CN110983192B - 一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能轨道扣件弹条及其制造方法与应用，其显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。另外，弹条的微观组织结构中还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物。所述新型高性能扣件弹条的制造方法包括：弹条原材料线材的热成型、弹条的淬火与回火处理、弹条的后处理。新型高性能扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，弹条的总脱碳层深度≤0.2mm，并且弹条具有优异的抗高周疲劳特性。所述扣件弹条应用于轨道交通领域，是轨道扣件系统的重要组成部分。

Description

一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用
技术领域
本发明属于轨道交通的轨道扣件系统技术领域，尤其是涉及一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用。
背景技术
轨道扣件系统是钢轨和轨下结构之间的联系纽带，其主要作用是固定钢轨位置、阻止钢轨发生纵/横向位移、防止钢轨倾斜侧翻、减振降噪，对保证整个轨道系统的稳定性和可靠性至关重要。作为轨道扣件系统的主要组成部件，弹条式扣压件(即弹条)具有线形变化大、弹性性能好等特点，是将钢轨稳固于轨枕上、确保钢轨间距恒定并保持铁路车辆顺畅运转线形的关键部件，其质量和性能直接影响整个轨道线路的行车安全。
从应用角度出发，弹条不仅需要具有一定的刚度和弹性，还需要足够的强度、良好的塑韧性以及优良的高周疲劳性能。目前扣件弹条的原材料主要为Si-Cr系、Cr-Mn系和Si-Mn系热轧弹簧钢(以60Si2Mn钢最为常见)线材，弹条内部的微观组织结构为回火屈氏体或回火索氏体。在实际服役过程中，由于承受冲击、振动、周期性交变载荷等复杂应力状态，弹条会出现应力松弛、永久塑性变形和过早的断裂失效。这其中，疲劳断裂是弹条最主要的失效模式，在复杂应力状态下弹条的疲劳寿命往往较低。因此，迫切需要研制具有高强韧、良好高周疲劳性能的扣件弹条，以保障轨道线路的行车安全。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用。
本发明扣件弹条具有高强韧性、高室温冲击韧性、优良高周疲劳性能等特点。所述扣件弹条的高韧性和优良高周疲劳特性主要来源于弹条微观结构中的薄膜状或条带状残余奥氏体。在冲击、振动、周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体会发生相变生成马氏体，从而阻碍疲劳裂纹的形成和扩展，提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的高屈服强度和抗拉强度主要来源于马氏体微观结构或马氏体与分布在马氏体基体中的弥散碳化物。另外，在保证弹条具有良好韧性的条件下，增加弹条的(屈服)强度能显著提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，并且扣件弹条表现出优良的高周疲劳性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种高性能扣件弹条。
一种高性能扣件弹条，所述扣件弹条的显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间；所述扣件弹条的显微组织中还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物；所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，弹条的总脱碳层深度≤0.2mm，并且扣件弹条表现出优良的高周疲劳性能。
所述高性能扣件弹条，其微观结构中所包含的残余奥氏体的几何形状主要为薄膜状或条带状，其厚度不超过500nm。
所述高性能扣件弹条，其微观结构中析出碳化物主要位于马氏体基体中，所述析出碳化物主要包括碳化钛(TiC)、碳化铌(NbC)、碳化钒(VC)或碳化钼(Mo2C)中的一种或一种以上。
