專利名稱：高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高錳鋼鐵路轍叉心軌的所有鑄造過程和冶煉過程，具體地說是一種高錳鋼鐵路轍叉心軌的鑄造方法。它適用于鐵路組合高錳鋼轍叉心軌的制造過程。
背景技術(shù)：
我國高錳鋼轍叉的生產(chǎn)已有40多年的歷史，但其使用壽命與國外相比仍有不少差距。隨著我國鐵路運(yùn)量、載重和速度的不斷增加，對提高轍叉使用壽命的要求更加迫切?，F(xiàn)役鐵路轍叉絕大部分為整鑄高錳鋼轍叉，整鑄高錳鋼轍叉具有整體性好、養(yǎng)護(hù)維修方便的優(yōu)點，但因其質(zhì)量大、斷面復(fù)雜，使其鑄造熱處理性能降低，縮孔、疏松、晶粒組大的現(xiàn)象大量存在。轍叉在使用過程中大部分未磨耗到限就因裂紋而失效下道。此外，我國高錳鋼與普通鋼軌的焊接技術(shù)尚未過關(guān)，采用高錳鋼整鑄轍叉也限制了跨區(qū)間超長無縫線路的發(fā)展。國外在上世紀(jì)初就開發(fā)了高錳鋼鑄造心軌組合轍叉，不僅使轍叉使用壽命大幅度提高，而且由于轍叉跟端開口部分均以普通鋼軌制造，采用現(xiàn)有技術(shù)即可與線路軌道焊接。我國鐵路上在線的組合轍叉很少，由于組合高錳鋼轍叉心軌鑄造技術(shù)不過關(guān)，現(xiàn)在均用貝氏體鋼鍛件代替，生產(chǎn)周期長、成本很高，直接影響了組合轍叉的推廣應(yīng)用。在這種情況下，本發(fā)明開發(fā)的高質(zhì)量的鑄造高錳鋼鐵路組合轍叉心軌，無疑將受到鐵路及有關(guān)生產(chǎn)部門的歡迎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以保證鑄件表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量的高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其工藝過程如下1)采用鉻鐵礦砂作面砂和芯砂，鉻鐵礦砂用水玻璃作粘結(jié)劑，水玻璃加入量為6～7％，造型開始后，將混好的鉻鐵礦砂覆蓋在模型表面，厚度為10～30mm，背砂用普通石英砂撞實；2)型腔表面及芯表面刷堿性醇基鎂砂粉涂料，厚度0.5～0.7mm；
3)冒口選用成型保溫冒口，在冒口下面加易割片，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，澆注溫度1420～1460℃，澆注速度為20～50kg/s，澆注結(jié)束時在冒口表面撒70～100mm厚的保溫發(fā)熱覆蓋劑；4)采用熱打箱工藝，在澆注后1～2小時打箱；在500～700℃時切割冒口，冒口切下后，埋在干砂子中保溫10～15h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行常規(guī)水韌處理。
所述保溫冒口的高徑比為(1～1.5)∶1，其內(nèi)徑為150～240mm。
所述水韌處理為在1050～1100℃下水淬。
本發(fā)明在熔化或澆注過程中，可以將所述金屬液進(jìn)行合金化處理，加入鈮、釩、鈦、鉬、硼、鉻之一種或幾種，以達(dá)到合金化目的，按重量百分比計，Nb≤0.06、Ti≤0.15、V≤0.15、Mo≤2、B≤0.005、Cr≤2.5。
本發(fā)明根據(jù)流量相等的原則設(shè)計無氣隙平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)，使?jié)驳辣３殖錆M狀態(tài)；該澆注系統(tǒng)包括澆口杯及與之相連的直澆道和內(nèi)澆道，所述澆口杯為偏心結(jié)構(gòu)，澆口偏于澆口杯中心，在澆口杯內(nèi)底部設(shè)有凸臺式穩(wěn)流平臺，直澆道為上大下小流線型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明鑄型的型腔表面用不同厚度的鉻鐵礦砂形成，在型腔內(nèi)表面覆蓋的鉻鐵礦砂厚度為10～30mm，鉻鐵礦砂的作用主要是可以通過改變鉻鐵礦砂厚度來調(diào)整鑄型的激冷能力，調(diào)整鑄件不同部位的冷卻速度，尤其使厚大部位盡快冷卻，避免晶粒過分長大及成分的區(qū)域性偏析。
