CN111411297B - 一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺 - Google Patents

一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺，该辙叉的化学组成(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。本发明制备的合金化高锰钢辙叉，晶粒尺寸比普通高锰钢辙叉细化1～2级，可提高高锰钢辙叉韧性，减小裂纹扩展速率，提高使用寿命。

Description

一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺
技术领域
本发明属于高锰钢辙叉制备技术领域，具体涉及一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺。
背景技术
ZGMn13已广泛用于铁路辙叉技术领域，但随着现代高速、重载铁路的发展，传统的高锰钢辙叉已不能很好地满足实际使用要求。利用合金化提高高锰钢辙叉力学性能以提高辙叉使用寿命是铁路辙叉用高锰钢发展的重要方向，例如美国发明了一种利用细小碳氮化合物提高辙叉力学性能的Ni、V、Ti微合金化高锰钢，使辙叉使用寿命得到显著提高。这种微合金化高锰钢的成分(wt％)为：Mn11.0-24.0、C1.0-1.4、Si≥1、Cr≥1.9、Ni≥0.25、Mo≥1.0、Al≥0.2、Cu≥0.25、杂质P≤0.07、S≤0.06、微合金Ti、Nb、V的加入量分别约为0.020～0.070，N大约为0.001-0.01，并且微合金化元素Ti+Nb+V+N的总和不小于0.05％，不超过0.22％。加拿大通过向高锰钢中加入V以提高其力学性能，高锰钢的硬度随V含量的增加而增高，耐磨性能在V含量为2％时最佳，其耐磨性达到普通高锰钢的5倍。欧洲标准的辙叉用高锰钢成分(wt％)为：C0.95-1.3、Si≤0.65、Mn11.5-14、Ni≤1.75、Mo≤0.75、Cr≤0.5、Cu≤0.3、Al≤0.045、P≤0.05、S≤0.03。合金元素的增加可以显著提高高锰钢的屈服强度，但合金元素的加入会加重偏析，较多的Cr容易导致网状碳化物产生，V、Cr、Mo等碳化物形成元素也容易导致过热碳化物及未溶碳化物的产生，因此其含量必须进行优化和控制。
我国对铁路辙叉用高锰钢开展过加V合金化处理的研究，在高锰钢成分的基础上加入V、Ti等进行合金化，其目的是为了细化晶粒，提高高锰钢强度，从而提高使用寿命。但在实际生产中依靠V、Ti细化奥氏体晶粒以提高强度的效果并不显著。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种合金化高锰钢辙叉及其制造工艺。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种合金化高锰钢辙叉，所述合金化高锰钢辙叉的化学组成(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。
本发明的另一个实施例还提供了一种合金化高锰钢辙叉的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni，在出钢前加入稀土；并对各成分的含量进行调控；
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的铸造合金化高锰钢辙叉；
步骤3：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理；
步骤4：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5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成合金化高锰钢辙叉的制造。
在本发明的一个实施例中，合金化高锰钢辙叉的出钢温度为1460～
1600℃，浇铸温度为1400～1500℃。
在本发明的一个实施例中，步骤3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4包括：
步骤4.1：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4.2：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℃。
在本发明的一个实施例中，步骤5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，完成合金化高锰钢辙叉的制造。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的合金化高锰钢辙叉晶粒尺寸比普通高锰钢辙叉细化1～2级，可提高高锰钢辙叉韧性，减小裂纹扩展速率，提高使用寿命；
2、本发明所述的铸造合金化高锰钢辙叉经水韧处理和时效处理后可获得奥氏体基体上弥散析出大量纳米至亚微米级碳化物的组织，其屈服强度比普通高锰钢提高50～100Mpa，满足高速、重载铁路的使用需求。
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60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造工艺，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的化学组成成分(wt％)为：C：1.11、Mn：13.08、Cr：0.46、Mo：0.43、V：0.18、Si：0.58、Ni：0.005、Re：0.001、Mg：0.002、P：0.026、S：0.015，其余为Fe。
具体包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni等，在出钢前加入稀土，并对各成分的含量进行调控。
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高锰钢辙叉的强度，Re可以净化晶界，改善夹杂物状态。
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉，出钢温度为1550℃，浇筑温度为1450～1500℃。
步骤3：对60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
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4：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4包括以下步骤：
步骤4.1：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4.2：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5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
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60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉经过水韧处理和时效处理后，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的屈服强度为432MPa，抗拉强度为992MPa，延伸率为56.3％，冲击值(20℃)为234J，屈服强度比普通高锰钢辙叉提高了大约70MPa。
实施例2
本发明实施例提供了一种60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造工艺，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的化学组成成分(wt％)为：C：1.13、Mn：12.9、Cr：0.55、Mo：0.35、V：0.22、Si：0.40、Ni：0.002、Re：0.004、Mg：0.002、P：0.035、S：0.009，其余为Fe。
具体包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni等，在出钢前加入稀土，并对各成分的含量进行调控。
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉，出钢温度为1540℃，浇筑温度为1450～1500℃。
步骤3：对60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
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4：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4包括以下步骤：
步骤4.1：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4.2：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5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
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60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉经过水韧处理和时效处理后，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的屈服强度为453MPa，抗拉强度为988MPa，延伸率为59.3％，冲击值(20℃)为212J，屈服强度比普通高锰钢辙叉提高了大约90MPa。
实施例3