另外，上述碳化物中的金属原子可能彼此相互置换，从而形成复合碳化物，如(Ti,Mo)C、(Nb,V)C等。另外，弹条中允许存在少量Fe的碳化物。当弹条的微观结构包含贝氏体时，上述碳化物也会存在于贝氏体基体中。
所述高性能扣件弹条化学成分的质量百分数为：0.2％≤C≤0.8％，0.5％≤Mn≤3.0％，1.0％≤Si≤2.5％，Cr≤2.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.15％，V≤0.15％，Mo≤0.50％，B≤0.004％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
另外，在不改变弹条内部微观组织结构的前提条件下，弹条的原材料化学成分还可以包含Al、Cu和Ni元素，但上述元素的质量百分数均不超过1.0％。
在本发明扣件弹条的微观组织结构设计中，各组元相的作用如下：
马氏体是使弹条具有高屈服强度、抗拉强度和硬度的主要组元相，其强度随材料碳含量的增加和弹条淬火后回火温度的降低而增加。
分布在马氏体和贝氏体基体中的析出碳化物进一步提升了弹条的屈服强度和硬度。本发明中控制析出碳化物的体积分数小于1％。当析出碳化物的体积分数超过1％，则弹条材料的韧性显著降低；另外，过多析出碳化物容易成为疲劳裂纹的源头而降低弹条的高周疲劳寿命。
贝氏体有助于增加弹条的韧性，但会相应降低弹条的强度和硬度。
弹条微观结构中的残余奥氏体起到增加弹条强韧性和高周疲劳性能的作用。外力作用下，薄膜状或条带状残余奥氏体(厚度不超过500nm)会逐步发生马氏体相变，弹条材料本身表现出适当高的加工硬化能力，使弹条材料具有较好的强韧性。更重要的是，在周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体相变形成的马氏体，有助于阻碍疲劳裂纹的形成和扩展，从而提升弹条的高周疲劳寿命。本发明中，限定残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。当残余奥氏体的体积分数小于3％时，其对弹条强韧性和高周疲劳寿命的提升不明显；当残余奥氏体的体积分数大于20％时，残余奥氏体的形貌多数会呈块状，奥氏体在外力作用下会迅速相变形成粗大块状马氏体，新形成的粗大块状马氏体周围容易存在细小裂纹，从而损害弹条的韧性和疲劳性能。
本发明中，扣件弹条的微观组织结构为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。所述扣件弹条的微观结构还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物。上述微观组织结构能确保扣件弹条具有高强韧性、室温冲击性能和优良的高周疲劳性能，弹条的高周疲劳寿命显著提升。
在本发明扣件弹条的成分设计中，各成分的作用如下：
C：C是本发明中主要添加的元素。一方面，C起固溶强化作用，增加马氏体的强度和硬度。另一方面，C能和Ti、V等碳化物形成元素结合，在马氏体、贝氏体的基体中形成碳化物，通过析出强化机制来进一步提升弹条的强度和硬度。再有，C促进残余奥氏体生成。当C含量过低时，回火马氏体的强度和硬度较低，并且残余奥氏体的含量和力学稳定性也相对较低，因而弹条的强度和延展性均较低。当C含量过高时，残余奥氏体过于稳定而不易发生变形诱导马氏体相变，因而无法形成由马氏体相变带来的对疲劳裂纹形成和扩展的抑制作用。因此，本发明控制C含量为0.2％～0.8％。
Mn：Mn在本发明中是重要合金元素。Mn可以减弱或消除由于S引起的钢的热脆性，改善弹条的热加工性能。Mn能增加奥氏体的稳定性，降低弹条淬火时临界冷却速度以及提高弹条的淬透性。Mn还能够提高弹条的加工硬化性能，从而提高弹条的强度。但是，过高的Mn含量会引起弹条原材料中Mn偏析，从而降低弹条的延展性和弯曲性能。因此，本发明控制Mn含量为0.5～3.0％。
Si：Si在本发明中是主要合金元素。Si是铁素体固溶强化元素，可提高弹条强度；另外，添加Si可以显著提高残余奥氏体的力学稳定性，有助于弹条获得高强塑性和优良疲劳性能。但是，过高Si含量会降低弹条的塑性。因此，本发明限定Si含量为1.0％～2.5％。
