CN108690936B - 用于焊接高锰钢辙叉与钢轨的不锈钢钢轨材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的不锈钢钢轨材料，它是一种低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢，其中铁素体含量<20％，C 0.05～0.15wt％、P<0.003wt％、S<0.003wt％；其制备方法主要是将钢锭加热到1250℃，保温8～10h，然后直接挤压，首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，停留3～6min，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，挤压后直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体+铁素体组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料，要求被焊接高锰钢辙叉磷、硫、硅含量低。本发明能够降低成本、避免焊接高锰钢辙叉出现液化裂纹、提高焊接高锰钢辙叉的质量和成品率。

Description

用于焊接高锰钢辙叉与钢轨的不锈钢钢轨材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种焊接材料，特别是一种高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接材料制造方法。
背景技术
关于高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的焊接，在选用焊接材料和焊接工艺上都具有一定的难度。因为高碳钢轨钢在焊接过程中要求缓冷，以防止热影响区内出现马氏体和产生较大的热应力，而高锰钢在焊接过程中热影响区内极易沿奥氏体晶界析出碳化物和发生晶粒长大现象，这都会造成其性能的强烈衰减，因此，要求高锰钢焊接后尽量快冷。另外，两种材料的热胀系数相差较大，直接焊接后将在焊接接头处产生很大的内应力，它不仅降低焊接接头的强度和韧度，而且降低其疲劳寿命。因此，多年来，高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接一直是困扰铁路行业和材料科学工作者的一大难题。
目前，关于高锰钢辙叉和碳钢钢轨焊接技术的专利报道很多，据不完全统计，全世界已有30多个，所选取的焊接方法很多，诸如，闪光焊接方法、手工电弧焊接方法、电子束焊接方法、MIG焊接方法、TIG焊接方法、铝热焊接方法、气压焊接方法和摩擦焊接方法等等；但所选取的焊接材料比较集中，绝大多数都是选取奥氏体或者奥氏体－铁素体不锈钢作为焊接材料，个别的选取镍基合金作为焊接材料；焊接材料的类型种类也比较多，都是与所采用的焊接方法相对应的，诸如，焊丝、焊条和断面为钢轨形状的焊接材料等等。然而这些专利技术在实际生产中获得应用的只有奥地利人申请的中国专利(专利号为ZL 91104903.7)、法国专利和两个中国专利(专利号为ZL 00121442.X和 ZL200810054919.3)等四个专利。这四个专利所使用的焊接方法都是闪光焊接方法，专利号为ZL 91104903.7的专利采用的焊接材料是0Cr18Ni9Ti类奥氏体不锈钢，法国专利采用的焊接材料是CrNi系奥氏体不锈钢，专利号为ZL 00121442.X的中国专利采用的焊接材料是CrMnNiMo系奥氏体－铁素体双相钢。专利号为ZL200810054919.3的专利提出了新的高锰钢辙叉与碳钢钢轨闪光焊接的连接材料及制造方法，连接材料为CrNiW系奥氏体-铁素体双相不锈钢。这些不锈钢焊接材料的制造方法基本都是，在电炉中熔炼上述化学成分的钢锭；钢锭开坯成断面为接近钢轨断面形状的钢坯；利用机械加工的方法将钢坯加工成断面为钢轨尺寸的短钢轨。用这种制造方法制作的焊接材料因机械加工造成大量焊接材料的浪费，而且生产工艺周期长。也有利用铸造方法将不锈钢材料铸造成断面为钢轨形状的短钢轨，但铸造成形的钢轨内在质量差，力学性能低。目前，对于闪光焊接所用的焊接材料的制作方法没有关于热轧成形的文献报道。
关于高锰钢辙叉与碳钢钢轨焊接技术中，专利号为ZL 00121442.X和ZL200810054919.3的中国专利已经获得广泛的实际应用，焊接高锰钢辙叉产品不仅应用于我国广阔的铁路线路上，而且已经出口应用到澳大利亚、韩国、香港等20多个国家和地区的铁路线路上。在这两专利的使用过程中，存在焊接高锰钢辙叉成品率低、焊接材料成本高的问题，致使焊接高锰钢辙叉产品的成本较高。主要原因是：焊接接头产生微观裂纹几率高，这些是由于高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量高造成的，尽管这些高锰钢辙叉中有害元素的含量都满足普通整体铸造高锰钢辙叉成分标准要求(P<0.06wt％、S<0.035wt％、Si 0.3-0.8wt％)，但是作为焊接高锰钢辙叉在焊接接头熔合线附近就频频出现焊接液化微裂纹，而导致焊接高锰钢辙叉废品。为了避免焊接高锰钢辙叉出现液化裂纹，提高焊接高锰钢辙叉的质量和成品率，对铸造高锰钢辙叉的磷硫硅等有害杂质元素含量提出更严格的要求是必须的。
另外，目前用于高锰钢辙叉闪光焊接用的焊接材料都是低碳奥氏体+铁素体双相不锈钢或者低碳奥氏体不锈钢，其制造方法都是：冶炼后锻造再冷加工成 60kg标准轨断面形状的短钢轨(中国专利ZL 00121442.X和ZL200810054919.3)，一方面机械冷加工量很大，材料浪费巨大；另一方面，钢轨断面焊接材料变形量不均匀，造成焊接材料性能不均匀，影响焊接高锰钢辙叉的产品质量。因此，利用特殊轧制工艺方法把焊接材料轧制成标准60kg钢轨断面的奥氏体+铁素体双相不锈钢钢轨是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低成本、避免焊接高锰钢辙叉出现液化裂纹、提高焊接高锰钢辙叉的质量和成品率的用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的不锈钢钢轨材料及其制备方法。
本发明的用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的不锈钢钢轨材料是一种低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢，其中：铁素体含量<20％，C 0.05～0.15 wt％、P<0.003wt％、S<0.003wt％；焊接时，要求被焊接的高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量低，其中：P<0.025wt％、S<0.020wt％、Si<0.30wt％，其余为常规高锰钢辙叉的化学成分。
