CN114393181A - 一种超高强塑韧高锰钢及其拼装辙叉和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强塑韧高锰钢及其拼装辙叉和制备方法,属于道岔钢轨件技术领域,该高锰钢按质量百分比计,包括以下组分:C:0.50~0.59%,N:0.10~0.18%,Mn:15.0~17.0%,Cr:6.0~7.0%,Cu:0.3~0.5%,Y:0.02~0.04%,P≤0.02%%,S≤0.02%%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过合理设计高锰钢的化学成分,系统优化冶炼、精炼高锰钢工艺,显著提升了辙叉的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及道岔钢轨件技术领域,特别是涉及一种超高强塑韧高锰钢及其拼装辙叉和制备方法。
背景技术
近年来,我国铁路事业快速发展,尤其是川藏铁路的开工建设,其沿线恶劣的气候、地质环境对轨道钢的服役性能提出了更高的要求。铁路辙叉是铁路轨道的关键组成部分,其服役环境最为恶劣。传统制备工艺生产的高锰钢辙叉无法满足严苛条件下铁路辙叉的使用需求,亟需升级辙叉钢及辙叉制造工艺。
为了提高高锰钢辙叉的使用性能,可采取改进和完善辙叉结构、优化辙叉钢的化学成分、提高钢的冶金质量、形变热处理等方法。专利公告号CN101323891B,名称为“一种纯净高锰钢辙叉的制造方法”的中国发明专利中提出,将化学成分(wt.%)为CaO25%,CaF225%,Re-Mg50%的变质剂预先加入到钢包中,钢液冲入钢包后与变质剂混合从而达到净化钢液、提高辙叉性能的目的。专利公告号CN108251627B,名称为“一种对铸造高锰钢辙叉进行局部形变热处理方法”的中国专利中,提出将铸造辙叉的心轨宽20-60mm段以及相应的翼轨加高15~35mm,经固溶处理后进行压下变形,以获得一种局部形变热处理辙叉,这种处理方法可以显著改善心轨和翼轨过渡段的微观组织并提高力学性能。虽然在提高高锰钢辙叉使用性能方面开展了诸多尝试,但当前辙叉制造工艺方法仍专注于某单一环节,造成提高辙叉使用寿命的综合效益较小,并且,辙叉钢的性能也无法满足严苛服役环境下铁路轨道的使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高强塑韧高锰钢及其拼装辙叉和制备方法,以解决上述现有技术存在的问题,从而显著提升辙叉的使用性能。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种超高强塑韧高锰钢,按质量百分比计,包括以下组分:
C:0.50~0.59%,N:0.10~0.18%,Mn:15.0~17.0%,Cr:6.0~7.0%,Cu:0.3~0.5%,Y:0.02~0.04%,P≤0.02%%,S≤0.02%%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种上述的超高强塑韧高锰钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)在电弧炉中加入废钢、中碳铬铁和中碳锰铁熔化,1550~1650℃出钢转入AOD炉;
(2)在AOD炉中造渣进行脱磷操作,并根据高锰钢成分要求加入高碳铬铁、高碳锰铁和铜对钢液成分进行调整,在脱磷操作过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氮和氩的混合气体;AOD炉冶炼结束后,温度为1500~1650℃时转入LF炉进行精炼;
(3)在LF炉中对钢液进行精炼,加入锰铁合金调控碳、锰含量,加入氮化铬铁调控铬、氮含量,通过喂丝方式加入颗粒状钇合金包芯线,1430~1500℃时LF炉精炼结束;
(4)LF炉精炼结束后,将钢液浇铸,得到所述超高强塑韧高锰钢。
进一步地,在步骤(2)中,所述氧、氮和氩的混合气体中氧、氮和氩的体积比为4:2:1。
进一步地,在步骤(3)中,在LF炉中对钢液进行精炼过程中还进行吹氮操作,吹氮时间≥30min,氮化合金与吹氮工艺结合,以实现钢液高效增氮及合金元素在钢液中的均匀分布。
进一步地,在步骤(4)中,所述钢液浇铸为电极锭,电极锭为金属模铸造,金属模内通有冷却循环水以加速钢液凝固。
本发明还提供一种拼装辙叉的制备方法,包括以下步骤:
(1)在氮气保护下,利用电渣重熔技术处理上述的高锰钢,待炉内氧气含量低于0.05wt.%时开始起弧进行熔炼,熔炼完成后通入结晶器,钢锭模冷至800℃后出锭,水冷;
(2)将步骤(1)电渣重熔的钢锭装入温度为500℃的热处理炉中,缓慢加热至1180~1200℃,保温3~4h进行锻造;
(3)将步骤(2)锻造得到的锻坯进行水韧处理后,机加工,组装即得所述拼装辙叉。
进一步地,在步骤(1)中,所述结晶器内通有冷却的循环水,循环水温度不高于30℃。
进一步地,在步骤(2)中,所述锻造采用自由锻和模锻,始锻温度1180℃,终锻温度≥980℃,将钢锭锻造为与拼装辙叉心轨和翼轨尺寸相近的锻坯,锻造比≥3。