Cr：Cr在本发明中是重要合金元素。Cr可以细化弹条晶粒组织和抑制弹条热成型时晶粒粗化。Cr是铁素体形成元素，可促进C向奥氏体扩散，进而提高残余奥氏体的稳定性。Cr可以降低弹条淬火时临界冷却速度。过高Cr含量会破坏弹条的延展性。因此，本发明控制Cr含量小于2.0％。
Ti：Ti与C、N结合会形成Ti(C，N)、TiN和TiC，可细化弹条微观组织以及弹条热成型时阻碍晶粒粗化。添加过量Ti会使弹条原材料的成本增加，并使上述析出物含量增加进而降低弹条的韧性。因此，本发明限定Ti含量小于0.15％。
Nb：Nb与C、N结合会形成Nb(C，N)，可有效地抑制弹条热成型过程中晶粒粗化。但添加过量的Nb会使析出碳化物过量，从而影响弹条的韧性。因此，限定Nb含量小于0.15％。
V：V有助于细化弹条晶粒组织，但是添加V增加了钢的成本以及降低弹条的韧性。限定V含量小于0.15％。
Mo：一方面，Mo的作用与Cr相似；另一方面，Mo可以与C相结合在马氏体基体中形成析出碳化物以提高弹条的强度与刚度。添加过量的Mo会造成材料成本增加和弹条的韧性降低。本发明限定Mo≤0.5％。
B：B能提升弹条的淬透性，但过量的B会促进回火脆性。本发明限定B≤0.004％。
在不改变弹条内部微观组织结构的前提条件下，弹条的原材料化学成分还可以包含Al、Cu和Ni元素，但Al、Cu和Ni元素的质量百分数均不超过1.0％。
Al：Al同Si的作用相近，添加Al有助于提高残余奥氏体的力学稳定性，从而提高弹条的强塑性和疲劳性能。但是，过高Al含量会影响弹条原材料的可加工性。
Ni：Ni是奥氏体稳定化元素，可阻碍高温下晶粒粗化，但是Ni的价格昂贵从而增加生产成本。
Cu：Cu的作用和Ni相近，但Cu含量过高时对热变形加工不利。
P：P是固溶强化元素；但是P会增加弹条的冷脆性，降低弹条的塑韧性。因此，限定P含量≤0.02％。
S：S使弹条原材料产生热脆性，降低弹条的韧性。因此，限定S含量≤0.03％。
N：N是固溶强化元素，但会显著降低弹条的塑性和韧性。因此，限定N含量≤0.02％。
本发明规定了扣件弹条的显微组织和化学成分，其目的是确保扣件弹条具有高强韧性、室温冲击韧性和优良的高周疲劳性能。所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，并且扣件弹条具有高疲劳寿命。
本发明的第二方面提供上述扣件弹条的制造方法。
所述高性能扣件弹条的制造方法，包括如下步骤：
1)弹条原材料线材的热成型
将化学成分为0.2％≤C≤0.8％、0.5％≤Mn≤3.0％、1.0％≤Si≤2.5％、Cr≤2.0％、Ti≤0.15％、Nb≤0.15％、V≤0.15％、Mo≤0.50％、B≤0.004％、P≤0.02％、S≤0.03％、N≤0.02％、其余为Fe和不可避免杂质元素的原材料线材加热至850～1100℃温度区间，保温0.2～1h，然后将均热后的线材弯曲成型为任意需求形状的弹条，成型终了温度不低于760℃；
2)弹条的淬火与回火处理
将热成型后的弹条以不低于20℃/s的冷却速度淬火冷却至淬火温度QT，QT介于80～300℃，淬火前温度不低于760℃，淬火保温时长5s～10min；
随后，对淬火后的弹条实施回火处理，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT，TT介于180～500℃，回火保温时长20s～60min，其中，QT＜TT；回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
在本发明的一个实施方式中，步骤2)中，对淬火后的弹条实施两级回火处理：
第一级回火处理时，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT1，TT1介于180～500℃，回火保温时长Tt1介于20s～10min；第二级回火处理时，将回火温度升至TT2，TT2介于TT1～500℃，回火保温时长Tt2介于20s～60min-Tt1；其中，QT＜TT1＜TT2。回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
