CN105734402B - 铁路辙叉用低碳马氏体钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铁路辙叉用低碳马氏体钢，它的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织；其化学成分(wt％)为：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：＜0.02、P：＜0.02，微合金化元素0.1‑0.3，其余为Fe；上述铁路辙叉用低碳马氏体钢制备方法主要是：采用电弧炉冶和LF炉精炼钢水，浇注钢锭在钢模中缓冷至室温，将钢锭进行去氢和组织均匀化处理，模锻钢锭成形，对锻件进行温水淬火和中温回火热处理。本发明热处理工艺易于控制、成本低、辙叉的综合性能优异，低碳马氏体辙叉钢的屈服强度σs＞1200MPa，抗拉强度σb＞1500MPa，室温冲击韧性aKU＞120J/cm2，延伸率δ5＞12％，硬度＞HRC45。
Description
技术领域 本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种铁路辙叉用钢及其制备方法。
背景技术 辙叉是使车轮由一股钢轨通过另一股钢轨的轨线平面交叉设备，主要由翼轨、心轨及联接零件组成。按照结构，辙叉可以分为固定型辙叉和活动型辙叉。固定型辙叉又分为整体铸造型和拼装型辙叉。整体铸造辙叉通常是指高锰钢铸造辙叉；而拼装辙叉主要是指以珠光体钢或高锰钢或贝氏体钢为心轨，以珠光体钢或贝氏体钢为翼轨，通过高强螺钉组装而成的辙叉。
目前，世界范围内的铁路辙叉用钢有高碳珠光体钢、高锰奥氏体钢和低碳贝氏体钢。美国专利US2004035507-Al、公开号为CN101818312A和CN03800576.X等中国专利公布了许多综合性能优异的超细珠光体辙叉钢及其制造工艺。关于高锰奥氏体钢辙叉及其制造技术有：最早的高锰钢辙叉是1894年铺设于美国纽约布鲁克林大西洋街电车轨道上的辙叉，后来不断更新和发展。比如：1986年在《Railway Track and Structures》1(82)36-38刊物上的文章，美国发明专利US4342593和US6572713，以及中国发明专利CN03128763.8，CN103667888A，CN200810055383.7，CN200910227860.8，CN200910227858.0，CN200910227859.5，等等。贝氏体钢辙叉是近年来发展起来的铁路辙叉用钢及其制造技术，然而，虽然其问世较晚但相关的专利技术却非常多。最早的是1986年在《Railway GazetteInternational》142(1986)176-177刊物上的研究报道，然后是1997年在《Railway Track&Structures》12(1997)14-16刊物上的研究报道。紧接着是美国专利US5759299、加拿大专利CA 2355868和CA 2510512，欧洲专利EP0804623B1，中国专利CN98124899.3、CN8112095.4、CN200610048109.8、CN200610012673.4、CN03150092.7、CN02157927.X、CN98112095.4、CN200410068857.3、CN200510078257.X、CN200410068857.3、CN1721565A、CN1865482A以及CN103789699A等等多种贝氏体辙叉钢成果报道。目前，世界上还没有用低碳马氏体钢制造铁路辙叉的专利和文章以及研究报告的文献报道。
20世纪90年代，世界上著名的铁路辙叉制造商—奥地利VAE公司从性价比的角度考虑，给出了选择铁路辙叉用钢和结构类型时应该遵循的原则。这个原则告诉人们，在低速低载荷线路上选择珠光体钢辙叉，随着列车运行速度和轴重的增加依次选择的辙叉用钢是普通铸造高锰钢辙叉、拼装贝氏体钢辙叉、爆炸预硬化高锰钢辙叉，最后是当列车运行速度很高、轴重很大时选择用马氏体时效钢辙叉。也就是说，马氏体时效钢是最优秀的制造铁路辙叉的材料。然而，由于马氏体时效钢中含有大量的贵重金属Co、Mo、Ni等，其制造成本非常高，所以，实际上，也从来没有人利用马氏体时效钢制造辙叉，因此，利用马氏体时效钢制造铁路辙叉至今还一直是一个梦想。
发明内容 本发明的目的在于提供一种热处理工艺易于控制、成本低、辙叉的综合性能优异、且焊接工艺性能优良的铁路辙叉用低碳马氏体钢及其制备方法。
本发明的铁路辙叉用低碳马氏体钢是一种表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织，其化学成分(wt％)为：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其余为Fe。
所述微合金化元素为两种及以上的V、B、Ti、N、Al和Mg元素，并且，每种微合金化元素的化学成分范围(wt％)为：V：0.01～0.03，Ti：0.01～0.03，N：0.01～0.03，Al：0.1～0.2，Mg：0.1～0.2，B：0.001～0.003。
上述铁路辙叉用低碳马氏体辙叉钢的制备方法如下：
(1)铸锭：采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温。
(2)热处理：对钢锭进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温5-8h，以80-100℃/h的速度加热到1050-1100℃保温1-3h，空冷到室温。
