專利名稱：一種長壽命、細晶化的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高錳鋼整鑄轍叉的制造技術(shù)，具體地說是一種^命、細晶化的
高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝方法。它適用于2噸以下，各種型號和規(guī)格的高錳鋼
整鑄轍叉的制造過程。
背景技術(shù)：
鐵路是國家經(jīng)濟發(fā)展的大動脈，承擔(dān)著大量的旅客運輸和貨物運輸任務(wù)。鐵 路高效安全運營，軌道是保障，而鐵路道岔是鐵路軌道的關(guān)鍵件，也是易損件。
我國是世界鐵路運量、密度車爻大的國家之一，道岔數(shù)量平均為1.1 1.8II/Km， 全路道岔15萬組以上，其中正線60kg/m鋼軌道岔3. 35萬組。轍叉是道岔的主要 組成部分，轍叉與軋制的鋼軌連接形成道岔的核心部分。因此，轍叉是道岔的主 要組成部分。目前，鐵路線路上的轍叉95%采用麟的高錳鋼鑄件，目前傳統(tǒng)鐵 路道岔的使用壽命平均只有1億噸左右過貨量，干線鐵路的道岔大約每年更換一 次，而大秦線等電煤線路道岔每3 4個月更換一次，嚴重影響了我國鐵路系統(tǒng)的 高效、安全運營。
高錳鋼的研究具有150多年的歷史，具有耐磨性好、韌性高的特點，與其它 鋼種相比，皿性強，安全穩(wěn)定，是最適合制造鐵路道岔的鋼種。但是高錳鋼在 冶煉、鑄造、熱處理過程中的傳統(tǒng)工藝技術(shù)落后，導(dǎo)致道岔制造過程中晶粒粗大、 夾雜物含量高、疏松和顯微裂紋缺陷嚴重，熱處理工藝不當碳化物析出嚴重，在 使用過程中，初期磨耗快，這些問題影響了高錳鋼道岔的使用壽命。iiil本發(fā)明 生產(chǎn)的高錳鋼整鑄轍叉具有強度高、驗長靴點，滿足我國鐵路建設(shè)高速化和 重載化的戰(zhàn)略需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種長壽命、細晶化的高錳鋼整鑄轍叉鑄件的鑄造工 藝方法，解決了高錳鋼整鑄轍叉鑄件晶粒粗大、縮孔、微裂紋等問題，生產(chǎn)出了 晶粒細化、強度高、使用壽命長的高錳鋼整鑄轍叉；采用先進的精煉技術(shù)與合金 化技術(shù)改善了材料性能，鐵路高錳鋼整鑄轍叉力學(xué)性能有了很大提高，ob^910MPa， ak>190J/cm2， S》46%。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明開發(fā)了一種長壽命、細晶化高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝方法，包括如
下步驟
1) 冒口采用保溫冒口，冒口高徑比為(2.5 3.5) :1.0;
2) 鋼水高溫出爐，出爐溫度為1600±25°C，在精煉包中進行爐外吹氬氣精 煉，嚴,制磷、硫含量，P《0.025%， S《0.010%;
3) 在精煉包內(nèi)進行微合金化，添加鉬、鈮、釩、鈦，加入量分別是鋼zK重量 的0. 10 0. 05%;
4) 精煉包內(nèi)微合金化溫度1560士20。C，澆注溫度為1500土25。C，澆注之前 在型腔中充氬氣，在氬氣《斜戶下進行澆注；
5) 采用熱打箱工藝，鑄件澆注結(jié)束后，鑄件完全凝固后20 60min內(nèi)打箱； 并熱割冒口，切割后熱送進入熱處理窯，進行均勻化處理，均勻化溫度為1050 土10。C，保溫時間為4 6h。
所述步驟l)，保溫冒口為圓柱型，保溫冒口壁厚^25mm。
所述步驟2)，精煉過程中，氬氣壓力為0.1 0.5MPa，壓力管道內(nèi)徑010
