL200620021783.2和ZL200810054746.5等，国外专利有JP6228648-A和JP5169295-A等等。这些专利和论文，对于焊接接头的焊后热处理，都只是考虑消除焊接接头的应力而设计和进行的，没有任何一个专利和报道采用整体热处理工艺技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辙叉的心轨和翼轨分别采用不同成分和不同强度水平的贝氏体钢的全贝氏体钢辙叉及其制造方法。本发明贝氏体钢辙叉心轨和翼轨分别采用两种不同的贝氏体钢，其中，心轨材质是一种高纯净度、高品质、高强度35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，并且其中，O＜0.0015，H<0.0001，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01， S<0.01，P<0.01；而翼轨材质是一种品质和强度相对较低的23MnCrSiAlNiMo贝氏体钢。贝氏体钢辙叉心轨前后为相连的两段，前段为35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢心轨，后段为60型U75V钢轨。

上述全贝氏体钢辙叉的制造方法具体如下：

一、心轨的制造方法：

1、将35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，0.34 -0.36C、1.5 -1.7Mn、1.4-1.6 Cr、1.2 -1.4Si、0.5-0.7Al、0.5-0.8Ni、0.3-0.4Mo、其中O＜0.0015，H<0.0001，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01， S<0.01，P<0.01，其余为Fe，经连铸连轧成断面为180mm×90mm的矩形方坯，轧制比大于6。

2、贝氏体钢辙叉心轨前段35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢心轨与后段60型U75V钢轨直接闪光焊接，闪光速度为2～3mm/s，顶锻速度为80～100mm/s，顶锻压力为30～50MPa；焊接时贝氏体钢辙叉心轨与U75V碳钢钢轨两种材料的伸出长度相等。

3、贝氏体钢辙叉心轨与U75V钢轨闪光焊接后，进行整体热处理，其热处理工艺是：首先将焊接心轨整体加热到900℃～950℃保温100~180min进行奥氏体化，然后先后淬入550℃和300~360℃的盐浴中进行分级等温淬火；其中，在550℃盐浴中保温15min，300~360℃的盐浴中保温60min，然后空冷到室温；再加热到320℃保温60min进行回火处理。

二、翼轨的制造方法：

将23MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，其化学成分(wt％)为：0.21-0.25 C、1.5-1.6 Mn、0.5-0.7 Al、0.6-0.8 Ni、1.5-1.7 Cr、1.2-1.5 Si，其余为Fe和少量杂质；经轧制成标准60钢轨，轧制比大于9，轧后空冷到室温，再加热到320℃保温60min后空冷。

三、拼装：

将步骤一和步骤二制得贝氏体钢辙叉心轨和翼轨，进行拼装，便获得全贝氏体钢辙叉。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、综合考虑使用性能和经济性，辙叉心轨尖端采用高品质、性能优良的贝氏体钢制造，而翼轨采用一般贝氏体钢制造，从而组合成拼装式组合固定型辙叉－全贝氏体钢辙叉，该辙叉的机械性能指标为：抗拉强度1300-1600MPa、屈服强度1000-1300MPa、延伸率δ₅≥15%、室温冲击韧性≥100J/cm²、低温冲击韧性≥70J/cm²(-40℃)、硬度HRC42～50，达到最佳的性价比。

