CN117344230B - 一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢及其应用 - Google Patents
一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢及其应用，属于道岔钢轨件技术领域。本发明提供的高锰钢组分如下：C：0.80‑0.85，N：0.10‑0.15，Mn：14.0‑16.0，Cr：3.0‑5.0，Cu：0.10‑0.29，Nb：0.10‑0.20，Al≤0.02，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。利用该组分的高锰钢经过特殊的塑形方式，提高了辙叉心轨和翼轨镶嵌块的性能。该工艺简单、成本低，效率高。
Description
技术领域
本发明属于道岔钢轨件技术领域，尤其涉及一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢及其应用。
背景技术
铁路辙叉是铁路轨道的关键组成部分，起到使列车改变运行轨道的作用，在使用过程中受到列车车轮强烈的冲击和磨损，服役环境恶劣，是铁路轨道中最易受破坏的部件。伴随铁路运输向大轴重、高密度、超大运量的趋势发展，铁路辙叉局部破坏的概率大增。而因局部损伤更换整组辙叉也带来了巨大的资源浪费。
为了解决更换整组辙叉所带来的资源浪费问题，专利公告号CN204000475U，名称为“一种心轨、翼轨镶块采用锻造高锰钢的组合辙叉”的中国专利中提出，辙叉采用拼装组合结构，翼轨采用镶嵌式结构，由主翼轨和翼轨镶块镶嵌组成，心轨设置于组合辙叉的中央。这种辙叉结构避免了局部损坏整体报废，提高了辙叉综合使用寿命，降低了维护成本。专利公告号CN114393181B，名称为“一种拼装辙叉及其制备方法”的中国专利中，利用锻造方法将铸锭锻造为心轨或翼轨镶嵌块，之后再通过机械连接方法加工为翼轨镶嵌式辙叉。这些技术为解决高锰钢辙叉局部损伤而更换整组辙叉提供了思路，然而，现有的心轨和翼轨镶嵌块制造技术存在工序复杂、材料利用率低、成本高的问题，亟需升级制造技术，在保证辙叉制造质量的同时，降低分体式辙叉制造成本，提高其市场竞争力。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢及其应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的高锰钢，按质量百分比计，包括以下组分：C：0.80-0.85，N：0.10-0.15，Mn：14.0-16.0，Cr：3.0-5.0，Cu：0.10-0.29，Nb：0.10-0.20，Al≤0.02，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，包括以下步骤：保持高锰钢的钢液温度在1450-1480℃，然后进行浇铸和高温塑性变形，得到截面形状不同的钢坯；钢坯成型后冷却处理，然后采用机械加工的方式将不同截面形状的钢坯分别加工成心轨和翼轨镶嵌块；
所述浇铸和高温塑性变形包括以下处理方式中的一种：
方式一：将钢液直接送入连铸连轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式二：将钢液浇铸成方形坯，将方形坯再次加热后送入轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式三：将钢液浇铸成圆形坯，将圆形坯再次加热后送入挤压机中，得到指定截面形状的钢坯。
进一步地，所述方式一中，钢坯的初轧温度≤1200℃，终轧温度≥900℃，变形比≥3。
进一步地，所述方式二中，钢坯的加热温度≤1180℃，初轧温度≤1150℃，终轧温度≥900℃，变形比≥3。
进一步地，所述方式三中，钢坯的加热温度≤1120℃，挤压温度≤1100℃，变形比≥3。
进一步地，所述冷却处理包括两种方式：1)立即水冷；2)将钢坯加热至1080-1120℃保温1-2小时后水冷。
本发明还提供一种利用上述制备方法制备得到的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)高锰钢中高碳、高锰、添氮的成分设计，可保证高锰钢高强度的同时，具备高的加工硬化特性；
(2)严格控制含氮高锰钢中的铝含量，避免基体中产生过多AlN颗粒影响辙叉使用性能；
(3)添加微合金化元素铌，形成球形纳米碳氮化铌，强化高锰钢；
(4)心轨和翼轨镶嵌块可采用连铸连轧工艺进行制造，显著降低制造成本；
(5)心轨和翼轨镶嵌块采用不同形状的钢坯截面形状，提高材料使用率，进一步降低制造成本；
(6)热挤压钢坯工艺稳定性好，变形量易于控制，生产效率高。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为用于加工心轨(a)和翼轨镶嵌块(b)的钢坯截面形状。
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的。本申请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。
