CN111363905B - 一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法：包括：对铸造合金化高锰钢辙叉预热处理；铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分(wt％)为：C：0.95～1.35、Mn：11.0～14.0、Cr：0.2～1.0、Mo：0.2～1.2、V：0.05～0.35、Si：0.3～0.8、Ni：0.002～1.5、Re：0.001～0.05、Mg：0.001～0.005、P：≦0.045、S：≦0.03，其余为Fe；对预热后的辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的辙叉；对奥氏体组织的辙叉进行时效处理，完成热处理过程。通过该热处理方法，可以促进奥氏体基体上弥散析出大量纳米至亚微米级碳化物，提高高锰钢辙叉的屈服强度。

Description

一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法
技术领域
本发明属于材料热处理技术领域，具体涉及一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法。
背景技术
ZGMn13钢已广泛用于铁路辙叉技术领域，但随着社会发展和铁路运输速度的提高，人们对铁路辙叉力学性能及使用寿命提出了更高的要求。因此，人们在高锰钢辙叉结构设计、铸造工艺、锻造工艺、合金化及热处理等方面开展了广泛研究。目前，公认的ZGMn13钢的化学成分(wt％)范围为C 1.0～1.4、Mn 11～14，其余为铁和少量杂质，如Si、S、P等。其热处理又称之为水韧处理，是将高锰钢加热至某一温度(一般为800～1200℃)，水淬至室温，获得单相奥氏体组织。水韧处理后的高锰钢辙叉屈服强度小于370MPa，基体硬度仅有HB210左右，无法满足现代铁路高速、重载的使用要求。因此需要在传统高锰钢基础上进行合金化设计及热处理工艺研究。
高锰钢导热性低，100℃以下为碳钢的1/4～1/6，600℃时为碳钢的1/2～5/7；高锰钢热膨胀系数大，为碳钢的2倍，500℃以上更大；加热到300℃以上，会在晶内和晶界上析出脆性碳化物，有时会发生珠光体转变。因此在热处理过程中必须对加热速率及冷却过程严格控制。在合金化高锰钢中合金元素的加入会使ZGMn13钢的相图发生改变，其热处理工艺也必须随合金成分变化做出相应的变化。一方面Cr、Mo、Ni、Si等元素固溶入奥氏体和V、Cr、Mo等碳化物形成元素形成的细小弥散碳化物会提高高锰钢的强度，但这些元素也容易导致过热碳化物及未溶碳化物的产生，必须对合金化高锰钢辙叉热处理工艺进行调整和严格控制，以发挥合金化元素提高强度的作用，同时避免有害组织的产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法，包括：
步骤1：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理；该铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分(wt％)为：C：0.95～1.35、Mn：11.0～14.0、Cr：0.2～1.0、Mo：0.2～1.2、V：0.05～0.35、Si：0.3～0.8、Ni：0.002～1.5、Re：0.001～0.05、Mg：0.001～0.005、P：≦0.045、S：≦0.03，其余为Fe。
步骤2：对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；
步骤3：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成热处理过程。
在本发明的一个实施例中，步骤1包括：
将铸造合金化高锰钢辙叉放入炉温不高于400℃的加热炉中，以每小时不大于60℃的升温速度升至600～650℃进行预热处理并保温1.5～3h。
在本发明的一个实施例中，步骤2包括：
步骤2.1：将加热炉升温至1000～1150℃，对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行加热并保温；其中，升温速度≤150℃/h，保温时间为1.5～4h。
步骤22：将铸造合金化高锰钢辙叉从加热炉内取出，并全部浸入水中进行晃动冷却，从而得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；其中，从开启炉门到高锰钢辙叉入水的时间≤60s；冷却时间≥40min；高锰钢辙叉在水中晃动的时间≥10min；高锰钢辙叉入水前的水温≤35℃；入水后的水温≤50℃。
在本发明的一个实施例中，步骤3包括：
将奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉加热至250～400℃，并保温1.5～4h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成热处理过程。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的热处理方法可避免辙叉在加热过程中的开裂，同时可避免热处理后组织中过热碳化物、未溶碳化物及析出碳化物超标；
2、本发明所述的热处理方法可以促进奥氏体基体上弥散析出大量纳米至亚微米级碳化物，显著提高高锰钢辙叉的屈服强度，同时获得高韧性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明实施例提供了一种型号为92-60-12G的铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法，具体包括以下步骤：