(3)模锻：将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以220-250℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温1-2h，然后以150-180℃/h的速度加热到1200℃保温1-2h，始锻温度1180～1200℃，终锻温度≥850℃；锻造变形比大于6。
(4)热处理：将锻件进行热处理，加热到900-920℃奥氏体化2-4h后淬入70-80℃热水中2-3min，然后放入温度为300℃的炉中，以180-300℃/h的速度冷却到室温，再加热到340℃～360℃保温2-5h回火处理。
本发明中合金元素的作用为：
1、钢中碳含量较低(0.2wt％左右)，使马氏体晶体中亚结构为位错，不存在孪晶亚结构，从而使钢充分表现出位错马氏体亚结构的优越性。
2、钢中硅含量较高(1.8wt％左右)，从而把马氏体回火脆性温度范围移向较高温度，使钢可以在较高温度下(350℃左右)长时间回火，钢中的碳在马氏体和残余奥氏体中重新配分，同时，调整马氏体的畸变晶格，从而降低了马氏体中固溶碳量和内应力，有利于提高辙叉的抗疲劳性能。
3、钢中Mn、Cr、W、Ni及微量合金化元素，并与硅含量合理配合，使板条马氏体相界的残余奥氏体薄膜中富碳、锰、铬、钨、镍及微合金化元素，从而使残余奥氏体薄膜足够稳定，使辙叉在服役过程中，阻碍裂纹扩展的能力提高。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、辙叉的综合性能优异。这种低碳马氏体辙叉钢的屈服强度大于1200MPa，抗拉强度大于1500MPa，室温冲击韧性大于120J/cm2，延伸率大于12％，硬度大于HRC45，断面收缩率大于50％、断裂韧性(K1C)大于100MPa.m-1/2，疲劳裂纹形成门槛值(Kth)大于10MPa.m-1/2，同时具有很好的抗高周应力疲劳和低周应变疲劳的性能，克服了贝氏体钢辙叉性能不稳定，这一多年来困扰着铁路辙叉用钢研究人员和工程技术人员的难题。
2、辙叉的热处理工艺易于控制。这种低碳马氏体钢的热处理工艺是，水淬火和中温回火，这种工艺稳定，从而使辙叉材料的性能易于控制。
3、辙叉的焊接工艺性能优良。这种低碳马氏体钢的碳含量很低，因此，其焊接工艺性能优良。
4、成本低。这种低碳马氏体钢的成本仅大约是马氏体时效钢的二十分之一。
附图说明
1、图1是本发明实施例1制得的低碳马氏体钢辙叉心轨电镜图，其中(a)为表层组织、(b)为心部组织。
具体实施方式
实施例1
将化学成分质量比(wt％)为：C：0.19、Si：2.0、Mn：1.5、Cr：1.5、W：0.41、Ni：0.11、V：0.01、N、0.01、Al：0.11、S：0.011、P：0.015，其余为Fe的原料，采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温；对钢锭进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温5.1h，以95℃/h的速度加热到1050℃保温3.0h，空冷到室温；将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以220℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温1.0h，再以180℃/h的速度加热到1200℃保温2.0h，始锻温度为1180℃，终锻温度为860℃，锻造变形比为6.5；将锻件进行热处理，加热到900℃奥氏体化4.0h后淬入80℃热水中停留3min，然后放入温度为300℃的炉中，以300℃/h的速度冷却到室温，再加热到340℃保温5.0h进行回火处理。如图1所示，制得的低碳马氏体钢辙叉的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织，其抗拉强度为1550MPa、屈服强度为1210MPa、冲击韧性为124J/cm2、延伸率为12.2％、断面收缩率为51％、断裂韧性(K1C)为110MPa.m-1/2，疲劳裂纹形成门槛值(Kth)为10.5MPa.m-1/2，同时具有很好的抗高周应力疲劳和低周应变疲劳的性能。
实施例2
将化学成分质量比(wt％)为：C：0.21、Si：1.8、Mn：1.9、Cr：1.1、W：0.51、Ni：0.22、B：0.001、Ti、0.01、Al：0.19、S：0.011、P：0.015，其余为Fe的原料，采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温；对钢锭进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温7.8h，以80℃/h的速度加热到1100℃保温2.0h，空冷到室温；将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以230℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温1.5h，再以170℃/h的速度加热到1200℃保温1.5h，始锻温度1190℃，终锻温度850℃，锻造变形比为7.0；将锻件进行热处理，加热到910℃奥氏体化3.0h后淬入75℃热水中2min，然后放入温度为300℃的炉中，以250℃/h的速度冷却到室温，再加热到350℃保温4.0h进行回火处理。制得的低碳马氏体钢辙叉的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织，其抗拉强度为1560MPa、屈服强度为1230MPa、冲击韧性为121J/cm2、延伸率为13.4％、断面收缩率为56％、断裂韧性(K1C)为108MPa.m-1/2，疲劳裂纹形成门槛值(Kth)为10.2MPa.m-1/2，同时具有很好的抗高周应力疲劳和低周应变疲劳的性能。