2、贝氏体钢心轨前后两段材质不同，以便于贝氏体钢辙叉与线路上钢轨进行同材质焊接，同时可以大幅度节省高价贝氏体钢，大幅度降低辙叉制造成本。

3、采用先焊接后整体热处理工艺技术，同时解决贝氏体钢焊接后造成性能强烈衰减以及焊接接头残余应力问题。

4、翼轨采用碳含量较低的贝氏体钢制造，这种贝氏体钢的可焊性较好，易于实现翼轨与线路上的碳钢钢轨之间的焊接，以达到全线无缝的要求。

具体实施方式

实施例1

一个全贝氏体钢辙叉，辙叉心轨的化学成分为(wt%)：0.34 C、1.58 Mn、1.45 Cr、1.24 Si、0.59 Al、0.72 Ni、0.38 Mo、0.0014 O、0.00009 H、0.008 Ti、0.0004 B、0.022 V、0.005 Nb、0.005 S和0.008 P，其余为Fe，经连铸连轧成180mm×90mm的矩形断面方坯，轧制比为7。将这个成分的贝氏体钢心轨与普通U75V钢60轨进行闪光焊接，闪光焊接时具体工艺参数为，闪光速度3mm/s，顶锻速度80mm/s，顶锻压力40MPa，焊接时材料的伸出长度相等。贝氏体钢辙叉心轨闪光焊接后整体进行热处理，热处理工艺为，首先将焊接贝氏体钢辙叉心轨整体加热到910℃保温160min进行奥氏体化处理，然后先后淬入550℃和310℃的盐浴中进行分级等温淬火，并在550℃盐浴中保温15min，310℃的盐浴中保温60min，然后空冷到室温。再加热到320℃保温60min进行回火处理。贝氏体钢辙叉翼轨的化学成分(wt％)为：0.22 C、1.50 Mn、0.50 Al、0.72 Ni、1.58 Cr、1.35 Si、0.016 S和0.021 P，其余为Fe。它是经轧制成标准60钢轨，轧制比为10，轧后空冷到室温，再加热到320℃保温60min后空冷。将以上翼轨和心轨进行拼装，从而获得一个综合性能优异的全贝氏体钢辙叉。

实施例2

另一个全贝氏体钢辙叉，辙叉心轨的化学成分为(wt%)：0.35C、1.61 Mn、1.52 Cr、1.31 Si、0.67 Al、0.58 Ni、0.35 Mo、0.0015 O、0.00008 H、0.008 Ti、0.0004 B、0.002 V、0.001 Nb、0.009 S和0.009 P，其余为Fe，经连铸连轧成断面为180mm×90mm的方坯，轧制比为8。将这个成分贝氏体钢心轨与普通U75V钢60轨进行闪光焊接，闪光焊接时具体工艺参数为，闪光速度2.2mm/s，顶锻速度95mm/s，顶锻压力48MPa，焊接时材料的伸出长度相等。贝氏体钢辙叉心轨闪光焊接后整体进行热处理，热处理工艺为，首先将焊接心轨整体加热到940℃保温110min进行奥氏体化处理，然后先后淬入550℃和330℃的盐浴中进行分级等温淬火，并在550℃盐浴中保温15min，330℃的盐浴中保温60min，然后空冷到室温。再加热到320℃保温60min进行回火处理。贝氏体钢辙叉翼轨的化学成分(wt％)为：0.25 C、1.57 Mn、0.62 Al、0.68 Ni、1.7 Cr、1.22 Si、0.021 S和0.020 P，其余为Fe。它是经轧制成标准60钢轨，轧制比为11，轧后空冷到室温，再加热到320℃保温60min后空冷。将以上翼轨和心轨进行拼装，从而获得一个综合性能优异的全贝氏体钢辙叉。

Claims

1.一种全贝氏体钢辙叉，其特征是：贝氏体钢辙叉心轨和翼轨分别采用两种不同的贝氏体钢，心轨的材质是35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，其O＜0.0015，H<0.0001，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01， S<0.01，P<0.01，翼轨的材质是23MnCrSiAlNiMo贝氏体钢。

2.根据权利要求1所述的全贝氏体钢辙叉，其特征是：贝氏体钢辙叉心轨前后为相连的两段，前段为35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢心轨，后段为60型U75V钢轨。

3.权利要求2所述的全贝氏体钢辙叉的制造方法，其特征是：

将35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢，其O＜0.0015，H<0.0001，Ti＜0.01，B＜0.0005，V＜0.03，Nb＜0.01， S<0.01，P<0.01，经连铸连轧成断面为180mm×90mm的矩形方坯，轧制比大于6；

贝氏体钢辙叉心轨前段35MnCrSiAlNiMo贝氏体钢心轨与后段60型U75V钢轨直接闪光焊接，闪光速度为2～3mm/s，顶锻速度为80～100mm/s，顶锻压力为30～50MPa；焊接时贝氏体钢辙叉心轨与U75V碳钢钢轨两种材料的伸出长度相等；

贝氏体钢辙叉心轨与U75V钢轨闪光焊接后，进行整体热处理，其热处理工艺是：首先将焊接心轨整体加热到900℃～950℃保温100~180min进行奥氏体化，然后先后淬入550℃和300~360℃的盐浴中进行分级等温淬火；其中，在550℃盐浴中保温15min，300~360℃的盐浴中保温60min，然后空冷到室温；再加热到320℃保温60min进行回火处理；

将23MnCrSiAlNiMo贝氏体钢经轧制成标准60钢轨，轧制比大于9，轧后空冷到室温，再加热到320℃保温60min后空冷；

将步骤

和步骤

制得贝氏体钢辙叉心轨和翼轨，进行拼装，便获得全贝氏体钢辙叉。