20mm，吹氬時間0. 5 1倂中/噸鋼水，,量為澆注鋼7jC總重量的0. 3 1%。 戶腿步驟3)，在精煉包內(nèi)加入的合金為普通鉬鐵、鈮鐵、釩鐵和鈦鐵。 所述步驟3)，精煉包內(nèi)添加的合金尺寸應(yīng)控制在15 25匪之內(nèi)的塊狀結(jié)構(gòu)。 所述步驟4)，合金添加到精煉包之前應(yīng)烘烤到120 150°C，烘烤20 40min。 所述步驟4)，合金化時，應(yīng)將合金均勻方燈在精煉包的中下部，嚴禁將投仍
合全
戶，步驟5)，采用熱打箱工藝，打箱時鑄件本{ ^不低于700°"熱割冒
口驢不低于5cxrc。
本發(fā)明適用于2噸以下，各種型號和規(guī)格的高錳鋼整鑄轍叉的制it3i程。
本發(fā)明具有如下有益效果
1. 本發(fā)明通過高溫出爐，il31吹氬、喂絲等技術(shù)減少了金屬液中的氣體與夾 雜物，使金屬液純凈化，顯著提高高錳鋼整鑄轍叉的質(zhì)量。
2. 本發(fā)明通逝寸高錳鋼進行合金化，顯著細化了高錳鋼鑄件的晶粒，同時減 少夾雜物尺寸，使夾雜物呈彌散分布，同時有利于抑制晶界碳化物的析出，顯著 提高了鑄件質(zhì)量。3. 本發(fā)明通過型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注，顯著減輕了高錳鋼整 鑄轍叉的二次氧化，大大減輕鑄件中的二次夾雜物。
4. 高錳鋼整鑄轍叉由于晶粒粗大，縮孔、疏松等鑄造缺陷，在使用過程中，
很容易磨損， 一般情況下，高錳鋼整鑄轍叉的貨物通過總重量不鵬L 2億噸。 采用本發(fā)明細晶化的高錳鋼整鑄轍叉貨物通過總重量可以達到2億噸。因此，該
技術(shù)得到了鐵路用戶的充分肯定。


圖1為高錳鋼整鑄轍叉鑄造工藝示意圖；其中，l為澆口， 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12為鑄件的保溫冒口， 13為橫澆道。
圖2為普通高錳鋼整鑄轍叉鑄件中夾雜物分布狀況。
圖3為通過本發(fā)明獲得高錳鋼整鑄轍叉鑄件中夾雜物分布狀況。
圖4 (a) _圖4 (b)為普通高錳鋼整鑄轍叉鑄件晶粒分布狀況；其中，圖4 (a)為普通高錳鋼 轍叉鑄件根部晶粒分布狀況圖；圖4 (b)為普通高錳鋼 整鑄轍叉鑄件中間部位晶粒分布狀況圖。
圖5 (a)-圖5 (b)為通過本發(fā)明獲得高錳鋼整鑄轍叉鑄件晶粒分布狀況； 其中，圖5 (a)為通過本發(fā)明獲得高錳鋼整鑄轍叉鑄件根部晶粒分布狀況圖；圖 5 (b)為通過本發(fā)明獲得高錳鋼整鑄轍叉鑄件中間部位晶粒分布狀況圖。
圖6 (a)-圖6 (b)為通過本發(fā)明生產(chǎn)的高錳鋼轍X^意圖；其中，圖6 (a) 為高錳鋼整鑄轍叉的正面示意圖；圖6 (b)為高錳鋼整鑄轍叉的背面示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一種^^、細晶化高錳鋼整鑄鑄件制造方法具體操作如下
1) 材料準備普通鉬鐵、鈮鐵、釩鐵和鈦鐵，合金尺寸在15 25mm的±央狀 結(jié)構(gòu)，合金添加到精煉包之前應(yīng)烘烤到120 150。C，烘烤20 40min。
2) 設(shè)備準備專用投放微合金投擲工具以及烘烤設(shè)備。
3) 鋼7K冶煉鋼水高溫出爐，出爐溫度為1600±25°C，在精煉包中進行爐 外吹氬氣精煉，嚴l^空制磷、硫含量，P《0.025%， S《0.010%。
精煉過程中，氬氣壓力為0. 1 0.5MPa，壓力管道內(nèi)徑O10 20mm，吹氬時 間0. 5 1分鐘/噸鋼水，喂絲量為澆注鋼水總重量的0. 3 1%，喂絲為精煉常用 的Si-Ca絲，其作用是脫氧、精煉。
4) 嚴1^^空制澆注 U^，澆注溫度為1500士25。C。高錳鋼轍叉 擇澆注溫 度時，尺寸短小的整鑄轍叉澆注溫度取下限，尺寸較大的復(fù)雜整鑄轍叉澆注溫度取上限。
5) 微合金加入量在精煉時添加元素重量含量為0.05 0. 1%、精煉溫度
1560土20。C。