由于高錳鋼屬于堿性鋼，而鉻鐵礦砂屬于中性砂，并且與堿性涂料鎂砂粉涂料配合使用，可以很好地避免化學(xué)粘砂。
本發(fā)明所采用的冒口均為保溫冒口，在冒口下面加易割片，其高徑比為1～1.5∶1，尺寸比非保溫冒口小1/3左右，并在澆注結(jié)束時在表面撒70～100mm的發(fā)熱保溫覆蓋劑，原因在于保溫冒口太小，補(bǔ)縮金屬液量不夠，不能滿足補(bǔ)縮要求；冒口太大，對鑄件的熱影響區(qū)也大，并且長時間不能凝固，造成鑄件晶粒過分長大，在冒口根部形成成分偏析，容易產(chǎn)生裂紋，同時，在清理時，冒口太大，切割時也容易產(chǎn)生裂紋。
本發(fā)明采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，在澆注過程中，限制澆注時間，就是限定澆注速度。生產(chǎn)高錳鋼鑄件，采用低溫快澆是正常的選擇，本發(fā)明要求的速度比常歸的更快，為了避免產(chǎn)生冷隔，要求澆注速度在20～50kg/s。
本發(fā)明中所論述的冒口切割工藝，是基于高錳鋼本身熱傳導(dǎo)能力較差，在集中受熱時，會產(chǎn)生溫裂紋，所以，要求在熱狀態(tài)下(500～700℃)切割冒口，并在砂子中保溫10～15h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行常規(guī)水韌處理。
本發(fā)明可以對金屬液進(jìn)行合金化處理，合金化過程可以在熔化過程中實施，也可以在澆過程中實施，包括有選擇地加入鈮、釩、鈦、鉬、硼、鉻等，以達(dá)到合金化目的，使鑄件組織更加致密，細(xì)化晶粒，提高鑄件使用性能。
本發(fā)明具有如下有益效果1.本發(fā)明澆注系統(tǒng)采用無氣隙平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)，避免了飛濺現(xiàn)象的發(fā)生，充型過程平穩(wěn)，使金屬液在澆注系統(tǒng)內(nèi)時刻處于充滿狀態(tài)，防止氣體和氧化膜卷入金屬液，不易造成裂紋和疏松等缺陷。
2.本發(fā)明的關(guān)鍵在于從根本上解決了鐵路高錳鋼轍叉心軌的鑄造問題，保證了鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，控制了鑄件表面粗糙度，保證鑄件內(nèi)部沒有縮孔、疏松、裂紋缺陷，保證鑄件組織細(xì)密，晶粒度達(dá)到2級以上，為以后的大批量生產(chǎn)，提供了理論指導(dǎo)。
3.本發(fā)明為組合轍叉在鐵路干線上推廣，提供了很好的契機(jī)。


圖1高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄件示意圖。
圖2高錳鋼鐵路轍叉心軌鑄造工藝方案簡圖。
圖3應(yīng)用本發(fā)明生產(chǎn)的高錳鋼轍叉心軌鑄件照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。
實施例1如圖1所示高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄件示意圖，本實施例試生產(chǎn)一批高錳鋼組合轍叉心軌，材質(zhì)ZGMn13，重量255kg，充型時間15s，澆注溫度1450℃，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，上面放置四個冒口，冒口位置及間距采用常規(guī)方法設(shè)計。其鑄造工藝如下1)根據(jù)平穩(wěn)充型的原則設(shè)計澆注系統(tǒng)，保證金屬液在充型過程中不產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。
