鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼及其製備方法與流程
2023-07-11 08:52:06
本發明屬於材料科學與工程領域，特別涉及一種鐵路轍叉用鋼及其製備方法。
背景技術：
轍叉是使車輪由一股鋼軌通過另一股鋼軌的軌線平面交叉設備，主要由翼軌、心軌及聯接零件組成。按照結構，轍叉可以分為固定型轍叉和活動型轍叉。固定型轍叉又分為整體鑄造型和拼裝型轍叉。整體鑄造轍叉通常是指高錳鋼鑄造轍叉；而拼裝轍叉主要是指以珠光體鋼或高錳鋼或貝氏體鋼為心軌，以珠光體鋼或貝氏體鋼為翼軌，通過高強螺釘組裝而成的轍叉。目前，世界範圍內的鐵路轍叉用鋼有高碳珠光體鋼、高錳奧氏體鋼和低碳貝氏體鋼。美國專利US2004035507-Al、公開號為CN101818312A和CN03800576.X等中國專利公布了許多綜合性能優異的超細珠光體轍叉鋼及其製造工藝。關於高錳奧氏體鋼轍叉及其製造技術有：最早的高錳鋼轍叉是1894年鋪設於美國紐約布魯克林大西洋街電車軌道上的轍叉，後來不斷更新和發展。比如：1986年在《RailwayTrackandStructures》1(82)36-38刊物上的文章，美國發明專利US4342593和US6572713，以及中國發明專利CN03128763.8，CN103667888A，CN200810055383.7，CN200910227860.8，CN200910227858.0，CN200910227859.5，等等。貝氏體鋼轍叉是近年來發展起來的鐵路轍叉用鋼及其製造技術，然而，雖然其問世較晚但相關的專利技術卻非常多。最早的是1986年在《RailwayGazetteInternational》142(1986)176-177刊物上的研究報導，然後是1997年在《RailwayTrack&Structures》12(1997)14-16刊物上的研究報導。緊接著是美國專利US5759299、加拿大專利CA2355868和CA2510512，歐洲專利EP0804623B1，中國專利CN98124899.3、CN8112095.4、CN200610048109.8、CN200610012673.4、CN03150092.7、CN02157927.X、CN98112095.4、CN200410068857.3、CN200510078257.X、CN200410068857.3、CN1721565A、CN1865482A以及CN103789699A等等多種貝氏體轍叉鋼成果報導。目前，世界上還沒有用低碳馬氏體鋼製造鐵路轍叉的專利和文章以及研究報告的文獻報導。20世紀90年代，世界上著名的鐵路轍叉製造商—奧地利VAE公司從性價比的角度考慮，給出了選擇鐵路轍叉用鋼和結構類型時應該遵循的原則。這個原則告訴人們，在低速低載荷線路上選擇珠光體鋼轍叉，隨著列車運行速度和軸重的增加依次選擇的轍叉用鋼是普通鑄造高錳鋼轍叉、拼裝貝氏體鋼轍叉、爆炸預硬化高錳鋼轍叉，最後是當列車運行速度很高、軸重很大時選擇用馬氏體時效鋼轍叉。也就是說，馬氏體時效鋼是最優秀的製造鐵路轍叉的材料。然而，由於馬氏體時效鋼中含有大量的貴重金屬Co、Mo、Ni等，其製造成本非常高，所以，實際上，也從來沒有人利用馬氏體時效鋼製造轍叉，因此，利用馬氏體時效鋼製造鐵路轍叉至今還一直是一個夢想。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種熱處理工藝易於控制、成本低、轍叉的綜合性能優異、且焊接工藝性能優良的鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼及其製備方法。本發明的鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼是一種表層組織為位錯型馬氏體，心部為無碳化物貝氏體組織，中間層為經過化學成分再配分的位錯型馬氏體和無碳化物貝氏體複合組織，其化學成分(wt％)為：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其餘為Fe。所述微合金化元素為兩種及以上的V、B、Ti、N、Al和Mg元素，並且，每種微合金化元素的化學成分範圍(wt％)為：V：0.01～0.03，Ti：0.01～0.03，N：0.01～0.03，Al：0.1～0.2，Mg：0.1～0.2，B：0.001～0.003。上述鐵路轍叉用低碳馬氏體轍叉鋼的製備方法如下：(1)鑄錠：採用電弧爐冶煉鋼水、LF爐精煉鋼水，將鋼水澆注鋼模中後緩冷至室溫。(2)熱處理：對鋼錠進行去氫和組織均勻化熱處理，加熱到680℃保溫5-8h，以80-100℃/h的速度加熱到1050-1100℃保溫1-3h，空冷到室溫。(3)模鍛：將鋼錠模鍛成形為鐵路轍叉心軌形狀和尺寸，以220-250℃/h的速度將鋼錠加熱到650℃保溫均溫1-2h，然後以150-180℃/h的速度加熱到1200℃保溫1-2h，始鍛溫度1180～1200℃，終鍛溫度≥850℃；鍛造變形比大於6。(4)熱處理：將鍛件進行熱處理，加熱到900-920℃奧氏體化2-4h後淬入70-80℃熱水中2-3min，然後放入溫度為300℃的爐中，以180-300℃/h的速度冷卻到室溫，再加熱到340℃～360℃保溫2-5h回火處理。本發明中合金元素的作用為：1、鋼中碳含量較低(0.2wt％左右)，使馬氏體晶體中亞結構為位錯，不存在孿晶亞結構，從而使鋼充分表現出位錯馬氏體亞結構的優越性。2、鋼中矽含量較高(1.8wt％左右)，從而把馬氏體回火脆性溫度範圍移向較高溫度，使鋼可以在較高溫度下(350℃左右)長時間回火，鋼中的碳在馬氏體和殘餘奧氏體中重新配分，同時，調整馬氏體的畸變晶格，從而降低了馬氏體中固溶碳量和內應力，有利於提高轍叉的抗疲勞性能。3、鋼中Mn、Cr、W、Ni及微量合金化元素，並與矽含量合理配合，使板條馬氏體相界的殘餘奧氏體薄膜中富碳、錳、鉻、鎢、鎳及微合金化元素，從而使殘餘奧氏體薄膜足夠穩定，使轍叉在服役過程中，阻礙裂紋擴展的能力提高。本發明與現有技術相比具有如下優點：1、轍叉的綜合性能優異。這種低碳馬氏體轍叉鋼的屈服強度大於1200MPa，抗拉強度大於1500MPa，室溫衝擊韌性大於120J/cm2，延伸率大於12％，硬度大於HRC45，斷面收縮率大於50％、斷裂韌性(K1C)大於100MPa.m-1/2，疲勞裂紋形成門檻值(Kth)大於10MPa.m-1/2，同時具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，克服了貝氏體鋼轍叉性能不穩定，這一多年來困擾著鐵路轍叉...