进一步地,在步骤(3)中,所述锻坯直接加热至1150℃并保温10~20min,取出后进行水韧处理。
本发明还提供一种上述的拼装辙叉的制备方法制备得到拼装辙叉。
本发明公开了以下技术效果:
(1)本发明通过控制高锰钢中C、Mn、Cr的含量,增氮同时大幅提高材料性能;
(2)AOD、LF、电渣重熔技术结合冶炼高锰钢,大幅提高高锰钢洁净度;
(3)氮化合金与吹氮结合,提高增氮效率并保证元素的均匀分布;
(4)采用通有循环水的钢锭模制作电极锭,加速钢液凝固,防止氮溢出,提高钢中固氮量;
(5)电渣重熔过程采用氮气保护,结晶器内循环水温度低,加速结晶,防止氮溢出,提高钢中固氮量;
(6)电渣锻造高锰钢晶粒尺寸细小,夹杂物含量低,氮含量控制稳定,无宏观偏析,性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电渣重熔结晶器的形状尺寸图,其中,(a)为心轨镶嵌块电渣结晶器正视图(左)和侧视图(右),(b)为翼轨镶嵌块电渣结晶器正视图(左)和侧视图(右)。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1
(1)高锰钢电极锭的制备
在电弧炉中加入废钢、中碳铬铁、中碳锰铁,粗调钢液成分,1550℃出钢转入AOD炉。
在AOD炉中进行脱磷操作,并加入高碳铬铁、高碳锰铁和铜,过程中持续向炉中吹入氧、氮、氩混合气体,其通入比例按照体积4:2:1进行控制,AOD炉冶炼结束后,钢液中各合金元素含量基本达到目标值,之后将钢液转入LF炉,出钢温度为1500℃。
在LF炉中对钢液进行精炼,加入锰铁合金调控碳、锰含量,加入氮化铬铁调控铬、氮含量,通过喂丝方式加入颗粒状钇合金包芯线,冶炼过程中进行底吹氮,吹氮时间为30min。1430℃出钢浇铸为高锰钢电极锭,电极锭为金属模铸造,金属模内通有冷却循环水加速钢液凝固。
(2)高锰钢电渣重熔
利用电渣重熔技术处理高锰钢电极锭,待炉内氧气含量低于0.05wt.%时开始起弧,全程通入高纯氮气进行保护。结晶器的形状如图1所示,结晶器内通入冷却的循环水,循环水温度为10℃。
熔炼完成后,钢锭模冷至800℃后出锭并水冷。
(3)高锰钢锻造
将电渣重熔的钢锭装入温度为500℃的热处理炉中,缓慢加热至1200℃,保温3h后出炉进行锻造。
锻造采用自由锻和模锻,始锻温度1180℃,终锻温度980℃。将钢锭锻造为与分体式辙叉心轨和翼轨尺寸相近的锻坯,锻造比为3.1。
将锻坯加热至1150℃的炉中保温10min,取出后进行水韧处理。经检测,锻坯中无宏观合金元素偏析。
将锻坯机加工为分体式辙叉的心轨和翼轨镶嵌块,利用螺栓连接方式与钢轨组成分体式辙叉。
对上述所得高锰钢进行成分检测,所得高锰钢的化学成分(wt.%)为:C:0.59,N:0.18,Mn:16.9,Cr:7.0,Cu:0.5,Y:0.02,P:0.008,S:0.003。
该辙叉记为1号辙叉,对锻造区域区域进行常规力学性能测试,结果如表1所示。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于,高锰钢的化学成分不同;该对比例1通过调整原料的加入比例,并采用与实施例1相同的工艺方法制备传统高锰钢,化学成分为C:1.21,Mn:12.3,P:0.010%,S:0.004%。加工成的辙叉记为2号辙叉,在与1号辙叉相同位置的2号辙叉上取样进行常规力学性能测试,拉伸性能测试依据国家标准GB/T 228.1-2010执行,冲击性能测试依据国家标准GB/T 229-2020执行,测试结果如表1所示。
表1.高锰钢辙叉的常规力学性能
由上述结果可知,通过在传统高锰钢成分基础上进行降碳、增锰、添铬铜、增氮,同时了提高了高锰钢的强塑韧性。
对比例2
在电弧炉中加入废钢、高碳铬铁、高碳锰铁,经还原期和氧化期操作后,1570℃出钢转入普通钢包。钢包进行底吹氮操作,氮气压力0.6MPa,吹氮时间为15min,通过喂丝方式加入颗粒状钇合金包芯线。1430℃出钢后采用砂模铸造将钢液浇铸为心轨和翼轨镶嵌块形状,待铸坯冷却至500℃以下时开箱。
经检测,高锰钢的化学成分(wt.%)为:C:0.55,N:0.08,Mn:16.0,Cr:6.5,Cu:0.4,Y:0.015,P:0.019,S:0.009,其中钢中固溶氮含量无法满足成分设计要求,且辙叉钢内部存在肉眼可见的气孔缺陷。切除铸造冒口后将铸坯加热至1150℃,保温4h后进行水韧处理。采用机加工和螺栓连接方式将铸造镶嵌块加工成分体式辙叉。在与1号辙叉相同位置上取样进行常规力学性能测试,如表2所示。
表2.高锰钢辙叉的常规力学性能
由上述结果可知,采用普通高锰钢冶炼、铸造工艺无法制造出符合本发明化学成分的高锰钢,并且铸件中存在气孔缺陷,力学性能差。
实施例2
(1)高锰钢电极锭的制备
在电弧炉中加入废钢、中碳铬铁、中碳锰铁,1550℃出钢转入AOD炉。
