專利名稱：高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋼鐵材料及其加工方法，特別是高速、重載鐵路轍叉專
用耐磨高氮奧氏體錳鋼及其制造方法。
技術背景ZGMnl3奧氏體高錳鋼是英國工程師Hadfield于1882年9月發(fā)明的，它 的第一個用途就是于1892年用于制作電車軌道的轍叉，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制作。最初Hadfield公布的ZGMnl3的化學成分是C 1. 35%、 Si 0. 69%、Mn 12.76%。目前，公認的ZGMnl3鋼的化學成分范圍為C 1. 0 1. 4、Mn 11 14，其余為鐵和少量雜質(zhì)如Si、 S、P等。目前，我國生產(chǎn)的ZGMnl3鋼轍叉的平均使用壽命 (過載量)為1. 5億噸，美國及歐洲一些發(fā)達國家生產(chǎn)的ZGMnl3鋼轍叉的平均使用壽命可 達2億噸以上。隨著社會發(fā)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ZGMnl3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(xiàn)了許多新的研究成果。 法國研制了一種鑄造含Mo高錳鋼轍叉，它可以在不經(jīng)過熱處理的鑄態(tài)條件下使 用，同時，如果轍叉和鋼軌焊接，焊后不需要固溶處理。這種高錳鋼轍叉成分為C 0.7
0. 9、Mn 13 15、Mo 1. 0 1. 8、Si《1. 0。前蘇聯(lián)利用0. 02 0. 09% N和0. 25 1. 0% Al對高錳鋼進行再合金化處理，其水韌處理態(tài)和冷變形態(tài)的力學性能均明顯增高，從而有 效地提高高錳鋼轍叉的使用壽命。另外，他們還利用Cr和Nb對高錳鋼進行再合金化處理 研制出FeCrMnNbC合金，利用該高錳鋼鑄造的鐵路轍叉，其使用壽命為普通高錳鋼轍叉的2 倍，同時，鑄造高錳鋼轍叉的廢品率大大降低。美國發(fā)明了一種新型鐵路轍叉用高錳鋼鑄 件，其成分為C 0. 85、Mn 14、 Si 0. 6、 Cr 4、 Ni 3. 6、 V 0. 4，它是在原高錳鋼基礎上，利用 Cr、Ni和V對高錳鋼進行再合金化處理，同時鋼中的碳含量降低到普通高錳鋼以下的水平。 這種高錳鋼使用壽命相對于普通高錳鋼轍叉有大幅度提高。另外，美國還發(fā)明一種利用Ni、 V、 Ti微合金化的奧氏體錳鋼鑄件，這種奧氏體錳鋼的成份為(wt% ) :Mnll. 0 24. 0、 C
1. 0 1. 4、Si > 1、Cr > 1. 9、Ni > 0. 25、Mo > 1. 0、A1 > 0. 2、Cu > 0. 25、雜質(zhì)P《0. 07、 S《0. 06，微合金Ti、Nb、V的加入量分別約為0. 020 0. 070，N大約為0. 001 0. 01。并 且，微合金化Ti+Nb+V+N元素的總和不小于0. 05% ，不超過0. 22% ，碳和微合金元素 總和的比率范圍為io : 1 25 : i。加拿大開展了對高錳鋼進行v再合金化處
理的研究工作，研究發(fā)現(xiàn)，高錳鋼的耐磨性能在V含量為2X時達到最佳值，其耐磨性能可 達到普通高錳鋼的5倍。此外，德國在高錳鋼中加入0.5%的釩，使高錳鋼的屈服極限從 380N/mm2提高到425N/mm2。英國在高錳鋼中加入0. 05 0. 2%的鋁，提高了高錳鋼的耐磨 性，而對其韌性和塑性影響不大，利用這種方法提高高錳鋼轍叉的使用壽命。
我國對鐵路轍叉用高錳鋼也進行了大量的實驗室研究和生產(chǎn)實踐。有人通過加 入Cu或者V、 Ti等進行再合金化處理，從而提高高錳鋼轍叉的使用性能。燕山大學利用再 合金化的原理開發(fā)了一種加工硬化能力高、自減摩性能好的鐵路轍叉專用高錳鋼，其化學 成分為wt% :C 1. 0 1. 2、Mn 11 13、N 0. 04 0. 08、Cr 1. 5 2. 5、Cu 0. 8 1. 0、Re 0. 1 0. 3。 縱觀以上關于高錳鋼轍叉再合金化方案，人們已經(jīng)采用了的再合金化元素有Cr、Ni、Mo、V、Al、Cu和N等，它們會使高錳鋼叉某一方面的性能有所提高，但都不能適應目前高 速、重載鐵路轍叉惡劣的服役條件。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨、耐疲勞的適合高速、重載鐵路使用條
