CN109778067B - 一种轨枕弹条的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨枕弹条的制备方法，涉及金属功能材料制备技术领域。轨枕弹条成分的质量百分含量为：碳C：0.56～0.60％；硅Si：1.8～2.0％；锰Mn：0.80～1.2％；钒V：0.15～0.2％；铜Cu：＜0.10％；铝Al：＜0.1％；硫S：＜0.015％；磷P：＜0.015％；余量为铁Fe，杂质元素氧含量O＜12ppm；氮含量为N＜15ppm；采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材。以该弹簧钢坯材为原材料，通过中频感应加热后进行轨枕弹条成型，放入气体共渗炉中，在480～520℃的条件下进行气体氮N、碳C、氧O共渗处理，在表面获得获得3～5微米厚的化合物层和0.1～0.2毫米厚的共渗层；对气体共渗后的轨枕弹条进行锌铝涂层处理，涂覆后在300～350℃的条件下烘干0.5～1小时，涂层厚度控制在3～5微米。
Description
技术领域
本发明涉及金属功能材料制备技术领域。
背景技术
铁路轨枕弹条是铁路扣件系统中的重要组成部分，用来扣压在钢轨上面，在列车运行过程中起到固定钢轨和减震降噪的作用。轨枕弹条一般由弹簧钢制备，在热加工成型后，依次进行淬火、中温回火和表面防腐等处理工序，不但要求具有高的抗疲劳性能、同时还要具有优异的耐环境腐蚀性能。但是在实际生产过程中，淬火均采用油冷却，回火时弹条表面的油会燃烧产生大量油烟，污染环境。在进行表面防腐处理前，还需要进行表面清洗和活化处理，会产生废液等，同样会污染环境。目前，轨枕弹条的主要防腐方式为粉末渗锌镍合金+涂层复合处理，粉末渗金属不但成本较高、还会产生粉尘污染。另外，根据铁路轨枕弹条疲劳试验标准TB/T2329-2002，弹条的疲劳寿命应不低于500万次，且使用寿命一般在5-8年时间就需要更换，使用周期短大幅度增加了维护成本。
针对目前轨枕弹条生产和使用过程中存在的问题，本发明通过控制原材料的成分、改进热处理和表面处理工艺，获得了一种铁路轨枕弹条的新型制备方法，显著改善了轨枕弹条的疲劳寿命和耐环境腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨枕弹条的制备方法，它能有效地解决延长轨枕弹条疲劳寿命和增强环境腐蚀性能的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种轨枕弹条的制备方法，该轨枕弹条采用含钒元素的弹簧钢坯材制造，所述弹簧钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.56～0.60％；硅Si：1.8～2.0％；锰Mn：0.80～1.2％；钒V：0.15～0.2％；铜Cu：<0.10％；铝Al：<0.1％；硫S：<0.015％；磷P：<0.015％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度保持在7级以上；以该弹簧钢坯材为原材料，通过中频感应加热后进行轨枕弹条拉拔成型，成型后的轨枕弹条采用气雾化的方式进行淬火处理，淬火介质为水和空气，将淬火后的轨枕弹条放入气体共渗炉中进行表面处理；在480±5℃的条件下进行氮N、碳C、氧O共渗处理2小时得到轨枕弹条基体的气体共渗化合物层和渗层；最后参照GB/T 26110-2010对气体共渗后的轨枕弹条进行锌铝涂层处理，涂覆后在300～350℃的条件下烘干1小时，涂层厚度控制在3～5微米。
所述轨枕弹条表面处理过程中采用氨气、空气和碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，向共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述的液体渗剂。
所述轨枕弹条在表面具有3～5微米厚的锌铝涂层，锌铝涂层下面3～5微米厚的气体共渗化合物层，接下来是0.1～0.2毫米厚的渗层即扩散层，所述扩散层表现为压应力状态。
所述淬火介质为气雾化后的水和空气，淬火后的轨枕弹条直接在480～520℃的温度下行气体共渗处理。