步骤1：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
该铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分(wt％)为：C：1.15、Mn：13.0、Cr：0.45、Mo：0.45、V：0.18、Si：0.53、Ni：0.005、Re：0.001、Mg：0.002、P：0.027、S：0.012，其余为Fe。
其中，Cr、Mo有固溶强化的作用，Ni可以稳定奥氏体，减少网状组织；
这三种元素均有助于提高奥氏体稳定性，可抑制后续水韧处理过程中网状碳化物的析出，Mo、V元素配合后期的热处理可以析出细小碳化物从而提高铸造高锰钢辙叉的强度，Re可以净化晶界，改善夹杂物状态。
具体的预热处理工艺为：将铸造合金化高锰钢辙叉放入炉温不高于400℃的加热炉中，以每小时40℃的升温速度升至600℃进行预热处理并保温，保温时间为2h；加热炉可以为电阻炉或燃气加热炉。
由于高锰钢的导热性很低，若是未经过预热处理，那在水韧处理阶段，高锰钢辙叉内外温度不一致，会由于热应力导致开裂，从而影响辙叉的使用寿命。
步骤2：对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉。
具体地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：预热保温过程结束后，直接将加热炉升温至1070℃，对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行加热并保温；其中，升温速度为100℃/h，保温时间为3h。
步骤2.2：将铸造合金化高锰钢辙叉从加热炉内取出，并全部浸入水中进行晃动冷却，从而得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；其中，从开启炉门到高锰钢辙叉入水的时间为40s；冷却的时间为50min；合金化高锰钢辙叉在水中晃动的时间为15min，高锰钢辙叉入水前的水温为23℃；入水后的水温≤40℃。
高锰钢的铸态组织由奥氏体、碳化物以及少量的相变产物珠光体所组成，水韧加热的目的是将高锰钢辙叉加热至奥氏体区温度，从而使铸态组织中的碳化物固溶于奥氏体组织内，然后进行快速冷却，从而得到单一的过冷奥氏体组织，消除了高锰钢辙叉中的碳化物，从而增强了高锰钢辙叉的韧性。
步骤3：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成热处理过程。
将奥氏体组织的高锰钢辙叉加热至300℃，并保温3h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成铸造合金化高锰钢辙叉的热处理过程。
经过上述热处理后的合金化高锰钢辙叉组织为奥氏体基体以及大量弥散分布在基体上的纳米至亚微米级碳化物，从而可以提高高锰钢辙叉的屈服强度和抗拉强度，同时，由于析出的碳化物尺寸很小，也不会损伤高锰钢辙叉的韧性。
实施例2
本发明实施例提供了一种型号为75-12TS的铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法，具体包括以下步骤：
步骤1：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
该铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分(wt％)为：C：1.08、Mn：13.5、Cr：0.55、Mo：0.35、V：0.22、Si：0.40、Ni：0.002、Re：0.003、Mg：0.001、P：0.035、S：0.008，其余为Fe。
具体的预热处理工艺为：将铸造合金化高锰钢辙叉放入炉温不高于400℃的加热炉中，以每小时30℃的升温速度升至650℃进行预热处理并保温，保温时间为3h。
步骤2：对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉。
具体地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：预热保温过程结束后，直接将加热炉升温至1100℃，对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行加热并保温；其中，升温速度为80℃/h，保温时间为3.5h。
步骤2.2：将铸造合金化高锰钢辙叉从加热炉内取出，并全部浸入水中进行晃动冷却，从而得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；其中，从开启炉门到高锰钢辙叉入水的时间为55s；冷却的时间为55min；合金化高锰钢辙叉在水中晃动的时间为20min，高锰钢辙叉入水前的水温为28℃；入水后的水温≤45℃。
步骤3：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成热处理过程。
将奥氏体组织的高锰钢辙叉加热至330℃，并保温2.5h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成铸造合金化高锰钢辙叉的热处理过程。
实施例3
本发明实施例提供了一种型号为92-60-12G的铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法，具体包括以下步骤：