件的高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉及其制造方法。本發(fā)明主要是①采用超出高錳鋼極限溶解
量的N對高錳鋼進行再合金化，并且又利用Cr、W和Al對高錳鋼再合金化處理，②采用氮氣
壓力條件下熔煉，從而使高錳鋼中的氮含量達到高于其極限溶解氮含量的水平。 本發(fā)明的高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉其化學成分(wt% )為C 0.6 0.8、N
0. 2 0. 4、 Mn 11. 0 14. 0、 Cr 4. 0 6. 0 W 0. 5 2. 0、 Al 0. 2 0. 5、 Si 0. 3 0. 8、
S < 0. 02、 P < 0. 02、其余為Fe。 本發(fā)明的高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉的制造方法如下 1、加料向電爐內(nèi)加入工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁等合金及金屬原料， 最好由先到后的加入順序為工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁； 2、熔煉將電爐抽真空，然后充氮，在氮氣保護氣氛下熔煉鋼液，氮氣的壓力 0. 2 0. 6MPa，熔煉溫度1600 165(TC，熔煉時間5 10min，熔煉完畢后澆注成鋼錠；
3、鍛造鋼錠的加熱速度《IO(TC /h，加熱溫度1180 120(TC，始鍛溫度1150 118(TC，終鍛溫度^ 900°C ; 4、熱處理將鍛件加熱到1050°C 110(TC保溫2 3h水淬，得到本發(fā)明的單相奧 氏體組織高氮奧氏體鋼。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點在通常情況下，高錳鋼中氮的加入量嚴格 受到氮在其中的溶解度限制，由于本發(fā)明采用了氮氣壓力條件下熔煉，從而使高錳鋼中的 氮含量達到很高的水平。該高氮高錳鋼具有非常高的加工硬化性能、非常高的抗?jié)L動接觸 疲勞性能、非常好的耐磨性能、很好的抗大氣腐蝕性能，尤其是，氮與鎢和鋁共同作用，使高 氮高錳鋼轍叉具有非常卓越的使用性能。 1、使用狀態(tài)的這種轍叉專用材料組織狀態(tài)為單相奧氏體，常規(guī)力學性能達到
o b > 1000MPa、 o s > 500MPa、 S 5 > 30%、aK > 250J/cm2、aK(—4。。c) > 180J/cm2和HB > 280。 2、本發(fā)明的高氮奧氏體鍛鋼轍叉的使用壽命比目前使用的普通ZGMnl3鋼轍叉提
高1倍以上，比貝氏體鋼轍叉的使用壽命提高50%以上，過載量可達3億噸以上。 3、本發(fā)明的高氮奧氏體鋼具有十分優(yōu)異的耐磨損性能和抗?jié)L動接觸疲勞性能，是
一種十分優(yōu)異的制造高速、重載鐵路轍叉的專用材料。
具體實施方式

實施例1 首先將有關原材料按照工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁順序加入到電爐中， 將電爐抽真空然后充氮，氮氣的壓力0. 26MPa，加熱原料使其全部熔化，控制爐內(nèi)物料的溫 度在161(TC，維持6min出鋼；將上述鋼水澆注成鋼錠，該鋼錠的化學成分(wt % )為C 0. 72、 Mn 12. 55、 Al 0. 50、 N 0. 22、 Cr 5. 58、 W 0. 65、 Si 0. 45、 S 0. 015、 P 0. 018、其余為 Fe。鍛造時鋼錠的加熱速度60°C /h，加熱溫度120(TC，始鍛溫度118(TC，終鍛溫度900°C 。 熱處理時將鋼加熱到110(TC保溫2小時水淬處理，得到尺寸為120X200X1000mm本發(fā)明 產(chǎn)品，在產(chǎn)品表面下30mm處取樣測試，其機械性能為o b = 1025MPa、 o s = 616MPa、 S 5 =
435%、aKU = 257J/cm2、HB290。