所述弹条在气体共渗中的尾气经过充分燃烧处理后，主要成分为氮气N2、水蒸气H2O和少量CO2。
所述热轧后的的弹簧钢坯材含有杂质元素，其中，杂质元素氧含量O<12ppm；氮含量为N<15ppm。
与现有技术相比的优点和效果在于：
首先，以目前轨枕弹条应用最多的弹簧钢60Si2Mn为基础，在成分设计和制造工艺上进行了改进，在成分中严格控制C含量，加入了V元素，对S、P、O、N等杂质元素的含量进行了严格的限制，同时采用感应真空电炉+气体保护电渣+锻造+轧制等制备工艺，可以获得成分组织均匀、洁净度高、晶粒较细的弹簧钢材料，加入微量的V元素有利于提高回火稳定性和细化微观组织，为进一步的表面气体共渗处理奠定基础。
其次，改进热处理工艺，通过空气和水的气雾化冷却取代了淬火过程中的油冷却，在保证产品性能和质量的前提下，大幅度降低了环境污染和节约了成本。所述轨枕弹条在制备过程中无废液、固体废弃物排放，气体共渗后的尾气经过充分燃烧处理后，主要成分为氮气N2、水蒸气H2O和少量CO2，对环境无污染。
再次，在回火过程中，同时进行气体共渗处理，通过严格控制气体成分和液体渗剂的比例，不但可以改善表面的硬度、强度、耐蚀性和耐疲劳性能，还减少了回火后再次加热进行表面处理的环节，进一步降低了成本。
最后，通过气体共渗+涂层复合处理技术取代现行的粉末渗锌镍合金+涂层复合技术，可以进一步减少环境污染和大幅度提高耐环境腐蚀性能，获得了具有长疲劳寿命和高耐蚀性的新型轨枕弹条。
附图说明
图1为本发明制备期间不同阶段的金相图
其中，(a)轧制后的坯料形貌；(b)淬火后的形貌；(c)最终弹条的基体形貌。
图2为本发明制备弹条宏观形貌，其中，(a)气体共渗后形貌；(b)最终弹条形貌。
图3为本发明的工艺流程示意图
图4为本发明的弹条的表面金相形貌
具体实施方法
实施例一
一种轨枕弹条的制备方法，该轨枕弹条采用含钒元素的弹簧钢坯材制造，所述弹簧钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.56％；硅Si：1.80％；锰Mn：0.80％；钒V：0.15％；铜Cu：0.05％；铝Al：0.08％；硫S：0.011％；磷P：0.012％；铁Fe：96.537％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级；以该弹簧钢坯材为原材料，通过中频感应加热后进行轨枕弹条拉拔成型，成型后的轨枕弹条采用气雾化的方式进行淬火处理，淬火介质为水和空气，淬火后的轨枕弹条放入气体共渗炉中进行表面处理；在480±5℃的条件下进行氮N、碳C、氧O共渗处理2小时得到气体共渗化合物层和渗层；最后参照GB/T 26110-2010对气体共渗后的轨枕弹条进行锌铝涂层处理，涂覆后在350℃的条件下烘干1小时，涂层厚度控制在5微米。
所述轨枕弹条表面处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，该液体渗剂中的碳C、氢H、氧O三种元素各自所占的比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，向共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升的所述液体渗剂。
最后得到所述轨枕弹条在表面具有3～5微米厚的锌铝涂层，锌铝涂层下面3～5微米厚的气体共渗化合物层，接下来是0.1～0.2毫米厚的渗层即扩散层，所述扩散层表现为压应力状态。
所述淬火介质为气雾化后的水和空气，淬火后的轨枕弹条直接在回火的温度下进行气体共渗处理。
所述弹条在气体共渗中的尾气经过充分燃烧处理后，主要成分为氮气N2、水蒸气H2O和少量CO2。
所述热轧后的弹簧钢坯材含有杂质元素，其中，杂质元素氧含量O：10ppm；氮含量为N：12ppm。
实施例二