上述不锈钢钢轨材料的制备方法：
利用热挤压工艺方法将低碳奥氏体+铁素体双相不锈钢焊接材料轧制成短钢轨，首先将低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢钢锭在挤压前进行化学成分均匀化扩散退火，钢锭的加热速度<200℃/h，加热温度为1250℃，保温8～ 10h，然后直接挤压，首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，然后停留 3～6min使热变形奥氏体+铁素体组织发生完全再结晶，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，将挤压后的短钢轨直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体+铁素体组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、焊接高锰钢辙叉焊接接头质量优异，成品率高，避免焊接高锰钢辙叉出现液化裂纹；
2、焊接材料是经过热挤压制造的高品质焊接材料，其性能均匀、优异，零加工量，是一种满足高锰钢辙叉与碳钢钢轨闪光焊接性能要求的成本最低的焊接材料。
3、这种热挤压工艺方法结合控冷技术，实际上是一种形变热处理控制技术(TMCP技术)，可使材料获得非常优异的综合力学性能。
具体实施方式
实施例1
取铁素体含量<20％、C 0.10wt％、P 0.002wt％、S 0.002wt％的低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢钢锭，首先将钢锭以180℃/h的加热速度，加热到1250℃保温8h，进行化学成分均匀化扩散退火；首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，然后停留3min使热变形奥氏体+铁素体组织发生完全再结晶，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，将挤压后的短钢轨直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体81％+铁素体含量19％组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料，即用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接材料。
被焊接的高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量分别为0.020wt％、0.019wt％、0.12 wt％。
实施例2
取铁素体含量<20％、C 0.15wt％、P 0.001wt％、S 0.0009wt％的低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢钢锭，首先将钢锭以150℃/h的加热速度，加热到1250℃保温10h，进行化学成分均匀化扩散退火；首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，然后停留5min使热变形奥氏体+铁素体组织发生完全再结晶，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，将挤压后的短钢轨直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体90％+ 铁素体含量10％组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料，即用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接材料。
被焊接的高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量分别为0.022wt％、0.015wt％、0.26 wt％。
实施例3
取铁素体含量<20％、C 0.05wt％、P 0.003wt％、S 0.003wt％的低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢钢锭，首先将钢锭以100℃/h的加热速度，加热到1250℃保温9h，进行化学成分均匀化扩散退火；首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，然后停留6min使热变形奥氏体+铁素体组织发生完全再结晶，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，将挤压后的短钢轨直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体100％+ 铁素体含量0％组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料，即用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的焊接材料。
被焊接的高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量分别为0.024wt％、0.018wt％、0.16 wt％。

Claims (1)

1.一种用于焊接高锰钢辙叉与碳钢钢轨的不锈钢钢轨材料，其特征在于：它是一种低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢，其中：铁素体含量<20％，C0.05wt％、P<0.003wt％、S<0.003wt％；
制备方法如下：
焊接材料为利用热挤压工艺方法制成的横断面为钢轨形状的低碳奥氏体+铁素体双相钢钢轨，首先将低碳、低磷、低硫奥氏体+铁素体双相不锈钢钢锭在挤压前进行化学成分均匀化扩散退火，钢锭的加热速度<200℃/h，加热温度为1250℃，保温8～10h，然后直接挤压，首先在1100～1250℃温度区间进行第一次挤压，然后停留3～6min使热变形奥氏体+铁素体组织发生完全再结晶，再在950～1000℃温度区间进行第二次挤压，挤压成断面为钢轨形状的短钢轨，将挤压后的短钢轨直接水冷至室温，获得具有不完全再结晶奥氏体+铁素体组织的断面形状为钢轨形状的焊接材料；
焊接时，要求被焊接的高锰钢辙叉中磷、硫和硅含量低，其中：P<0.025wt％、S<0.020wt％、Si<0.30wt％，其余为常规高锰钢辙叉的化学成分。
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