CN115261725B - 一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备方法 - Google Patents

一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备方法，属于道岔钢轨件技术领域，该过渡材料是一种单相奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，包括以下原料：C0.09～0.13％，Si≤0.20％，Mn4.0～5.0％，Ni10.5～11.0％，Cr17.0～17.2％，Mo1.8～2.0％，N0.01～0.03％，P≤0.015％，S≤0.010％，H≤0.0004％，O≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质，本发明采用感应加热、低温、快速率、一次挤压成形，生产效率高，整体变形比大，中间焊接材料的组织更细小稳定，力学性能更加优异，实现了中间焊接材料的一次快速近终成形制造。

Description

一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及道岔钢轨件技术领域，特别是涉及一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备方法。
背景技术
高锰钢辙叉与高碳钢轨的焊接曾是限制铁路发展的瓶颈，中间焊接材料是高锰钢辙叉与高钢钢轨焊接的关键之一。多年来，为了进一步提高焊接质量、降低焊接成本，国内外对中间焊接材料的化学成分和制造工艺改进进行了多次尝试。专利号ZL91104903.7，名称为“高锰铸钢道岔部件或锰钢轨与碳素钢轨的连接方法”的中国专利提出，适用于高锰铸钢道岔部件或锰钢轨与碳素钢轨的连接材料为一种经过铌或/和钛稳定处理的低碳铬镍奥氏体钢，其中铌含量至少是含碳量的10倍，而钛含量至少是碳含量的5倍。专利号为ZL00121442.X，名称为“高锰钢辙叉与碳钢钢轨加介质闪光焊接方法”的中国专利，提出了利用CrMn NiMo系奥氏体-铁素体双相钢作为介质材料，通过闪光焊接将高锰钢辙叉和碳钢钢轨连接在一起，其中铁素体的含量为10％左右。虽然这两个专利中提及了中间焊接材料的成分体系及组织特征，但均没有提及如何将中间焊接材料加工成钢轨轮廓以适配辙叉和钢轨的外形。专利号为ZL200810054919.3，名称为“高锰钢辙叉与碳钢钢轨闪光焊接的连接材料及制造方法”的中国专利，提出了连接材料为CrNiW系奥氏体-铁素体双相不锈钢，制造方法为中频感应炉熔炼-电渣重熔-开辟为“T型钢坯-机械加工为短钢轨。然而，利用这种方法制造的焊接材料短钢轨需要非常大的机械加工余量，造成成本大幅上升。并且，对于双相不锈钢而言，其利用化学成分和热处理工艺控制各相含量及形态对大规模工业化生产而言难度较大；而在焊后如果保留了较高的残余应力，则极易在两相界面处形成裂纹，引起焊接缺陷。
由此可见，当前的中间焊接材料制备方法成本高、组织稳定性差，严苛服役环境(如高原、高寒等)下焊接高锰钢辙叉易在焊接接头形成缺陷，亟需开发一种成材率高、低成本、组织稳定的中间焊接材料制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提供一种成材率高、低成本、组织稳定的中间焊接材料。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料，是一种单相奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，包括以下原料：C0.09～0.13％，Si≤0.20％，Mn4.0～5.0％，Ni10.5～11.0％，Cr17.0～17.2％，Mo1.8～2.0％，N0.01～0.03％，P≤0.015％，S≤0.010％，H≤0.0004％，O≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料是晶粒级别＞5.5的均匀奥氏体组织。
一种所述高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)获得化学成分合格的钢液，浇铸为电极锭，对所述电极锭进行重熔处理，出锭水冷得到钢锭；
(2)对所述钢锭进行均匀化处理，预锻，经墩粗和拔长工艺后得到锻坯，待所述锻坯冷却后，将所述锻坯表面车光、截断，得到挤压锭，挤压锭头部呈锥形(保证后续挤压过程顺利一次成形)；
(3)对所述挤压锭进行加热，优选利用感应加热炉对挤压锭进行加热；
(4)将加热后的挤压锭传送至挤压筒内，同时完成除磷和润滑，对所述挤压锭进行挤压操作，优选利用传送履带将加热后的挤压锭传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑，优选利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作；
(5)挤压完成后，得到中间过渡材料短轨，在空气中静置后水冷或直接吹风冷却至室温，获得高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料。
进一步地，步骤(1)使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉获得化学成分合格的钢液；
重熔处理渣池的温度为1780～1800℃；
重熔处理后，冷至900℃出锭水冷。
进一步地，步骤(2)均匀化处理温度为1200℃，时间为10h；
所述锻坯的直径为364～365mm，锻造比＞4；
所述挤压锭的直径为363mm，长度为650mm。
进一步地，步骤(3)所述加热为四段式加热，一段表层加热至1100～1150℃，将所述挤压锭取出静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热；最后再次将挤压锭温度升高至1080～1120℃后出炉，全部加热耗时30～40min。