一种轨枕弹条的制备方法，该弹条所采用弹簧钢主要成分的质量百分比如下：碳C：0.58％；硅Si：2.0％；锰Mn：1.0％；钒V：0.18％；铜Cu：0.0％；铝Al：0.06％；硫S：0.010％；磷P：0.010％；铁Fe：96.16％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级，其中，杂质元素氧含量O：10ppm；氮含量为N：12ppm。以该弹簧钢坯为原材料，采用中频感应加热，加热到温度为930±10℃，进行Ⅰ型-A弹条成型，成型后温度为840±5℃，然后进行气雾化淬火，淬火后弹条的硬度为HRC58，在480℃的条件下对淬火后的弹条同时进行回火和气体共渗处理2小时，表面气体共渗处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述液体渗剂。共渗处理后将弹条从共渗炉中取出后气雾化冷却至室温，处理后弹条的硬度为HRC45，渗层厚度约为0.15mm，其中化合物层厚度约3微米，然后采用含锌铝涂料进行表面涂覆，涂覆后在350℃左右的温度下烘干0.5小时，然后空冷至室温，涂覆层厚度控制在5微米左右。经过处理后该弹条通过了1000万次的疲劳试验检测和800小时的中性盐雾试验检测。
实施例三
一种轨枕弹条的制备方法，该弹条所采用弹簧钢主要成分的质量百分比如下：碳C：0.60％；硅Si：2.0％；锰Mn：1.2％；钒V：0.20％；铜Cu：0.06％；铝Al：0.0％；硫S：0.010％；磷P：0.010％；铁Fe：95.92％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级，其中，杂质元素氧含量O：10ppm；氮含量为N：14ppm。以该弹簧钢坯为原材料，采用中频感应加热，加热到温度为930±10℃，进行Ⅰ型-A弹条成型，成型后温度为840±5℃，然后进行气雾化淬火，淬火后弹条的硬度为HRC60，在500℃的条件下对淬火后的弹条同时进行回火和气体共渗处理2小时，表面气体共渗处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述液体渗剂。气体共渗处理后，将样品从共渗炉中取出，然后通过气雾化冷却的方法冷至室温，硬度为HRC44，渗层厚度约为0.2mm，其中化合物层厚度约5微米，然后采用含锌铝涂料进行表面涂覆，涂覆后在350℃左右的温度下烘干0.5小时，然后空冷至室温，涂覆层厚度控制在4微米。经过处理后该弹条通过了1200万次的疲劳试验检测和1200小时的中性盐雾试验检测。
实施例四
一种轨枕弹条的制备方法，该弹条所采用弹簧钢主要成分的质量百分比如下：碳C：0.56％；硅Si：1.9％；锰Mn：1.0％；钒V：0.18％；铜Cu：0.09％；铝Al：0.09％；硫S：0.012％；磷P：0.0％；铁Fe：96.168％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级，其中，杂质元素氧含量O：9ppm；氮含量为N：12ppm。以该弹簧钢坯为原材料，采用中频感应加热，加热到温度为950±10℃，进行Ⅰ型-B弹条成型，成型后温度为860±5℃，然后进行气雾化淬火，淬火后弹条的硬度为HRC57，在500℃的条件下对淬火后的弹条同时进行回火和气体共渗处理2小时，表面气体共渗处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需按比例通入100毫升所述液体渗剂。气体共渗处理后，将样品从共渗炉中取出，然后通过气雾化冷却的方法冷至室温，硬度为HRC43，渗层厚度约为0.2mm，其中化合物层厚度约5微米，然后采用含锌铝涂料进行表面涂覆，涂覆后在300℃左右的温度下烘干0.5小时，然后空冷至室温，涂覆层厚度控制在5微米。经过处理后该弹条通过了1000万次的疲劳试验检测和1200小时的中性盐雾试验检测。
实施例五