本发明实施例提供了一种60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造工艺，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的化学组成成分(wt％)为：C：1.26、Mn：12.8、Cr：0.75、Mo：0.65、V：0.30、Si：0.62、Ni：1.3、Re：0.03、Mg：0.002、P：0.033、S：0.009，其余为Fe。
具体包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni等，在出钢前加入稀土，并对各成分的含量进行调控。
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉，出钢温度为1560℃，浇筑温度为1450～1500℃。
步骤3：对60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
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4：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4包括以下步骤：
步骤4.1：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4.2：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5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
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60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉经过经过后续的水韧处理和时效处理后，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的屈服强度为460MPa，抗拉强度为989MPa，延伸率为61.8％，冲击值(20℃)为209J，屈服强度比普通高锰钢辙叉提高了大约100MPa。
实施例4
本发明实施例提供了一种60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造工艺，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的化学组成成分(wt％)为：C：1.03、Mn：12.08、Cr：0.76、Mo：0.93、V：0.08、Si：0.38、Ni：0.85、Re：0.001、Mg：0.001、P：0.036、S：0.012，其余为Fe。
具体包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni等，在出钢前加入稀土，并对各成分的含量进行调控。
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉，出钢温度为1560℃，浇筑温度为1450～1500℃。
步骤3：对60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
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650℃进行预热处理并保温，保温时间为2h。
步骤4：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4包括以下步骤：
步骤4.1：预热保温过程结束后，直接将加热炉升温至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，升温速度为100℃/h，保温时间为3h。
步骤4.2：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50s；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32℃；入水后的水温≤50℃。
步骤5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
将奥氏体组织的高锰钢辙叉加热至350℃，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60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉经过水韧处理和时效处理后，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的屈服强度为436MPa，抗拉强度为1036MPa，延伸率为66.3％，冲击值(20℃)为246J，屈服强度比普通高锰钢辙叉提高了大约70MPa。
实施例5
本发明实施例提供了一种60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造工艺，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的化学组成成分(wt％)为：C：1.31、Mn：13.8、Cr：0.36、Mo：0.46、V：0.28、Si：0.68、Ni：1.05、Re：0.03、Mg：0.001、P：0.036、S：0.025，其余为Fe。
具体包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni等，在出钢前加入稀土，并对各成分的含量进行调控。
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉，出钢温度为1520℃，浇筑温度为1450～1500℃。
步骤3：对60-12ZH型铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理。
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50℃的升温速度升至600℃进行预热处理并保温，保温时间为2.5h；加热炉可以为电阻炉或燃气加热炉。
步骤4：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4包括以下步骤：
步骤4.1：预热保温过程结束后，直接将加热炉升温至1000℃，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90℃/h，保温时间为4h。
步骤4.2：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45min；合金化高锰钢辙叉在水中晃动的时间为17min，高锰钢辙叉入水前的水温为35℃；入水后的水温≤40℃。
步骤5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
将奥氏体组织的高锰钢辙叉加热至320℃，并保温4h，使合金化高锰钢辙叉析出纳米至亚微米级碳化物，完成60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的制造。
成型的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉经过水韧处理和时效处理后，得到的60-12ZH型合金化高锰钢辙叉的屈服强度为442MPa，抗拉强度为963MPa，延伸率为55.3％，冲击值(20℃)为214J，屈服强度比普通高锰钢辙叉提高了大约90MPa。
本发明实施例制备的这种合金化高锰钢辙叉，可以达到以下有益效果：
1、本发明所述的合金化高锰钢辙叉晶粒尺寸比普通高锰钢辙叉细化1～2级，可提高高锰钢辙叉韧性，减小裂纹扩展速率，提高使用寿命；
2、本发明所述的合金化高锰钢辙叉经水韧处理和时效处理后可获得奥氏体基体上弥散析出大量纳米至亚微米级碳化物的组织，其屈服强度比普通高锰钢提高50～100Mpa，满足高速、重载铁路的使用需求。
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 (3)

1.一种合金化高锰钢辙叉的制造工艺，其特征在于，所述合金化高锰钢辙叉的化学组成的重量百分比为：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；所述制造工艺包括以下步骤：
步骤1：冶炼钢水：向电弧炉中加入废铁进行冶炼，在氧化期加入Mo铁，在还原期后期加入Mn铁、Cr铁、V铁、工业纯Ni，在出钢前加入稀土；并对各成分的含量进行调控；
步骤2：待钢水炉前成分检验合格后调控钢液温度，并进行浇铸，得到成型的铸造合金化高锰钢辙叉；
步骤3：对铸造合金化高锰钢辙叉进行预热处理；
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4：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4.1：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4.2：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5：对奥氏体组织的合金化高锰钢辙叉进行时效处理，完成合金化高锰钢辙叉的制造；
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，完成合金化高锰钢辙叉的制造。
2.根据权利要求1所述的合金化高锰钢辙叉的制造工艺，其特征在于，合金化高锰钢辙叉的出钢温度为1460～1600℃，浇铸温度为1400~1500℃。
3.一种根据权利要求1~2任一项所述的制造工艺得到合金化高锰钢辙叉，其特征在于，所述合金化高锰钢辙叉的化学组成的重量百分比为：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。
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