本发明以下实施例所用原料均为市售所得。
本发明提供一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，包括以下步骤：将冶炼的高锰钢钢液温度保持在1450-1480℃，然后进行浇铸和高温塑性变形，得到截面形状不同的钢坯；钢坯成型后冷却处理，然后采用机械加工的方式将不同截面形状的钢坯分别加工成心轨和翼轨镶嵌块(如图1)；
所述浇铸和高温塑性变形是指对成分合格的钢液进行浇铸中的一种，包括以下处理方式：
方式一：将钢液直接送入连铸连轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式二：将钢液浇铸成方形坯，将方形坯再次加热后送入轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式三：将钢液浇铸成圆形坯，将圆形坯再次加热后送入挤压机中，得到指定截面形状的钢坯。
在本发明一些优选实施例中，所述高锰钢按质量百分比计，包括以下组分：C：0.80-0.85，N：0.10-0.15，Mn：14.0-16.0，Cr：3.0-5.0，Cu：0.10-0.29，Nb：0.10-0.20，Al≤0.02，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明对于所述高锰钢的制备方法不做限定，采用本领域常规方法即可获得，重点不在于方法，而在于成分的限定，只要能获得上述成分的高锰钢的工艺均可，在具体实施例中采用的方法统一，后文不再赘述。
在本发明一些优选实施例方式一中，钢坯的初轧温度为1150-1200℃，优选为1200℃；终轧温度为900-950℃，优选为920℃；变形比为3-4.8，优选为3.5-4.8，更优选为3.5或4.8。
在本发明一些优选实施例方式二中，钢坯的加热温度为1140-1180℃，优选为1150℃；初轧温度为1100-1150℃，优选为1145℃；终轧温度为900-950℃，优选为950℃；变形比≥3，优选为3-5.5，更优选为4.2-5.4，更优选为4.2或5.4。
在本发明一些优选实施例方式三中，钢坯的加热温度为1070-1120℃，优选为1120℃；挤压温度为1050-1105℃；变形比≥3，优选为5-8，更优选为5.3或8.2。
在本发明一些优选实施例中，所述冷却处理包括两种方式：1)立即水冷；2)将钢坯加热至1080-1120℃(优选为1100℃)保温1-2小时后水冷。优选加热后水冷的方式进行冷却处理。
本发明中加工心轨和翼轨镶嵌块的机械加工方法为本领域常规方法，在本发明中不做限定，以下实施例中的加工方法相同，不会造成样品之间的差异。
本发明还提供一种利用上述制备方法制备得到的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块。
以下实施例作为本发明技术方案的进一步说明。
实施例1
高锰钢化学成分(wt.％)为：C：0.80，N：0.15，Mn：14.3，Cr：4.8，Cu：0.12，Nb：0.12，Al：0.018，P：0.011，S：0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述成分的1450℃高锰钢钢液送入连铸连轧设备中，钢坯成型后在线冷却至1200℃开始轧制，终轧温度控制在920℃，获得心轨钢坯的变形比为3.5，翼轨镶嵌块钢坯的变形比为4.8。将钢坯重新加热至1100℃，保温1小时后进行水冷。利用机械加工方法，将钢坯加工为对应的心轨或翼轨镶嵌块。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试和微观组织观察，结果如表1所示。
表1.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能及晶粒尺寸
实施例2
高锰钢化学成分(wt.％)为：C：0.83，N：0.13，Mn：15.2，Cr：3.2，Cu：0.24，Nb：0.16，Al：0.015，P：0.011，S：0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述成分的1480℃高锰钢钢液浇铸为方形铸坯；将铸坯重新加热至1150℃，保温5小时后，将铸坯送入轧机进行轧制成形。初轧温度控制为1145℃，终轧温度控制为950℃，获得心轨钢坯的变形比为4.2，翼轨镶嵌块钢坯的变形比为5.4。将钢坯重新加热至1100℃，保温1.5小时后进行水冷。利用机械加工方法，将钢坯加工为对应的心轨或翼轨镶嵌块。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试和微观组织观察，结果如表2所示。
表2.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能及晶粒尺寸
实施例3