6) 微合金加入方法應(yīng)用投擲漏斗將合金均勻放置在精煉包的中下部，均勻
放置，嚴禁將投仍合金。
7) 鑄件處理采用熱打箱工藝，為了減少鑄件的拉應(yīng)力，打箱時鑄件 驢不
低于70(TC。采用氣割方法進行熱割冒口，切割溫度不低于50(TC，切割后熱送進 入熱處理窯，進行均勻化處理，均勻化溫度為1050士1(TC，保溫時間為4 6h。
下面結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。
實施例1
鋼水出爐溫度為1590°C，澆注金屬^M量10. 1噸，在精煉包中進行精煉， 精煉過程中，氬氣壓力為0.2MPa，壓力管道內(nèi)徑①10mm，吹氬時間1分鐘/噸鋼 7乂，喂絲量為澆注鋼水總重量的0. 4%， f^M為精煉常用的Si-Ca絲。除去夾雜后 在155(TC溫度下進行微合金化，添加鉬、鈮、釩、鈦，加入元素重量比分別是0. 05%。 澆注轍叉5顆，轍叉鑄造工藝示意圖如圖1所示，澆口1及與澆口1連通的橫澆 道13位于鑄件一側(cè)，在鑄件頂部需要補縮的位置設(shè)置保溫冒口2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12。澆注溫度1490。C，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣 保護下進行澆注，采用高徑比為2.5: l的保溫冒口，保溫冒口壁厚30mm，冒口 高度為250mm。鑄件采用熱打箱工藝，鑄件完全凝固后20 60min內(nèi)打箱，用氣 割方法進行熱割冒口，熱割冒口溫度500°C，切割后熱 入熱處理窯，進行均 勻化處理，均勻化溫度為105CTC，保溫時間為4.5h。主要采用了高溫出爐，有利 于金屬液的合金化以及精煉工藝。禾傭計算機模擬手段合理地設(shè)計了冒口開娥以 及冒口位置。在精煉包內(nèi)進行微合金化，細化鑄件晶粒，減少夾雜物尺寸以及彌 散夾雜物分布，提高鑄件質(zhì)量。高錳鋼轍叉鑄件在澆口端有幾處砂眼，并存有氣 孔，但這些缺陷都在鑄件的加工范圍之內(nèi)，屬可去除缺陷。加工后的鑄件經(jīng)過探 傷沒有缺陷，鑄件質(zhì)量良好。
本實施例中，合金最終成分如下C: 1. 1%; Si: 0. 46%; Mn: 12. 8%; Mo: 0. 05%; Nb: 0.051%; V: 0.053%: Ti: 0.052%; S: 0.008%; P: 0.022%; Al: 0.012%;其
余為Fe。
本發(fā)明中，采用計算機模擬手段合理地設(shè)計了冒口形狀以及冒口位置。"計算
機模擬技術(shù)"可參見中國發(fā)明專利申請(公開號CN1388444A)提及的一種鑄件充型過程模擬方法。以及，中國發(fā)明專利申請(公開號200810011501.4)提
及的一種高錳鋼鑄件細晶化鑄造工藝方法。
本發(fā)明采用微合金化以及精煉工藝，高錳鋼整鑄轍叉鑄件夾雜物尺寸顯著減
小，鑄件的純凈化顯著提高，圖2為普通工藝生產(chǎn)的轍叉夾雜物分布，夾雜物尺 寸大，分布不均勻。圖3為采用本發(fā)明生產(chǎn)的高錳鋼轍叉夾雜物分布情況，夾雜 物細小，彌散分布。此外鑄件的晶粒尺寸顯著降低，晶粒均勻。從而使高錳鋼鑄 件的性能得到顯著提高，ob》910MPa， ak》190J/cm2， S >46%。圖4 (a)-圖 4 (b)為普通工藝生產(chǎn)的轍叉鑄件晶粒形貌，晶粒粗大。圖5 (a)-圖5 (b)為 采用本發(fā)明生產(chǎn)的細晶化鑄件晶粒形貌，晶粒細小、均勻。 實施例2