2)采用鉻鐵礦砂作面砂，鉻鐵礦砂用水玻璃作粘結(jié)劑，水玻璃加入量為6.5％。造型開始后，將混好的鉻鐵礦砂覆蓋在模型表面，根據(jù)不同部位厚度的差異來調(diào)整鉻鐵礦砂的厚度，最薄處不少于10mm，最厚處不大于30mm，并且，盡量使不同厚度的鉻鐵礦砂之間平緩過渡，背砂用普通石英砂撞實。
3)型腔表面刷堿性醇基鎂砂粉涂料，厚度0.5～0.7mm。
4)冒口選用成型保溫冒口，保溫冒口的高徑比為1.2∶1，其內(nèi)徑為200mm，澆注結(jié)束時表面撒保溫發(fā)熱覆蓋劑70～100mm，并且，在冒口下面加易割片，易切割片內(nèi)徑為75mm。
5)采用熱打箱工藝，澆注后1.5h打箱，在600℃時切割冒口，冒口切下后，埋在干砂子中保溫12h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行常規(guī)水韌處理(在1050℃下水淬)。
如圖2所示，高錳鋼鐵路轍叉心軌鑄造工藝方案簡圖；其中1為心軌；2為鉻鐵礦砂芯；3為鉻鐵礦砂面砂；4為冒口易割片；5為保溫冒口；6為發(fā)熱保溫覆蓋劑；7為澆口杯；8為直澆道；9為內(nèi)澆道。
本發(fā)明澆注系統(tǒng)采用中國專利申請(申請?zhí)枮?00310105217.0，申請日2003年11月28日)提到的澆注系統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，如圖2左側(cè)所示澆注系統(tǒng)，其中7為澆口杯，71為穩(wěn)流平臺，72為澆口，8為直澆道，9為內(nèi)澆道。本發(fā)明根據(jù)流量相等的原則設(shè)計無氣隙平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)使?jié)驳辣３殖錆M狀態(tài)；具體為1)根據(jù)平穩(wěn)充型的原則設(shè)計澆口杯。在澆口杯7內(nèi)底部設(shè)有凸臺式穩(wěn)流平臺71，金屬液在充型過程中不產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。該澆注系統(tǒng)的澆口杯7為偏心結(jié)構(gòu)，澆口72偏于澆口杯7中心，有利于在充型過程中排除氧化夾雜物，也有利于金屬液充型平穩(wěn)。
2)直澆道8為上大下小流線型結(jié)構(gòu)，根據(jù)流量相等的原則，計算直澆道的尺寸，再通過計算機(jī)充型模擬來檢驗設(shè)計的合理性；本實施例入口直徑90mm，出口直徑60mm。
這樣的設(shè)計保證了金屬液在澆注系統(tǒng)中時刻處于充滿狀態(tài)，充型過程中平穩(wěn)，防止氣體和氧化膜卷入金屬液中，造成裂紋和疏松缺陷。
本發(fā)明工作過程及結(jié)果由于本發(fā)明工藝方案確定的比較合理，所以，所采取的各項措施都起到了相應(yīng)的作用。
1)采用平穩(wěn)充型的澆注系統(tǒng)，有效地阻止了氧化夾雜的侵入，使鑄件內(nèi)沒有任何氣孔，夾雜缺陷。
2)鉻鐵礦砂的合理應(yīng)用，即防止了熱裂紋的產(chǎn)生，又控制了晶粒的長大。
3)尤其是鉻鐵礦砂與鎂砂粉涂料配合使用，使得鑄件表面粗糙度很好，從根本上抑制了化學(xué)粘砂。
4)保溫冒口的選用，在完成補(bǔ)縮的同時，冒口根部基本沒有偏析產(chǎn)生。
5)采用熱打箱工藝，經(jīng)水韌處理后，鑄件上沒有任何裂紋痕跡。
本實施實例澆入鑄鋼液態(tài)金屬重量為500kg，鑄件重量為255kg，充型時間為15s，觀察澆注過程，發(fā)現(xiàn)金屬液潔凈、上升平穩(wěn)。澆注后1.5h打箱，鑄件表面質(zhì)量良好。
本發(fā)明采用控制充型速度、控制金屬液冷卻速度的方法，有效地避免了縮孔、疏松、裂紋、晶粒粗大等鑄造缺陷的產(chǎn)生。熱打箱及熱切冒口工藝，避免了切割冒口而產(chǎn)生的裂紋。鉻鐵礦砂與堿性鎂砂粉涂料的綜合使用，改善了鑄件的表面質(zhì)量，減小了表面加工余量，提高了鑄件工藝出品率。為組合轍叉在鐵路干線上推廣，奠定了基礎(chǔ)。如圖3所示，應(yīng)用本發(fā)明生產(chǎn)的高錳鋼轍叉心軌鑄件照片。