在本发明的另一个实施方式中，步骤2)中，对淬火后的弹条实施两级回火处理：第一级回火处理时，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT1，TT1介于180～500℃，回火保温时长Tt1介于20s～10min；第二级回火处理时，将回火温度降至TT2，TT2介于180℃～TT1，回火保温时长Tt2介于20s～60min-Tt1；其中，QT＜TT2＜TT1。回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
在本发明的一个实施方式中，步骤2)以后还包括：
步骤3)弹条的后处理
将淬火与回火处理后的弹条首先进行表面喷丸处理，喷丸压力0.1～0.6MPa，喷丸时长1～20min；喷丸处理后，弹条表面涂覆厚度为0.1～0.5mm的防锈漆用于防腐蚀处理。
本发明高性能扣件弹条的制备方法设计理由如下：
(1)弹条原材料线材的热成型
加热温度为850～1100℃。加热弹条原材料使其微观组织完全奥氏体化，并在奥氏体化温度区间完成弹条的热成型，即在Ac3以上温度完成弹条的热成型。本发明中，考虑弹条的成分设计，Ac3大于760℃。加热温度超过1100℃时，会造成弹条原材料过烧，原材料内部晶粒组织粗大从而使其热加工性能降低，同时淬火和回火处理后弹条的韧性也较低。加热温度低于850℃时，弹条原材料在弯曲热成型结束前由于温降的原因，弹条内部组织已出现铁素体，这使得淬火与回火处理后，弹条的强度和硬度显著降低；另外，由于加热温度低，弹条不易弯曲成型至规定的几何形状并且无表面和内部缺陷。
本发明规定热成型前原材料线材保温时间为0.2～1h。保温时间超过1h，会造成原材料内部晶粒组织粗大；保温时间低于0.2h，原材料内部温度尚未均匀。
(2)弹条的淬火与回火处理
对热成型弹条进行淬火处理。本发明中，淬火前温度不低于760℃，以不低于20℃/s的冷却速度将弹条淬火冷却至淬火温度(QT)80～300℃，淬火保温时长5s～10min。此工艺的主要目的是：通过控制淬火冷却速度和淬火温度，在热成型后的弹条内部建立马氏体和残余奥氏体组织；为进一步提升淬火与回火热处理后弹条的韧性，弹条的微观组织结构中还可以包含贝氏体组织。淬火前温度需要≥760℃，确保淬火前具有本发明设计成分的弹条拥有完全奥氏体组织；淬火冷却速度≥20℃/s，确保弹条在冷却至淬火温度过程中不会发生高温奥氏体向铁素体的转变。淬火温度QT需要介于弹条原材料的马氏体相变起始温度(Ms)与马氏体相变完成温度(Mf)之间，其中Ms和Mf主要取决于弹条原材料的化学成分。本发明中，根据设计的弹条的化学成分，淬火温度QT限定在80～300℃范围内，使得弹条经淬火和回火处理后微观组织包含适量的残余奥氏体体积分数(3％～20％)并且残余奥氏体具有良好的机械稳定性。当淬火温度QT＜80℃，微观组织中包含的残余奥氏体体积分数较少；当淬火温度QT＞300℃，淬火后微观组织中包含较多的奥氏体，但上述奥氏体稳定性较差，经回火处理和回火后冷却，相当多的奥氏体又会相变生成马氏体，因此弹条基体内部的残余奥氏体体积分数依然较少。淬火保温时间的选择主要是考虑弹条生产制备操作过程的便利性，较长的淬火保温时间会影响生产效率。
紧随其后，对淬火后的弹条实施一次性或两级回火处理，该工艺的主要目的是：一方面，使弹条内部淬火马氏体中C原子扩散配分至残余奥氏体中，以增加残余奥氏体的机械稳定性；另一方面，促进回火马氏体和贝氏体中碳化物析出。实际生产过程中，可以采用相同或不同的回火温度来完成碳配分(即碳原子从淬火马氏体向残余奥氏体扩散)和碳化物析出。当弹条采用一次性回火处理时(如附图1所示)，碳配分所需回火温度与碳化物析出所需要的回火温度相同，即TT；当弹条采用两级回火处理时，上述两者回火温度不同，碳配分回火温度TT1可以小于或者大于碳化物析出回火温度TT2(如附图2和附图3所示)。本发明中，选择回火温度(TT、TT1、TT2)介于180～500℃，并且回火温度＞QT。当回火温度＜180℃，碳配分和碳化物析出不能够充分进行；当回火温度＞500℃，残余奥氏体会发生分解，从而降低弹条内部残余奥氏体的含量。在回火处理时，需要以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度。当加热速度过低时，残余奥氏体会在加热过程中发生分解；另外，加热速度过低会影响生产效率。回火保温时间限定在20s～60min。回火保温时间＜20s，碳配分和碳化物析出不能够充分进行；回火保温时间＞60min，残余奥氏体会发生分解以及弹条生产效率低。对于两级回火处理，控制总回火保温时长不超过60min。实际生产过程中，可以通过适当提高回火温度来缩短回火保温时间。回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