进一步地，步骤(4)挤压前将所述挤压筒预热至200～300℃，以减少挤压前挤压锭温降。
所述挤压筒的直径为375mm；
进一步地，步骤(4)挤压过程中挤压速度为180～190mm/s，挤压变形比＞8，总体变形比＞12。
挤压过程中，通过挤压模的孔型尺寸控制中间焊接材料的成形尺寸(在本发明中，挤压锭通过挤压模挤出，挤压模类似热作模具，控制金属挤出后的外形尺寸，为本领域常见的挤压模)，并根据实际轨形的不同调整挤压模尺寸，保证挤压完成后预留1～2mm加工余量。
进一步地，步骤(5)在空气中静置5～10min。
本发明公开了以下技术效果：
(1)挤压中间过渡材料选用高镍含量的奥氏体不锈钢，在后续热处理及挤压过程中，微观组织更易调控；
(2)挤压前对中间焊接材料铸锭进行高温均匀化和预锻处理，保证了挤压前化学成分和微观组织的均匀性；
(3)挤压前将挤压锭头部加工成锥形结构，保证挤压锭可以一次性顺利通过挤压模具，避免多次挤压变形；
(4)采用感应加热、低温、快速率、一次挤压成形，生产效率高，整体变形比大，中间焊接材料的组织更细小稳定，力学性能更加优异，实现了中间焊接材料的一次快速近终成形制造；
(5)根据挤压模孔型尺寸调整中间焊接材料的轨形，可轻松实现各种不同轨形焊接材料的挤压；
(6)该焊接材料的奥氏体组织稳定，挤压成型后采用静置+水冷或直接空冷的冷却方式便可获得均匀细小的单向奥氏体组织，避免了后续的再次热处理工序。
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为挤压锭形状尺寸；
图2为实施例1得到的高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的金相照片；
图3为实施例2得到的高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的金相照片；
图4为实施例3得到的高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的金相照片；
图5为对比例4得到的中间过渡材料的金相照片；
图6为对比例5得到的中间过渡材料的金相照片。
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。
本发明实施例中未详细述及的工艺，均为本领域的常规技术手段，且并非本发明重点。
本发明实施例提供一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料，是一种单相奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，包括以下原料：C0.09～0.13％，Si≤0.20％，Mn4.0～5.0％，Ni10.5～11.0％，Cr17.0～17.2％，Mo1.8～2.0％，N0.01～0.03％，P≤0.015％，S≤0.010％，H≤0.0004％，O≤0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料是晶粒级别＞5.5的均匀奥氏体组织。
本发明实施例提供一种所述高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)获得化学成分合格的钢液，浇铸为电极锭，对所述电极锭进行重熔处理，出锭水冷得到钢锭；
(2)对所述钢锭进行均匀化处理，预锻，经墩粗和拔长工艺后得到锻坯，待所述锻坯冷却后，将所述锻坯表面车光、截断，得到挤压锭，挤压锭头部呈锥形(保证后续挤压过程顺利一次成形)；
(3)对所述挤压锭进行加热，优选利用感应加热炉对挤压锭进行加热；
(4)将加热后的挤压锭传送至挤压筒内，同时完成除磷和润滑，对所述挤压锭进行挤压操作，优选利用传送履带将加热后的挤压锭传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑，优选利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作；
(5)挤压完成后，得到中间过渡材料短轨，在空气中静置后水冷或直接吹风冷却至室温，获得高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料。
在本发明的实施例中，步骤(1)使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉获得化学成分合格的钢液，具体步骤为：
在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600～1650℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500～1650℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450～1480℃时钢包精炼炉精炼结束；
重熔处理渣池的温度为1780～1800℃；
重熔处理后，冷至900℃出锭水冷。
在本发明的实施例中，步骤(2)均匀化处理温度为1200℃，时间为10h；
所述锻坯的直径为364～365mm，锻造比＞4；
所述挤压锭的直径为363mm，长度为650mm。
在本发明的实施例中，步骤(3)所述加热为四段式加热，一段表层加热至1100～1150℃，将所述挤压锭取出静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热；最后再次将挤压锭温度升高至1080～1120℃后出炉，全部加热耗时30～40min。
在本发明的实施例中，步骤(4)挤压前将所述挤压筒预热至200～300℃，以减少挤压前挤压锭温降。
所述挤压筒的直径为375mm；
在本发明的实施例中，步骤(4)挤压过程中挤压速度为180～190mm/s，挤压变形比＞8，总体变形比＞12。
挤压过程中，通过挤压模的孔型尺寸控制中间焊接材料的成形尺寸，并根据实际轨形的不同调整挤压模尺寸，保证挤压完成后预留1～2mm加工余量。