比較例以前也有人嘗試生產(chǎn)高錳鋼組合轍叉心軌，但所采用的工藝不是十分得當(dāng)，主要是冒口尺寸過于保守，即尺寸較大，在鑄件上熱影響區(qū)很大，所以所生產(chǎn)的鑄件，上表面很容易出現(xiàn)各種裂紋。尤其是在冷鐵的使用上，沒有合理的進(jìn)行計算機(jī)模擬，鑄件各部位凝固狀態(tài)很不協(xié)調(diào)，所以，不但沒有抑制住晶粒長大，還使鑄件產(chǎn)生了很多微裂紋。沒有很好地執(zhí)行高錳鋼低溫快澆的鑄造原則，澆注溫度很高，澆注時間拖的太長，使鑄件下表面出現(xiàn)冷隔，上表面產(chǎn)生嚴(yán)重的碳偏析。
實施例2與實施例1不同之處是本實施例試生產(chǎn)一批高錳鋼組合轍叉心軌，材質(zhì)ZGMn13，澆入鑄鋼液態(tài)金屬重量為520kg，鑄件重量255kg，充型時間12s，澆注溫度1420℃，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，其鑄造工藝如下1)根據(jù)平穩(wěn)充型的原則設(shè)計澆注系統(tǒng)，保證金屬液在充型過程中不產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。
2)采用鉻鐵礦砂作面砂，鉻鐵礦砂用水玻璃作粘結(jié)劑，水玻璃加入量為6％。造型開始后，將混好的鉻鐵礦砂覆蓋在模型表面，根據(jù)不同部位厚度的差異來調(diào)整鉻鐵礦砂的厚度，最薄處不少于10mm，最厚處不大于30mm，并且，盡量使不同厚度的鉻鐵礦砂之間平緩過渡，背砂用普通石英砂撞實。
3)型腔表面刷堿性醇基鎂砂粉涂料，厚度0.5～0.7mm。
4)冒口選用成型保溫冒口，保溫冒口的高徑比為1∶1，其內(nèi)徑為240mm，澆注時表面撒保溫發(fā)熱覆蓋劑70～100mm，并且，在冒口下面加易割片，易切割片內(nèi)徑為75mm。
5)采用熱打箱工藝，澆注后1h打箱，在700℃時切割冒口，冒口切下后，埋在干砂子中保溫15h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行常規(guī)水韌處理(在1080℃下水淬)。
實施例3與實施例1不同之處是
本實施例試生產(chǎn)一批高錳鋼組合轍叉心軌，材質(zhì)ZGMn13，澆入鑄鋼液態(tài)金屬重量為470kg，鑄件重量255kg，充型時間20s，澆注溫度1460℃，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，其鑄造工藝如下1)根據(jù)平穩(wěn)充型的原則設(shè)計澆注系統(tǒng)，保證金屬液在充型過程中不產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。
2)采用鉻鐵礦砂作面砂，鉻鐵礦砂用水玻璃作粘結(jié)劑，水玻璃加入量為7％。造型開始后，將混好的鉻鐵礦砂覆蓋在模型表面，根據(jù)不同部位厚度的差異來調(diào)整鉻鐵礦砂的厚度，最薄處不少于10mm，最厚處不大于30mm，并且，盡量使不同厚度的鉻鐵礦砂之間平緩過渡，背砂用普通石英砂撞實。
3)型腔表面刷堿性鎂砂粉涂料，厚度0.5～0.7mm。
4)冒口選用成型保溫冒口，保溫冒口的高徑比為1.5∶1，其內(nèi)徑為150mm，澆注時表面撒保溫發(fā)熱覆蓋劑70～100mm，并且，在冒口下面加易割片，易切割片內(nèi)徑為60mm。
5)采用熱打箱工藝，澆注后1.5h打箱，在500℃時切割冒口，冒口切下后，埋在干砂子中保溫10h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行常規(guī)水韌處理(在1100℃下水淬)。
另外，本發(fā)明在熔化或澆注過程中，還可以將所述金屬液進(jìn)行合金化處理，加入鈮、釩、鈦、鉬、硼、鉻之一種或幾種，按重量百分比計，Nb≤0.06、Ti≤0.15、V≤0.15、Mo≤2、B≤0.005、Cr≤2.5。