(3)弹条的后处理
将淬火与回火处理后的弹条进行表面喷丸处理和涂覆防锈漆。本发明喷丸处理时，喷丸压力0.1～0.6MPa，喷丸时长1～20min。喷丸处理的目的是在弹条表面制造压应力，以增加弹条的疲劳寿命。喷丸压力过小和喷丸时间过短，弹条表面压应力过小，对提高弹条疲劳寿命的贡献不显著；喷丸压力过大和喷丸时间过长，弹条表面会出现凹坑，这反而会削弱弹条的疲劳寿命。
本发明采用上述微观组织结构以及化学成分设计、制备工艺，所制备弹条的显微组织为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体。主要利用马氏体来使弹条具有高屈服强度、抗拉强度和硬度。利用弹条微观结构中的薄膜状或条带状残余奥氏体来增加弹条强韧性和高周疲劳性能的作用。在周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体相变形成的马氏体，有助于阻碍疲劳裂纹的形成和扩展，从而提升弹条的高周疲劳寿命。
本发明为确保上述微观组织结构，需要限定弹条原材料的化学成分0.2％≤C≤0.8％、0.5％≤Mn≤3.0％、1.0％≤Si≤2.5％、Cr≤2.0％、Ti≤0.15％、Nb≤0.15％、V≤0.15％、Mo≤0.50％、B≤0.004％、P≤0.02％、S≤0.03％、N≤0.02％、其余为Fe和不可避免杂质元素。另外，还需要通过严格控制弹条的热成型工艺、淬火与回火热处理工艺、后处理工艺来实现。最终得到的扣件弹条的力学性能为：硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，并且表现出优良的高周疲劳性能。
本发明第三方面提供上述扣件弹条的应用。
所述高性能扣件弹条用于城市轨道交通或高速铁路的轨道扣件系统中。
本发明扣件弹条具有高强韧性和优良高周疲劳性能等特点。所述扣件弹条的高韧性和优良高周疲劳特性主要来源于弹条微观结构中的薄膜状或条带状残余奥氏体。在冲击、振动、周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体会发生相变生成马氏体，从而阻碍疲劳裂纹的扩展，提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的高强度主要来源于马氏体微观结构或马氏体与分布在马氏体基体中的弥散碳化物。在弹条具有良好韧性的前提条件下，增加弹条的(屈服)强度能显著提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，并且扣件弹条表现出优良的高周疲劳性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、同传统的扣件弹条相比较，本发明扣件弹条具有高强韧性和优良高周疲劳性能，可以在严苛复杂的承载环境下使用。
2、本发明主要通过控制微观组织结构、化学成分和制造工艺，实现弹条的高强韧性和优良高周疲劳性能。微观组织结构中马氏体和残余奥氏体对弹条的上述性能起到决定性作用。
3、同传统的扣件弹条相比较，本发明扣件弹条在原材料成本和生产工艺成本上均无明显提高。因此，本发明具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为一种高性能扣件弹条的制备工艺示意图。
图2为另一种高性能扣件弹条的制备工艺示意图。
图3为另一种高性能扣件弹条的制备工艺示意图。
图4为高性能扣件弹条的典型微观组织结构，主要包含马氏体和残余奥氏体。
图5为传统扣件弹条的制备工艺示意图。
图6为传统扣件弹条的典型微观组织结构，由回火马氏体和分布在回火马氏体基体中的渗碳体组成。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种扣件弹条原材料线材，其化学成分的质量百分数为：C＝0.58％，Si＝1.73％，Mn＝0.88％，Cr＝0.27％，P＜0.02％，S＜0.03％，N＜0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。如附图1所示，所述高性能扣件弹条的制备方法包括如下步骤：