在本发明的实施例中，步骤(5)在空气中静置5～10min。
本发明实施例中锻坯表面车光、截断为本领域的常规技术手段，且并非本发明重点，在此不做赘述。
实施例1
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.09，Si0.14，Mn4.7，Ni10.6，Cr17.1，Mo1.9，N0.01，P0.015，S0.003，H0.0003，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为4.3。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1100℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为180mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后吹风冷却，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为9，总变形比为13.3，得到中间焊接材料，成材率达86％。
对本实施例得到的中间焊接材料的轨头组织和性能进行测试，金相照片见图2，中间过渡材料的力学性能见表1，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，硬度测试依据国家标准GB/T 231.1-2018。可见，其组织为单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸为26.9μm，晶粒度级别为7.5级，各项力学性能指标均远高于中间过渡材料的标准要求。
表1.中间过渡材料的力学性能
Figure BDA0003780760590000071
实施例2
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1630℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1580℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1460℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.10，Si0.14，Mn5.0，Ni11.0，Cr17.0，Mo2.0，N0.03，P0.010，S0.005，H0.0002，O0.0020，余量为Fe。将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1790℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为364mm的锻坯，始锻温度为1180℃，终锻温度为930℃，锻造比为4.5。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对锻坯进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1150℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放置感应炉内将温度冲高至1100℃后快速出炉，全部加热耗时35min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至300℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为186mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC54钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后静置5min后水冷，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为11.1，总变形比为15.6，得到中间焊接材料，成材率达88％。
对本实施例得到的中间焊接材料的轨头组织和性能进行测试，测试方法及标准同实施例1，金相照片见图3，力学性能见表2，可见，其组织为单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸为23.7μm，晶粒度级别为7.5级，各项力学性能指标均远高于中间过渡材料的标准要求。
表2.中间过渡材料的力学性能
Figure BDA0003780760590000091
实施例3
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1650℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1650℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1480℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.13，Si0.10，Mn4.5，Ni10.9，Cr17.1，Mo1.8，N0.02，P0.011，S0.005，H0.0002，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1800℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷，对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度1150℃，终锻温度960℃，锻造比为4.6。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1120℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放置感应炉内将温度冲高至1090℃后快速出炉，全部加热耗时38min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至300℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为190mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC54钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后静置10min后水冷，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为11.1，总变形比为15.7，得到中间焊接材料，成材率达86％。
