鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼的製作方法

2023-10-04 04:46:24

專利名稱：鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵路轍叉專用含鎢貝氏體鋼，它需經過鍛造後使用。
背景技術：
ZGMn13奧氏體高錳鋼是英國工程師Hadfield於1882年9月發明的，它的第一個用途就是於1892年用於製作電車軌道的轍叉，從此，100多年來世界上幾乎所有的鐵路轍叉都是由這種材料製作。最初Hadfield公布的ZGMn13的化學成分是C 1.35％、Si 0.69％、Mn 12.76％，目前。公認的ZGMn13鋼的化學成分範圍為C 1.0-1.4，Mn 11-14，其餘為鐵和少量雜質如Si、S、P等。我國生產的ZGMn13鋼轍叉的平均過載量(使用壽命)為1.5億噸，美國及歐洲一些發達國家生產的ZGMn13鋼轍叉的平均使用壽命可達2億噸以上。隨著社會發展和鐵路運輸速度的提高，人們對鐵路轍叉使用壽命提出更高的要求。因此人們從進一步提高原ZGMn13鋼轍叉使用壽命和尋求新的轍叉材料等方面展開了廣泛的研究，出現了許多新的研究成果。如世界專利WO0136698、加拿大專利CA2159358、美國專利4514235、中國專利CN02157927.X和98124899.3等等。縱觀這些研究成果和實際使用效果，可以說目前世界上關於鐵路轍叉選材方面主要有兩大流派，其一是奧氏體高錳鋼，即在原有高錳鋼的基礎上利用冶金、鑄造、熱處理和機械強化等工藝方法進一步提高其使用壽命；其二是主要組織為貝氏體的中低碳低合金鋼。
貝氏體鋼因其具有高的強度、適當的韌度和硬度使其表現出優良的抗接觸疲勞和耐磨性能，尤其是它具有優異的焊接工藝性能，使它成為製作新型高速鐵路用轍叉的理想材料之一。因此，目前它在製作鐵路轍叉方面有了越來越廣泛的應用，並且有逐漸代替傳統高錳鋼轍叉的勢頭。中國專利CN02157927.X公布了一種貝氏體鋼電渣熔鑄複合轍叉心軌，其製作的工藝流程為備料→電渣熔鑄複合→機加工→熱處理→探傷→成品；其結構為由無碳化物貝氏體鋼轍叉心軌和普通鋼軌即叉根軌複合組成的；心軌主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、Ni，附以微量元素V和Nb，其餘為Fe。中國專利98124899.3公布一種鐵道轍叉專用材料，發明者把它命名為鐵道轍叉專用超高韌可焊接空冷鴻康貝氏體鋼，此發明以Mn、Si為主要合金元素，輔以Cr、Ni、Mo等元素，經奧氏體化後空冷即可到貝氏體/馬氏體復相組織；其基礎化學成分為(Wt％)C 0.10～0.65、Si≤2.65、Mn 0.50～3.20、Cr 0.20～2.80、Ni≤3.50、Mo≤2.00、餘下是Fe。我們國家的另一項研究成果報導了「新一代高性能新型合金鋼新材料」，它是以Si和Mn為主要合金元素，Cr、Mo、Ni為輔，輔以Re、V、Ti變質的鐵路道岔心軌，具體化學成分為0.25～0.4％C、1.0～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、1.0～2.0％Cr、0.3～0.8％Mo、0.3～1.0％Ni，以及微量的Re、B、V、Ti。這種鋼用鍛造方法成型，正火或退火態獲得貝氏體組織。使用狀態下鋼的機械性能指標為抗拉強度σb1240～1360MPa、屈服強度σs≥1100MPa、延伸率δ5≥8％、室溫衝擊韌性≥75J/cm2、低溫衝擊韌性≥40J/cm2(-40℃)、硬度HRC37～42。
從目前所公布的鐵路轍叉專用貝氏體鋼的化學成分看，其中都存在合金元素Si和Mo且含有微合金元素V、Nb、Ti或B等。然而世界上Mo資源日趨匱乏，尤其是近年來，西方發達國家利用含Mo的肥料種植食用牛吃的草，使Mo資源更加緊張。因此，目前大量的研究集中在利用W代替Mo。因為，研究表明W對鋼的珠光體和貝氏體相變都有很大的影響，並且可顯著阻礙奧氏體晶界碳化物的析出，其作用類似於Mo，從降低鋼的回火脆性和阻礙珠光體轉變角度講，公認的觀點是W的作用相當於Mo的一半。我國是世界上W資源富饒的國家之一，因此研究含W鋼具有實際意義。然而，W作為合金化元素在鋼貝氏體中的使用相對較少。本發明提出一種含鎢又含鋁的貝氏體鍛鋼，經過熱處理，獲得綜合力學性能優異的材料，用於製作使用安全性和壽命更高的鐵路轍叉。