1)弹条原材料线材的热成型：
将具有上述化学成分的原材料线材(直径20mm)加热至1050℃，保温0.3h，然后将均热后的线材弯曲成型为“e型”弹条，成型终了温度850℃。
2)弹条的淬火与回火处理：
将热成型后的弹条以约80℃/s的冷却速度淬火冷却至淬火温度(QT)140℃，淬火前温度为850℃，淬火保温时长2min；随后，对淬火后的弹条实施回火处理，以约35℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度(TT)410℃，回火保温时长5min；回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
3)弹条的后处理：
将淬火与回火处理后的弹条首先进行表面喷丸处理，喷丸压力0.5MPa，喷丸时长2min；喷丸处理后，弹条表面涂覆厚度为0.2mm的防锈漆用于防腐蚀处理。
图4所述为上述弹条的微观组织结构，主要由马氏体和薄膜状或条带状残余奥氏体组成，其中残余奥氏体的体积分数约为11％。弹条的硬度为49HRC、断面收缩率为39％、室温冲击功KV2＝14J。相应地，弹条材料的屈服强度为1540MPa、抗拉强度为1730MPa。
对上述弹条进行疲劳试验，弹条疲劳试验在位移控制式疲劳试验机上完成。施加弹条设计组装位移13mm，在此基础上分别继续施加动态位移+0.5mm～-0.9mm和+1.5mm～-1.5mm，加载频率15Hz，经107周次循环后，上述弹条均未发生疲劳断裂，并且弹条的残余变形均小于0.2mm。从上述弹条上取样，采用应力控制模式对弹条材料进行疲劳试验，选取平均应力1300MPa、应力幅300MPa、加载频率90Hz，经107周次循环后，弹条材料未发生疲劳破坏。
作为对比例，对同一原材料线材按图5所示传统制备工艺加工成“e型”弹条，将热成型弹条以约80℃/s的冷却速度淬火冷却至室温，然后再450℃～500℃温度区间回火。图6所示为传统工艺制备的弹条的典型微观组织结构，其由回火马氏体和渗碳体组成。该弹条的硬度为42.5HRC、断面收缩率为30％、室温冲击功KV2＝11J。相应地，弹条材料的屈服强度为1250MPa、抗拉强度为1430MPa。从弹条上取样，采用应力控制模式对弹条材料进行疲劳试验，选取平均应力1300MPa、应力幅200MPa、加载频率90Hz，弹条材料未完成1周次循环即发生破坏。
由上可知，在力学性能、尤其是高周疲劳性能上，弹条显著优于传统工艺生产的弹条。
实施例2
一种扣件弹条原材料线材，其化学成分的质量百分数为：C＝0.48％，Si＝1.2％，Mn＝1.5％，Nb＝0.2％，P＜0.02％，S＜0.03％，N＜0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。如附图2所示，所述高性能扣件弹条的制备方法包括如下步骤：
1)弹条原材料线材的热成型：
将具有上述化学成分的原材料线材(直径20mm)加热至1050℃，保温0.3h，然后将均热后的线材弯曲成型为“e型”弹条，成型终了温度850℃。
2)弹条的淬火与回火处理：
将热成型后的弹条以约80℃/s的冷却速度淬火冷却至淬火温度(QT)100℃，淬火前温度为850℃，淬火保温时长2min；随后，对淬火后的弹条实施两级回火处理，首先以约35℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度(TT1)360℃，回火保温时长0.5min；再将弹条加热至回火温度(TT2)420℃，回火保温时长3.0min；回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
3)弹条的后处理：
将淬火与回火处理后的弹条首先进行表面喷丸处理，喷丸压力0.5MPa，喷丸时长2min；喷丸处理后，弹条表面涂覆厚度为0.2mm的防锈漆用于防腐蚀处理。
上述弹条的微观组织结构，主要由马氏体、薄膜状或条带状残余奥氏体和析出碳化物NbC组成，其中残余奥氏体的体积分数约为6.0％。弹条的硬度为53HRC、断面收缩率为28％、室温冲击功KV2＝13J。相应地，弹条材料的屈服强度为1770MPa、抗拉强度为1940MPa。