步骤1：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
该铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分(wt％)为：C：1.23、Mn：12.8、Cr：0.75、Mo：0.75、V：0.31、Si：0.67、Ni：1.1、Re：0.03、Mg：0.003、P：0.033、S：0.013，其余为Fe。
具体的预热处理工艺为：将铸造合金化高锰钢辙叉放入炉温不高于400℃的加热炉中，以每小时30℃的升温速度升至600℃进行预热处理并保温，保温时间为3h。
步骤2：对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉。
具体地，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：预热保温过程结束后，直接将加热炉升温至1120℃，对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行加热并保温；其中，升温速度为80℃/h，保温时间为2.5h。
步骤2.2：将铸造合金化高锰钢辙叉从加热炉内取出，并全部浸入水中进行晃动冷却，从而得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；其中，从开启炉门到高锰钢辙叉入水的时间为60s；冷却的时间为60min；合金化高锰钢辙叉在水中晃动的时间为15min，高锰钢辙叉入水前的水温为30℃；入水后的水温≤45℃。
步骤3：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成热处理过程。
将奥氏体组织的高锰钢辙叉加热至400℃，并保温2h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成铸造合金化高锰钢辙叉的热处理过程。
本发明实施例1～实施例3得到的合金化高锰钢辙叉的力学性能及金相组织评级结果如表1所示。
表1合金化高锰钢辙叉力学性能及金相组织评级结果
Figure BDA0002432852780000071
按照GB/T13925-2010标准评级：过热碳化物≤G2级，析出碳化物≤X3级，未溶碳化物≤W3级，本发明实施例1～实施例3的高锰钢辙叉均达到了要求，且得到的高锰钢辙叉的屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥900MPa，延伸率≥50％，冲击值(20℃)≥200J。
本发明实施例通过这种热处理方法，可以达到以下有益效果：
1、本发明实施例所述的热处理方法对进炉温度控制、预热以及升温速度的控制可以避免辙叉在加热过程中的开裂，同时可避免热处理后组织中过热碳化物、未溶碳化物及析出碳化物超标；
2、本发明实施例所述的热处理方法可以促进奥氏体基体上弥散析出大量纳米至亚微米级碳化物，显著提高高锰钢辙叉的屈服强度，同时获得高韧性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种铸造合金化高锰钢辙叉的热处理方法，其特征在于，包括：
步骤1：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理；该铸造合金化高锰钢辙叉的化学成分的重量百分比为：C：0.95~1.35、Mn：11.0~14.0、Cr：0.2~1.0、Mo：0.2~1.2、V：0.05~0.35、Si：0.3~0.8、Ni：0.002~1.5、Re：0.001~0.05、Mg：0.001~0.005、P：≦0.045、S：≦0.03，其余为Fe；
将铸造合金化高锰钢辙叉放入炉温不高于400℃的加热炉中，以每小时不大于60℃的升温速度升至600~650℃进行预热处理并保温1.5~3h；
步骤2：对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行水韧处理，得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；
步骤2.1：将加热炉升温至1000~1150℃，对预热后的铸造合金化高锰钢辙叉进行加热并保温；其中，升温速度≤150℃/h，保温时间为1.5~4h；
步骤2.2：将铸造合金化高锰钢辙叉从加热炉内取出，并全部浸入水中进行晃动冷却，从而得到奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉；其中，从开启炉门到高锰钢辙叉入水的时间≤60s；冷却时间≥40min；高锰钢辙叉在水中晃动的时间≥10min；高锰钢辙叉入水前的水温≤35℃；入水后的水温≤50℃；
步骤3：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成热处理过程；
将奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉加热至250~400℃，并保温1.5~4h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成热处理过程。
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CN100467626C (zh) * 2006-12-26 2009-03-11 大连交通大学 提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理方法

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