实施例3
将化学成分质量比(wt％)为：C：0.23、Si：1.5、Mn：1.5、Cr：1.4、W：0.58、Ni：0.29、Mg：0.11、V：0.03、S：0.013、P：0.009，其余为Fe的原料，采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温；对钢锭进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温6.0h，以90℃/h的速度加热到1000℃保温1.2h，空冷到室温；将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以250℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温2.0h，再以150℃/h的速度加热到1200℃保温1.0h，始锻温度1200℃，终锻温度900℃，锻造变形比6.8；将锻件进行热处理，加热到920℃奥氏体化2.0h后淬入70℃热水中2.0min，然后放入温度为300℃的炉中，以180℃/h的速度冷却到室温，再加热到360℃保温2.0h回火处理。制得的低碳马氏体钢辙叉的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织，其抗拉强度为1590MPa、屈服强度为1280MPa、冲击韧性为121J/cm2、延伸率为12.5％、断面收缩率为52％、断裂韧性(K1C)为102MPa.m-1/2，疲劳裂纹形成门槛值(Kth)为10.1MPa.m-1/2，同时具有很好的抗高周应力疲劳和低周应变疲劳的性能。
实施例4
将化学成分质量比(wt％)为：C：0.22、Si：1.7、Mn：1.6、Cr：1.2、W：0.45、Ni：0.23、Mg：0.19、Ti：0.03、B：0.003、S：0.011、P：0.009，其余为Fe的原料，采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温；对钢锭进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温7.0h，以100℃/h的速度加热到1090℃保温1.4h，空冷到室温；将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以230℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温1.8h，再以160℃/h的速度加热到1200℃保温1.3h，始锻温度1200℃，终锻温度900℃，锻造变形比6.5；将锻件进行热处理，加热到920℃奥氏体化3.0h后淬入75℃热水中2.5min，然后放入温度为300℃的炉中，以300℃/min的速度冷却到室温，再加热到350℃保温2.0h进行回火处理。制得的低碳马氏体钢辙叉的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织，其抗拉强度为1570MPa、屈服强度为1250MPa、冲击韧性为126J/cm2、延伸率为12.4％、断面收缩率为58％、断裂韧性(K1C)为107MPa.m-1/2，疲劳裂纹形成门槛值(Kth)为10.5MPa.m-1/2，同时具有很好的抗高周应力疲劳和低周应变疲劳的性能。
Claims (1)
1.一种铁路辙叉用低碳马氏体钢的制备方法，所述铁路辙叉用低碳马氏体钢的表层组织为位错型马氏体，心部为无碳化物贝氏体组织，中间层为经过化学成分再配分的位错型马氏体和无碳化物贝氏体复合组织；它的化学成分的质量百分比wt％为：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其余为Fe；所述微合金化元素为两种及以上V、B、Ti、N、Al和Mg元素，并且，每种微合金化元素的化学成分的质量百分比wt％为：V：0.01～0.03、Ti：0.01～0.03、N：0.01～0.03、Al：0.1～0.2、Mg：0.1～0.2、B：0.001～0.003，其特征在于：
(1)采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，调整钢水化学成分使其满足上述规定的范围，将钢水浇注钢模中后缓冷至室温；
(2)进行去氢和组织均匀化热处理，加热到680℃保温5-8h，以80-100℃/h的速度加热到1050-1100℃保温1-3h，空冷到室温；
(3)将钢锭模锻成形为铁路辙叉心轨形状和尺寸，以220-250℃/h的速度将钢锭加热到650℃保温均温1-2h，然后以150-180℃/h的速度加热到1200℃保温1-2h，始锻温度1180-1200℃，终锻温度≥850℃，锻造变形比大于6；
(4)将锻件进行热处理，加热到900-920℃奥氏体化2-4h后淬入70-80℃热水中2-3min，然后放入温度为300℃的炉中，以180-300℃/min的速度冷却到室温，再加热到340℃-360℃保温2-5h回火处理。
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