对上述弹条进行疲劳试验，弹条疲劳试验在位移控制式疲劳试验机上完成。施加弹条设计组装位移13mm，在此基础上继续施加动态位移+0.9mm～-0.9mm，加载频率15Hz，经5*106周次循环后，上述弹条均未发生疲劳断裂，并且弹条的残余变形均小于0.2mm。
由上可知，弹条具有优异的力学性能和高周疲劳性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述高性能扣件弹条化学成分的质量百分数为：0.2％≤C≤0.8％，0.5％≤Mn≤3.0％，1.0％≤Si≤2.5％，Cr≤2.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.15％，V≤0.15％，Mo≤0.50％，B≤0.004％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述扣件弹条的显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间；所述扣件弹条的显微组织中还包含体积分数不超过1％的析出碳化物；
所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，弹条的总脱碳层深度≤0.2mm；
所述高性能扣件弹条的制造方法，包括如下步骤：
1)弹条原材料线材的热成型
将具有所述化学成分的原材料线材加热至850～1100℃温度区间，保温0.2～1h，然后将均热后的线材弯曲成型为弹条，成型终了温度不低于760℃；
2)弹条的淬火与回火处理
将热成型后的弹条以不低于20℃/s的冷却速度淬火冷却至淬火温度QT，QT介于80～300℃，淬火前温度不低于760℃，淬火保温时长5s～10min；
随后，对淬火后的弹条实施回火处理，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT，TT介于180～500℃，回火保温时长20s～60min，其中，QT＜TT；回火处理结束后，将弹条空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述残余奥氏体的几何形状为薄膜状或条带状，其厚度不超过500nm。
3.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述析出碳化物包括碳化钛、碳化铌、碳化钒或碳化钼中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，在不改变弹条内部微观组织结构的前提条件下，弹条的原材料化学成分还包含Al、Cu和Ni元素，但Al、Cu和Ni元素的质量百分数均不超过1.0％。
5.根据权利要求1所述高性能扣件弹条，其特征在于，步骤2)中，对淬火后的弹条实施两级回火处理：
第一级回火处理时，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT1，TT1介于180～500℃，回火保温时长Tt1介于20s～10min；第二级回火处理时，将回火温度升至TT2，TT2介于TT1～500℃，回火保温时长Tt2介于20s～60min-Tt1；其中，QT＜TT1＜TT2。
6.根据权利要求1所述高性能扣件弹条，其特征在于，步骤2)中，对淬火后的弹条实施两级回火处理：
第一级回火处理时，以不低于5℃/s的升温速度加热淬火后的弹条至回火温度TT1，TT1介于180～500℃，回火保温时长Tt1介于20s～10min；第二级回火处理时，将回火温度降至TT2，TT2介于180℃～TT1，回火保温时长Tt2介于20s～60min-Tt1；其中，QT＜TT2＜TT1。
7.根据权利要求1所述高性能扣件弹条，其特征在于，步骤2)以后还包括：
步骤3)弹条的后处理
将淬火与回火处理后的弹条首先进行表面喷丸处理，喷丸压力0.1～0.6MPa，喷丸时长1～20min；喷丸处理后，弹条表面涂覆厚度为0.1～0.5mm的防锈漆用于防腐蚀处理。
8.权利要求1-7中任一项所述高性能扣件弹条的应用，其特征在于，所述高性能扣件弹条用于城市轨道交通或高速铁路的轨道扣件系统中。
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