權(quán)利要求
1.一種高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其特征在于工藝過程如下1)采用鉻鐵礦砂作面砂和芯砂，鉻鐵礦砂用水玻璃作粘結(jié)劑，水玻璃加入量為6～7％，造型開始后，將混好的鉻鐵礦砂覆蓋在模型表面，厚度為10～30mm，背砂用普通石英砂撞實；2)型腔表面及芯表面刷堿性鎂砂粉涂料，厚度0.5～0.7mm；3)冒口選用成型保溫冒口，在冒口下面加易割片，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，澆注溫度1420～1460℃，澆注速度為20～50kg/s，澆注結(jié)束時在冒口表面撒70～100mm厚的保溫發(fā)熱覆蓋劑；4)采用熱打箱工藝，在澆注后1～2小時打箱；在500～700℃時切割冒口，冒口切下后，埋在干砂子中保溫10～15h，再入熱處理窯加熱進(jìn)行水韌處理。
2.按照權(quán)利要求1所述高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其特征在于所述保溫冒口的高徑比為(1～1.5)∶1，其內(nèi)徑為150～240mm。
3.按照權(quán)利要求1所述高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其特征在于所述水韌處理為在1050～1100℃下水淬。
4.按照權(quán)利要求1所述高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其特征在于在熔化或澆注過程中，將所述金屬液進(jìn)行合金化處理，加入鈮、釩、鈦、鉬、硼、鉻之一種或幾種，按重量百分比計，Nb≤0.06、Ti≤0.15、V≤0.15、Mo≤2、B≤0.005、Cr≤2.5。
5.按照權(quán)利要求1所述高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝，其特征在于根據(jù)流量相等的原則設(shè)計無氣隙平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)，使?jié)驳辣３殖錆M狀態(tài)；該澆注系統(tǒng)包括澆口杯(7)及與之相連的直澆道(8)和內(nèi)澆道(9)，所述澆口杯(7)為偏心結(jié)構(gòu)，澆口(72)偏于澆口杯(7)中心，在澆口杯(7)內(nèi)底部設(shè)有凸臺式穩(wěn)流平臺(71)，直澆道(8)為上大下小流線型結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高錳鋼鐵路組合轍叉心軌鑄造工藝。采用鉻鐵礦砂作面砂和芯砂，型腔表面及芯表面刷堿性鎂砂粉涂料，冒口選用成型保溫冒口，在冒口下面加易割片，采用水平澆注的方式，心軌工作面向下，澆注時在冒口表面撒保溫發(fā)熱覆蓋劑；采用熱打箱工藝，冒口切下后，埋在干砂子中保溫，再入熱處理窯加熱進(jìn)行水韌處理。本發(fā)明采用控制充型時間、控制金屬液冷卻速度的方法，有效地避免了縮孔、疏松、裂紋、晶粒粗大等鑄造缺陷的產(chǎn)生。熱打箱工藝及熱切冒口，避免了切割冒口而產(chǎn)生的裂紋。鉻鐵礦砂與堿性鎂砂粉涂料的綜合使用，改善了鑄件的表面質(zhì)量，減小了表面加工余量，提高了鑄件工藝出品率。本發(fā)明為組合轍叉在鐵路干線上推廣，奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號E01B25/00GK1583324SQ20041002066
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者李殿中, 夏立軍, 康秀紅, 李依依 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所