鋼水出爐溫度為1600°C，澆注金屬液重量10. 3噸，在精煉包中進行精煉， 精煉過程中，氬氣壓力為0.3MPa，壓力管道內(nèi)徑On5ram，吹氬時間0. 6分鐘/噸 鋼水，,量為澆注鋼水總重量的0. 5%,,為精煉常用的Si-Ca絲。除去夾雜 后在156(TC驢下進行微合金化，添加鉬、鈮、釩、鈦，加入元素重量比分別是 0.08%。澆注轍叉5顆，轍叉鑄造工藝示意圖如圖1所示。澆注溫度150(TC，澆 注之前在型腔中充氬氣，在氬氣f尉戶下進行澆注，采用高徑比為3: 1的保溫冒口， 保溫冒口壁厚35mm，冒口高度220mm。鑄件采用熱打箱工藝，鑄件完全凝固后20 60min內(nèi)打箱，用氣割方法進行熱割冒口，熱割冒口溫度55(TC，切割后熱送進入 熱處理窯，進行均勻化處理，均勻化M^為1040。C，保溫時間為5h。主要采用了 高溫出爐，有利于金屬液的合金化以及精煉工藝。利用計#^幾模擬手11合理地設(shè) 計了冒口形狀以及冒口位置。在精煉包內(nèi)進行微合金化，細化鑄件晶粒，減少夾
雜物尺寸以及彌散夾雜物分布，提高鑄件質(zhì)量。高錳鋼轍叉鑄件在澆口端與末端 有幾處砂眼，但這些缺陷都在鑄件的加工范圍之內(nèi)，屬可去除缺陷。
本實施例中，合金最終成分如下C: 1.05%; Si: 0.44%; Mn: 13.2%; Mo: 0. 078%; Nb: 0. 082%; V: 0. 083°/。 Ti: 0. 084%; S: 0. 007%; P: 0. 021%; Al:O. 013%; 其余為Fe。
實施例3
鋼水出爐溫度為16KTC，澆注金屬液重量10. 2噸，在精煉包中進行精煉， 精煉過程中，氬氣壓力為0.5MPa，壓力管道內(nèi)徑cD20rai，吹氬時間0. 5分鐘/噸 鋼7JC，喂絲量為澆注鋼水總重量的1 %，喂絲為精煉常用的Si-Ca絲。除去夾雜后在157CTC溫度下進行微合金化，添加鉬、鈮、釩、鈦，加入元素重量比分別是
0.1%。澆注轍叉5顆，轍叉鑄造工藝示意圖如圖1所示。澆注溫度148(TC，澆注 之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注，采用高徑比為3. 5: 1的保溫冒口， 保溫冒口壁厚40mm，冒口高度230mm。鑄件采用熱打箱工藝，鑄件完全凝固后20 60min內(nèi)打箱，用氣割方法進行熱割冒口，熱割冒口溫度53(TC，切割后熱送進入 熱處理窯，進行均勻化處理，均勻化溫度為106(TC，保溫時間為4h。主要采用了
高溫出爐，有禾盱金屬液的合金化以及精煉工藝。利用計^m模擬手段合理地設(shè)
計了冒口形狀以及冒口位置。在精煉包內(nèi)進行微合金化，細化鑄件晶粒，減少夾 雜物尺寸以及彌散夾雜物分布，提高鑄件質(zhì)量。高錳鋼轍叉鑄件表面，次表面均 沒有發(fā)現(xiàn)夾雜，鑄件表面質(zhì)量良好。鑄件經(jīng)過探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷，鑄件質(zhì)量完好。
本實施例中，合金最終成分如下C: 1.04%; Si: 0.45%; Mn: 13.2%; Mo: 0.09%; Nb: 0.10%; V: 0.12°/。 Ti: 0.11%; S: 0.009°/。； P: 0. 021。/o; Al: 0.013%;
其余為Fe。
本發(fā)明工作過禾呈及結(jié)果
由于本發(fā)明采用在冶煉過程中進行了爐外精煉和合金化，減少了金屬液中的 夾雜與氣體，在澆注過程中進行氬氣保護，減少了鑄件中的二次夾雜物，保證了 金屬液的純凈；利用計^m模擬技術(shù)設(shè)計的冒口有效地起到了補縮作用，消除了
鑄件中的縮孔、裂紋等缺陷，生產(chǎn)出了沒有任何缺陷的高性能鑄件，見圖6 (a) -圖6 (b)。
權(quán)利要求