在AOD炉中进行脱磷操作,并加入高碳铬铁、高碳锰铁和铜,过程中持续向炉中吹入氧、氮、氩混合气体,其通入比例按照体积4:2:1进行控制,AOD炉冶炼结束后,钢液中各合金元素含量基本达到目标值,之后将钢液转入LF炉,出钢温度为1630℃。
在LF炉中对钢液进行精炼,加入锰铁合金调控碳、锰含量,加入氮化铬铁调控铬、氮含量,通过喂丝方式加入颗粒状钇合金包芯线,冶炼过程中进行底吹氮,吹氮时间为30min。1450℃出钢浇铸为钢锭,钢锭为金属模铸造,金属模内通有冷却循环水加速钢液凝固。
(2)高锰钢电渣重熔
利用电渣重熔技术处理高锰钢电极锭,待炉内氧气含量低于0.05wt.%时开始起弧,全程通入高纯氮气进行保护。结晶器的形状如图1所示,结晶器内通入冷却的循环水,循环水温度为10℃。
熔炼完成后,钢锭模冷至800℃后出锭水冷。
(3)高锰钢锻造
将钢锭装入温度为500℃的热处理炉中,缓慢加热至1180℃,保温4h后出炉进行锻造。
锻造采用自由锻,始锻温度1180℃,终锻温度1000℃。
将钢锭锻造为与分体式辙叉心轨和翼轨尺寸相近的锻坯,锻造比为3.5。
将锻坯加热至1150℃的炉中保温10min,取出后进行水韧处理。经检测,锻坯内部存在宏观成分偏析。
将锻坯机加工为分体式辙叉的心轨和翼轨镶嵌块,利用螺栓连接方式与钢轨组成分体式辙叉。
对上述所得高锰钢进行成分检测,所得高锰钢的化学成分(wt.%)为:C:0.50,N:0.15,Mn:17.0,Cr:6.0,Cu:0.3,Y:0.02,P:0.009,S:0.004。
在与1号辙叉相同位置上取样进行常规力学性能测试,如表3所示。
表3.高锰钢辙叉的常规力学性能
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超高强塑韧高锰钢,其特征在于,按质量百分比计,包括以下组分:
C:0.50~0.59%,N:0.10~0.18%,Mn:15.0~17.0%,Cr:6.0~7.0%,Cu:0.3~0.5%,Y:0.02~0.04%,P≤0.02%%,S≤0.02%%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的超高强塑韧高锰钢的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在电弧炉中加入废钢、中碳铬铁和中碳锰铁熔化,1550~1650℃出钢转入AOD炉;
(2)在AOD炉中造渣进行脱磷操作,并根据高锰钢成分要求加入高碳铬铁、高碳锰铁和铜对钢液成分进行调整,在脱磷操作过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氮和氩的混合气体;AOD炉冶炼结束后,温度为1500~1650℃时转入LF炉进行精炼;
(3)在LF炉中对钢液进行精炼,加入锰铁合金调控碳、锰含量,加入氮化铬铁调控铬、氮含量,通过喂丝方式加入颗粒状钇合金包芯线,1430~1500℃时LF炉精炼结束;
(4)LF炉精炼结束后,将钢液浇铸,得到所述超高强塑韧高锰钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述氧、氮和氩的混合气体中氧、氮和氩的体积比为4:2:1。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,在LF炉中对钢液进行精炼过程中还进行吹氮操作,吹氮时间≥30min。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,在步骤(4)中,所述钢液浇铸为电极锭,电极锭为金属模铸造,金属模内通有冷却循环水以加速钢液凝固。
6.一种拼装辙叉的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在氮气保护下,利用电渣重熔技术处理权利要求1所述的高锰钢,待炉内氧气含量低于0.05wt.%时开始起弧进行熔炼,熔炼完成后通入结晶器,钢锭模冷至800℃后出锭,水冷;
(2)将步骤(1)电渣重熔的钢锭装入温度为500℃的热处理炉中,缓慢加热至1180~1200℃,保温3~4h进行锻造;
(3)将步骤(2)锻造得到的锻坯进行水韧处理后,机加工,组装即得所述拼装辙叉。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述结晶器内通有冷却的循环水,循环水温度不高于30℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述锻造采用自由锻和模锻,始锻温度1180℃,终锻温度≥980℃,将钢锭锻造为与拼装辙叉心轨和翼轨尺寸相近的锻坯,锻造比≥3。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,在步骤(3)中,所述锻坯直接加热至1150℃并保温10~20min,取出后进行水韧处理。
10.一种权利要求6-9任一项所述的拼装辙叉的制备方法制备得到拼装辙叉。
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