对本实施例得到的中间焊接材料的轨头组织和性能进行测试，测试方法及标准同实施例1，金相照片见图4，力学性能见表3，可见，其组织为单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸为31.2μm，晶粒度级别为7.0级，各项力学性能指标均远高于中间过渡材料的标准要求。
表3.中间过渡材料的力学性能
Figure BDA0003780760590000101
对比例1
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.12，Si0.14，Ni7.1，Cr16.5，W1.2，P0.012，S0.004，H0.0004，O0.0021，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为4.3。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1100℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为180mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后吹风冷却，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为11.2，总变形比为15.5，得到中间焊接材料。
对本实施例得到的中间焊接材料的轨头组织和性能进行测试，力学性能见表4，测试方法及标准同实施例1。可见，该焊接材料的各项力学性能指标均低于实施例1。
表4.中间过渡材料的力学性能
Figure BDA0003780760590000111
对比例2
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.09，Si0.14，Mn4.7，Ni10.6，Cr17.1，Mo1.9，N0.01，P0.015，S0.003，H0.0003，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为4.3。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。该对比例不再对挤压锭进行特殊加工，挤压前保持圆柱外形。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1100℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm。在对该挤压锭进行快速挤压时发生挤压机停车，挤压锭无法一次通过挤压模，挤压成形失败。
对比例3
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.09，Si0.14，Mn4.7，Ni10.6，Cr17.1，Mo1.9，N0.01，P0.015，S0.003，H0.0003，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为4.3。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为一段式直接加热，经40min后将挤压锭均匀加热至1080℃。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为180mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后吹风冷却，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为9，总变形比为13.3，得到中间焊接材料。
在上述工艺下依然可以顺利完成中间焊接材料的挤压过程，但加热过程耗时更长，能耗更高，在影响生产效率的同时，也提高了中间焊接材料的生产成本。
对比例4
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.09，Si0.14，Mn4.7，Ni10.6，Cr17.1，Mo1.9，N0.01，P0.015，S0.003，H0.0003，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1200℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为2.7。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1100℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为180mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后吹风冷却，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为9，总变形比为11.7，得到中间焊接材料。