1、一種長壽命、細晶化的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于包括如下步驟1)冒口采用保溫冒口，冒口高徑比為2.5～3.5∶1.0；2)鋼水高溫出爐，出爐溫度為1600±25℃，在精煉包中進行爐外吹氬氣精煉，嚴格控制磷、硫含量，P≤0.025％，S≤0.010％；3)在精煉包內(nèi)進行微合金化，添加加入鉬、鈮、釩、鈦，加入量分別是鋼水重量的0.10～0.05％；4)精煉包內(nèi)微合金化溫度1560±20℃，澆注溫度為1500±25℃，澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；5)采用熱打箱工藝，鑄件澆注結(jié)束后，鑄件完全凝固后20～60min內(nèi)打箱；并熱割冒口，切割后熱送進入熱處理窯，進行均勻化處理，均勻化溫度為1050±10℃，保溫時間為4～6h。
2、 按照權(quán)利要求1戶誠的高錳鋼,轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟l)，保溫冒口為圓柱型，保溫冒口壁厚^25mm。
3、 按照權(quán)利要求1所述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟2)精煉過程中，氬氣壓力為O. 1 0.5MPa，壓力魏內(nèi)徑O10 20腿，吹氬時 間0. 5 1分鐘/噸鋼水，喂絲量為澆注鋼水總重量的0. 3 1%。
4、 按照權(quán)利要求1戶斥述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟3)，在精煉包內(nèi)加入的合金為普通鉬鐵、鈮鐵、釩鐵和鈦鐵。
5、 按照權(quán)利要求1所述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟3)，精煉包內(nèi)添加的合金尺寸應(yīng)控制在15 25mm之內(nèi)的±央狀結(jié)構(gòu)。
6、 按照權(quán)利要求1所述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟4)，合金添加到精煉包之前應(yīng)烘烤到120 150。C，烘烤20 40min。
7.按照權(quán)利要求1所述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于戶，步 驟4)，合金化時，應(yīng)將合金均勻方爐在精煉包的中下部。
8、按照權(quán)利要求1所述的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝，其特征在于所述步 驟5)，采用熱打箱工藝，打箱時鑄件本^^不低于70(TC，熱割冒口，不低 于500。C。
全文摘要
本發(fā)明涉及高錳鋼整鑄轍叉的制造技術(shù)，具體地說是一種長壽命、細晶化的高錳鋼整鑄轍叉的鑄造工藝方法。它適用于2噸以下，各種型號和規(guī)格的高錳鋼整鑄轍叉的制造過程。包括1)冒口采用保溫冒口；2)鋼水高溫出爐，出爐后在精煉包內(nèi)進行吹氬氣、喂絲精煉；3)在精煉包內(nèi)進行微合金化，添加鉬、鈮、釩、鈦；4)澆注之前在型腔中充氬氣，在氬氣保護下進行澆注；5)采用熱打箱工藝，并熱割冒口，切割后熱送進入熱處理窯，進行均勻化處理。本發(fā)明通過氬氣保護減少了金屬液的氧化，在精煉包內(nèi)精煉使金屬液純凈化，同時微合金化細化晶粒、彌散夾雜物分布。從而，解決了高錳鋼整鑄轍叉晶粒粗大、縮孔、微裂紋、使用壽命短等問題。
文檔編號B22D25/00GK101491829SQ20091001041
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者傅排先, 商建平, 夏立軍, 康秀紅, 曹桂林, 李殿中, 陳寶功, 黃春元 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所;中鐵山橋集團有限公司