高锰钢化学成分(wt.％)为：C：0.84，N：0.11，Mn：15.5，Cr：3.8，Cu：0.21，Nb：0.15，Al：0.012，P：0.012，S：0.009，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述成分的1480℃高锰钢钢液浇铸为圆形铸坯；将铸坯加工为直径363mm的圆柱形坯料，将坯料重新加热至1120℃，保温3小时后，将铸坯送入热挤压机进行快速挤压成形。挤压前温度为1095℃，挤压后钢坯温度为1105℃(由于大塑性变形，使得挤压后钢坯的温度反而有所升高)，挤压完成后立即将挤压坯放入水中冷却。心轨钢坯的变形比为5.3，翼轨镶嵌块钢坯的变形比为8.2。挤压钢坯无需再次进行热处理，利用机械加工方法，将钢坯加工为对应的心轨或翼轨镶嵌块。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试和微观组织观察，结果如表3所示。
表3.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能及晶粒尺寸
从上述结果可以看出，本发明提供的高锰钢可以有效提高心轨和翼轨镶嵌块的力学性能，且制备方法简单，成本低。
对比例1
同实施例3，区别在于，高锰钢化学成分(wt.％)为：C：0.59，N：0.18，Mn：16.9，Cr：7.0，Cu：0.5，Y：0.02，P：0.0108，S：0.003，余量为Fe和不可避免的杂质。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试观察，结果如表4所示。
表4.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能
对比例2
同实施例3，区别在于，将高锰钢化学成分中的Nb替换成钒，即高锰钢化学成分(wt.％)为：C：0.84，N：0.11，Mn：15.5，Cr：3.8，Cu：0.21，V：0.15，Al：0.012，P：0.012，S：0.009，余量为Fe和不可避免的杂质。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试和微观组织观察，结果如表5所示。
表5.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能及晶粒尺寸
对比例3
同实施例3，区别在于，加工工艺为：直接将钢液浇铸为心轨和翼轨镶嵌块的形状，经水韧处理后进行机械加工。切取心轨和翼轨镶嵌块钢坯距表面深度30mm处的试样进行力学性能测试和微观组织观察，结果如表6所示。
表6.高锰钢心轨和翼轨镶嵌块的常规力学性能及晶粒尺寸
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的高锰钢，其特征在于，按质量百分比计，由以下组分组成：C：0.80-0.85，N：0.10-0.15，Mn：14.0-16.0，Cr：3.0-5.0，Cu：0.10-0.29，Nb：0.10-0.20，Al≤0.02，P≤0.015，S≤0.010，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
保持权利要求1所述的高锰钢的钢液温度为1450-1480℃，然后进行浇铸和高温塑性变形，得到截面形状不同的钢坯；钢坯成型后冷却处理，然后采用机械加工的方式将不同截面形状的钢坯分别加工成心轨和翼轨镶嵌块；
所述浇铸和高温塑性变形包括以下处理方式中的一种：
方式一：将钢液直接送入连铸连轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式二：将钢液浇铸成方形坯，将方形坯再次加热后送入轧机中，得到指定截面形状的钢坯；
方式三：将钢液浇铸成圆形坯，将圆形坯再次加热后送入挤压机中，得到指定截面形状的钢坯。
3.根据权利要求2所述的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，其特征在于，所述方式一中，钢坯的初轧温度≤1200℃，终轧温度≥900℃，变形比≥3。
4.根据权利要求2所述的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，其特征在于，所述方式二中，钢坯的加热温度≤1180℃，初轧温度≤1150℃，终轧温度≥900℃，变形比≥3。
5.根据权利要求2所述的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块用高锰钢的制备方法，其特征在于，所述方式三中，钢坯的加热温度≤1120℃，挤压温度≤1100℃，变形比≥3。
6.根据权利要求2所述的分体式辙叉心轨和翼轨镶嵌块的制备方法，其特征在于，所述冷却处理包括两种方式：1）立即水冷；2）将钢坯加热至1080-1120℃保温1-2小时后水冷。
7.一种如权利要求2-6任一项所述的制备方法制备得到的分体式辙叉心轨或翼轨镶嵌块。
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