發明內容
本發明在系統研究了W和Al含量以及熱處理工藝，尤其是鍛後熱處理工藝對貝氏體鋼組織和常規力學性能的基礎上，提供一種新型耐磨耐疲勞鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鋼，該鋼經過鍛造後使用。特別強調的是，本發明貝氏體鋼氫脆敏感性小，因此，其作為塑性指標之一的延伸率得以大幅度提高，從而使鐵路轍叉的安全性得到提高，這也正是目前公布的有關貝氏體鋼轍叉專利所沒有充分考慮到的。
本發明所採用的技術方案是提供的這種新型耐磨、耐疲勞鐵路轍叉專用含鎢貝氏體鋼，其化學成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，Si 0.3～0.8，S＜0.03，P＜0.03，其餘為Fe。鋼使用狀態的常規力學性能為σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、aKU≥80J/cm2、aKU(-40℃)≥35J/cm2、HRC 38-45。鋼的製造工藝為電爐冶煉，其冶煉工藝為出鋼溫度和澆注溫度與一般中碳低合金鋼相同；在冶煉時，合金元素(相應鐵合金)由先到後的加入順序為鎢鐵、鎳鐵、矽鐵、鉻鐵、錳鐵，然後澆注成鋼錠。鍛造工藝為鋼錠的加熱速度≤120℃/h，加熱溫度1150-1250℃，始鍛溫度1150-1220℃，終鍛溫度≥850℃。最終熱處理工藝為首先將鍛件加熱到850℃～950℃進行正火處理，然後再加熱到300℃～400℃進行回火處理。
本發明的有益效果是最終熱處理後鋼的組織為無碳化物貝氏體和少量殘餘奧氏體。這種貝氏體鍛鋼轍叉的使用壽命比目前使用的普通ZGMn13鋼轍叉提高60％以上，過載量可達3億噸以上。
具體實施例方式
實施例1鋼坯的化學成分(wt％)為C 0.32，Mn 1.55，Al 1.50，Ni 0.32，Cr 1.58，W 1.35，Si 0.45，S 0.025，P 0.028，其餘為Fe。鍛造工藝為鋼錠的加熱速度100℃/h，加熱溫度1220℃，始鍛溫度1200℃，終鍛溫度950℃。最終熱處理工藝為將鋼加熱到920℃進行正火處理，然後再加熱到350℃進行回火處理。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機械性能為σb＝1325MPa，σ0.2＝1106MPa，δ5＝15％，aKU＝122J/cm2，HRC42。
實施例2鋼坯的化學成分(wt％)為C 0.35，Mn 1.77，Al 1.48，Ni 0.33，Cr 1.66，W 1.21，Si 0.50，S 0.024，P 0.021，其餘為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機械性能為σb＝1389MPa，σ0.2＝1115MPa，δ5＝16％，aKU＝135J/cm2，HRC42。
實施例3鋼坯的化學成分(wt％)為C 0.26，Mn 2.17，Al 0.98，Ni 0.63，Cr 1.11，W 1.61，Si 0.52，S 0.025，P 0.020，其餘為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機械性能為σb＝1257MPa，σ0.2＝1111MPa，δ5＝17％，aKU＝146J/cm2，HRC40。
實施例4鋼坯的化學成分(wt％)為C 0.38，Mn 2.43，Al 1.23，Ni 0.23，Cr 1.81，W 0.82，Si 0.64，S 0.011，P 0.008，其餘為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機械性能為σb＝1417MPa，σ0.2＝1189MPa，δ5＝15％，aKU＝109J/cm2，HRC45。
實施例5鋼坯的化學成分(wt％)為C 0.31，Mn 1.86，Al 1.01，Ni 0.31，Cr 0.89，W 1.10，Si 0.55，S 0.016，P 0.018，其餘為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機械性能為σb＝1322MPa，σ0.2＝1117MPa，δ5＝18％，aKU＝142J/cm2，HRC41。用於製作一批鐵路轍叉，目前每棵轍叉的平均過載量達2.1億噸，轍叉心部只有微量磨損。
權利要求
1.一種鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼，其特徵是其化學成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，S＜0.03，P＜0.03，其餘為Fe；使用狀態鋼的常規力學性能為σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、aKU≥80J/cm2、aKU(-40℃)≥35J/cm2、HRC 38-45。
2.一種製造權利要求1所述的鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼的工藝，其特徵是a.冶煉製造工藝為電爐冶煉，其冶煉工藝為出鋼溫度和澆注溫度與一般中碳低合金鋼相同；在冶煉時，合金元素(相應鐵合金)由先到後的加入順序為鎢鐵、鎳鐵、鉻鐵、錳鐵、工業純鋁，然後澆注成鋼錠；鋼錠需要在錠模中緩慢冷卻到室溫出模；b.鍛造工藝為鋼錠的加熱速度≤120℃/h，加熱溫度1150-1250℃，始鍛溫度1150-1220℃，終鍛溫度≥850℃。c.最終熱處理工藝為首先將鍛件加熱到850℃～950℃進行正火處理，然後再加熱到300℃～400℃進行回火處理，得到無碳化物貝氏體和少量殘餘奧氏體組織。
全文摘要
一種鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼，它屬於MnCrWAlNi系低合金鋼，其化學成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，Si 0.3～0.8，S＜0.03，P＜0.03，其餘為Fe。採用電爐冶煉，澆注後鋼錠在模中緩冷至室溫。鍛造後經過兩次熱處理鍛後熱處理和最終熱處理，最終熱處理後的組織為無碳化物貝氏體和少量殘餘奧氏體。最終熱處理後性能σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、a
文檔編號C21D1/26GK1904121SQ200610048109
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月3日 優先權日2006年8月3日
發明者張福成, 鄭煬曾, 呂博 申請人:燕山大學