一种轨枕弹条的制备方法，该弹条所采用弹簧钢主要成分的质量百分比如下：碳C：0.57％；硅Si：1.9％；锰Mn：0.9％；钒V：0.18％；铜Cu：0.09％；铝Al：0.09％；硫S：0.014％；磷P：0.011％；铁Fe：96.245％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级，其中，杂质元素氧含量O：12ppm；氮含量为N：10ppm。以该弹簧钢坯为原材料，采用中频感应加热，加热到温度为950±10℃，进行Ⅰ型-B弹条成型，成型后温度为860±5℃，然后进行气雾化淬火，淬火后弹条的硬度为HRC58，在520℃的条件下对淬火后的弹条同时进行回火和气体共渗处理1.5小时，表面气体共渗处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述液体渗剂。气体共渗处理后，将样品从共渗炉中取出，然后通过气雾化冷却的方法冷至室温，硬度为HRC42，渗层厚度约为0.2mm，其中化合物层厚度约5微米，然后采用含锌铝涂料进行表面涂覆，涂覆后在350℃左右的温度下烘干0.5小时，然后空冷至室温，涂覆层厚度控制在5微米。经过处理后该弹条通过了1200万次的疲劳试验检测和1600小时的中性盐雾试验检测。
实施例六
一种轨枕弹条的制备方法，该弹条所采用弹簧钢主要成分的质量百分比如下：碳C：0.60％；硅Si：2.0％；锰Mn：1.2％；钒V：0.20％；铜Cu：0.05％；铝Al：0.08％；硫S：0.0％；磷P：0.01％；铁Fe：95.86％；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度为7级，其中，杂质元素氧含量O：10ppm；氮含量为N：10ppm。以该弹簧钢坯为原材料，采用中频感应加热，加热到温度为935±10℃，进行Ⅰ型-B弹条成型，成型后温度为840±5℃，然后进行气雾化淬火，淬火后弹条的硬度为HRC60，在510℃的条件下对淬火后的弹条同时进行回火和气体共渗处理1.5小时，表面气体共渗处理过程中采用氨气、空气和主要成分为碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，所述液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述液体渗剂。气体共渗处理后，将样品从共渗炉中取出，然后通过气雾化冷却的方法冷至室温，硬度为HRC43，渗层厚度约为0.18mm，其中化合物层厚度约4微米，然后采用含锌铝涂料进行表面涂覆，涂覆后在350℃左右的温度下烘干0.5小时，然后空冷至室温，涂覆层厚度控制在5微米。经过处理后该弹条通过了1200万次的疲劳试验检测和1600小时的中性盐雾试验检测。
Claims (4)
1.一种轨枕弹条的制备方法，该轨枕弹条采用含钒元素的弹簧钢坯材制造，所述弹簧钢坯材成分的质量百分比如下：碳C：0.56～0.60％；硅Si：1.8～2.0％；锰Mn：0.80～1.2％；钒V：0.15～0.2％；铜Cu：<0.10％；铝Al：<0.1％；硫S：<0.015％；磷P：<0.015％；余量为铁Fe；称取上述元素累计相加为100％，采用感应真空电炉通过气体保护电渣熔炼，再热锻、热轧制成弹簧钢坯材，热轧后的弹簧钢坯材需要去除表面脱碳层和氧化皮，奥氏体晶粒度保持在7级以上；以该弹簧钢坯材为原材料，通过中频感应加热后进行轨枕弹条拉拔成型，成型后的轨枕弹条采用气雾化的方式进行淬火处理，淬火介质为水和空气，将淬火后的轨枕弹条放入气体共渗炉中进行表面处理；在480～520℃的条件下进行氮N、碳C、氧O共渗处理2小时得到轨枕弹条基体的气体共渗化合物层和渗层；最后参照GB/T26110-2010对气体共渗后的轨枕弹条进行锌铝涂层处理，涂覆后在300～350℃的条件下烘干1小时，涂层厚度控制在3～5微米。
2.根据权利要求1所述的一种轨枕弹条的制备方法，其特征在于：所述轨枕弹条表面处理过程中采用氨气、空气和碳C、氢H、氧O的液体渗剂作为原材料，液体渗剂中的碳C、氢H、氧O比例为5:14:3，氨气和空气的比例为8:1，在共渗过程中，向共渗炉中每通入1m3氨气和空气的混合气体，需通入100毫升所述的液体渗剂。
3.根据权利要求1所述的一种轨枕弹条的制备方法，其特征在于：所述轨枕弹条在表面具有3～5微米厚的锌铝涂层，锌铝涂层下面3～5微米厚的气体共渗化合物层，接下来是0.1～0.2毫米厚的渗层即扩散层，所述扩散层表现为压应力状态。
4.根据权利要求1所述的一种轨枕弹条的制备方法，其特征在于：所述热轧后的弹簧钢坯材含有杂质元素，其中，氧含量O<12ppm；氮含量为N<15ppm。
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