对本对比例得到的中间焊接材料的轨头组织和性能进行测试，金相照片见图5，力学性能见表5，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，硬度测试依据国家标准GB/T 231.1-2018。可见，其组织为单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸为66.9μm，晶粒度级别为4.5级，强度级别远低于实施例1。
表5.中间过渡材料的力学性能
Figure BDA0003780760590000131
Figure BDA0003780760590000141
对比例5
使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉炼钢，在电弧炉中加入高碳铬铁和不锈钢废钢，粗调钢液成分，1600℃出钢转入氩氧精炼炉；在氩氧精炼炉中造渣进行脱磷操作，并加入钼铁、镍铁等对钢液成分进行调整，过程中持续在钢包底部向钢液中吹入氧、氩混合气体。氩氧精炼炉冶炼结束后，钢液中各合金元素含量基本达到目标值，温度为1500℃时转入钢包精炼炉进行精炼；在钢包精炼炉中对钢液进行精炼，采用底吹氮气的形式将氮元素引入到钢液中，同时精确控制其他合金元素化学成分，1450℃时钢包精炼炉精炼结束，得到化学成分合格的钢液，化学成分(wt.％)为：C0.09，Si0.14，Mn4.7，Ni10.6，Cr17.1，Mo1.9，N0.01，P0.015，S0.003，H0.0003，O0.0020，余量为Fe，将钢液浇铸为电极锭，利用电渣重熔炉对电极锭进行处理，重熔温度为1780℃，熔炼完成后钢锭模冷至900℃出锭水冷。对钢锭进行1100℃×10h均匀化处理，之后进行预锻，经墩拔工艺处理后锻造为直径为365mm的锻坯，始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比为4.3。待锻坯自然冷却后，将锻坯表面车光、截断，最终挤压锭直径为363mm，长度为650mm。为保证后续挤压过程顺利一次成形，将挤压锭头部加工成锥形结构。利用感应加热炉对挤压锭进行加热，加热工艺为四段式加热，一段表层加热至1100℃，将挤压锭取出在大气环境下静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热。最后再次将挤压锭放至感应炉内将温度冲高至1080℃后快速出炉，全部加热耗时30min。利用传送履带将加热后的挤压锭快速传递至挤压筒内，传送途中完成高压水除磷和玻璃粉表面润滑。利用MN级卧式热挤压机组对挤压锭进行挤压操作，挤压桶直径为375mm，挤压前需将挤压筒预热至200℃，以减少挤压前挤压锭温降。挤压过程中控制挤压速度为180mm/s。挤压模孔型尺寸在UIC60钢轨外形基础上外扩2mm，挤压完成后吹风冷却，中间过渡材料钢轨的挤压变形比为9，总变形比为13.3，得到中间焊接材料。
对本对比例得到的中间焊接材料的轨头组织进行测试，金相照片见图6，可见，其基体组织为奥氏体组织，同时沿挤压变形方向分布高温铁素体，奥氏体平均晶粒尺寸为27.1μm，晶粒度级别为7.5级，由于均匀化处理不充分，导致组织均匀性很差。
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 (3)

1.一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料，其特征在于，是一种单相奥氏体不锈钢，按照质量百分比计，包括以下原料：C0.09~0.13%，Si≤0.20%，Mn4.0~5.0%，Ni10.5~11.0%，Cr17.0~17.2%，Mo1.8~2.0%，N0.01~0.03%，P≤0.015%，S≤0.010%，H≤0.0004%，O≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）获得化学成分合格的钢液，浇铸为电极锭，对所述电极锭进行重熔处理，出锭水冷得到钢锭；
（2）对所述钢锭进行均匀化处理，预锻，经墩粗和拔长工艺后得到锻坯，待所述锻坯冷却后，将所述锻坯表面车光、截断，得到挤压锭，挤压锭头部呈锥形，均匀化处理温度为1200℃，时间为10h；所述锻坯的直径为364~365mm，锻造比＞4；所述挤压锭的直径为363mm，长度为650mm；
（3）对所述挤压锭进行加热；
（4）将加热后的挤压锭传送至挤压筒内，同时完成除磷和润滑，对所述挤压锭进行挤压操作；
（5）挤压完成后，得到中间过渡材料短轨，在空气中静置后水冷或直接吹风冷却至室温，获得高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料；
步骤（3）所述加热为四段式加热，一段表层加热至1100~1150℃，将所述挤压锭取出静置均温，待心部颜色与表层一致后，进行二段加热，重复以上步骤直至完成四段均温加热；最后再次将挤压锭温度升高至1080~1120℃后出炉，全部加热耗时30~40min;
步骤（4）挤压前将所述挤压筒预热至200~300℃。
2.根据权利要求1所述一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料，其特征在于，步骤（1）使用电弧炉+氩氧精炼炉+钢包精炼炉获得化学成分合格的钢液；
重熔处理后，冷至900℃出锭水冷。
3.根据权利要求1所述一种高锰钢辙叉与高碳钢轨焊接的中间过渡材料，其特征在于，步骤（4）挤压过程中挤压速度为180~190mm/s，挤压变形比＞8，总体变形比＞12。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS61235544A (ja) * 1985-03-28 1986-10-20 Kobe Steel Ltd 耐サワ−性が良好な溶接構造用高強度オ−ステナイト系ステンレス鋼
CN103084426A (zh) * 2013-01-23 2013-05-08 山西太钢不锈钢股份有限公司 一种核聚变反应堆用不锈钢异形管的制造方法

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