實施例2 首先將有關原材料按照工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁順序加入到電爐中， 將電爐抽真空然后充氮，氮氣的壓力0. 58MPa，加熱原料使其全部熔化，控制爐內(nèi)物料的溫 度在1645t:，維持9min出鋼；將上述鋼水澆注成鋼錠，該鋼錠的化學成分(wt % )為C 0.75、Mn 11.77、A1 0.48、N 0.39、Cr 4. 67、W 1.0、Si 0.45、S 0.011、P 0. 009、其余為Fe。 鍛造時鋼錠的加熱速度50°C /h，加熱溫度118(TC，始鍛溫度115(TC，終鍛溫度95(TC。熱處 理時將鋼加熱到105(TC保溫3h水淬處理，得到尺寸為120 X 200 X 1000mm本發(fā)明產(chǎn)品，在產(chǎn) 品表面下50mm處取樣測試，其機械性能為o b = 1108MPa、 o s = 621MPa、 S 5 = 36%、 aKU =275J/cm2、aKU(—40。c) = 198J/cm2、 HB303。
實施例3 首先將有關原材料按照工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁順序加入到電爐中， 將電爐抽真空然后充氮，氮氣的壓力0. 31MPa，加熱原料使其全部熔化，控制爐內(nèi)物料的溫 度在163(TC，維持8min出鋼；將上述鋼水澆注成鋼錠，該鋼錠的化學成分(wt % )為C 0. 63、 Mn 13. 72、 Al 0. 38、 N 0. 28、 Cr 5. 62、 W 0. 73、 Si 0. 55、 S 0. 012、 P 0. 006、其余為 Fe。鍛造時鋼錠的加熱速度90°C /h，加熱溫度120(TC，始鍛溫度1180°C，終鍛溫度920°C 。 熱處理時將鋼加熱到IIO(TC保溫2. 5h水淬處理，得到尺寸為120X200X 1000mm本發(fā)明產(chǎn) 品，在產(chǎn)品表面下40mm處取樣測試，其機械性能為o b = 1045MPa、 o s = 581MPa、 S 5 = 38%、aKU = 286J/cm2、aKU(—4。。c) = 182J/cm2、 HB305。將該鍛鋼機械加工成60kg/m型轍叉心 軌，拼裝成3棵高速鐵路轍叉，每棵轍叉的平均過載量為3. 3億噸。
實施例4 首先將有關原材料按照工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁順序加入到電爐中， 將電爐抽真空然后充氮，氮氣的壓力0. 48MPa，加熱原料使其全部熔化，控制爐內(nèi)物料的溫 度在164(TC，維持9min出鋼；將上述鋼水澆注成鋼錠，該鋼錠的化學成分(wt % )為C 0. 66、 Mn 13. 62、 Al 0. 44、 N 0. 36、 Cr 5. 89、 W 0. 61、 Si 0. 62、 S 0. 006、 P 0. 015、其余為 Fe。鍛造時鋼錠的加熱速度70°C /h，加熱溫度120(TC，始鍛溫度118(TC，終鍛溫度930°C 。 熱處理時將鋼加熱到108(TC保溫3h水淬處理，得到尺寸為120X200X 1000mm本發(fā)明產(chǎn)品， 在產(chǎn)品表面下40mm處取樣測試，其機械性能為o b = 1145MPa、 o s = 623MPa、 S 5 = 38%、 aKU = 258J/cm2、aKU(—4。。c) = 209J/cm2、 HB307。將該鍛鋼機械加工成60kg/m型轍叉心軌，拼 裝成2棵高速鐵路轍叉，每棵轍叉的平均過載量為3. 4億噸。
權利要求
一種高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉，其特征在于其化學成分wt％為C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0、W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余為Fe。
2. 上述權利要求1所述的高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉制造方法，其特征在于(1) 向電爐內(nèi)加入工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁等合金及金屬原料；(2) 將電爐抽真空，然后充氮，在氮氣保護氣氛下熔煉鋼液，氮氣的壓力0. 2 0. 6MPa， 熔煉溫度1600 165(TC，熔煉時間5 10min，熔煉完畢后澆注成鋼錠；(3) 鍛造時鋼錠的加熱速度《IO(TC /h，加熱溫度1180 120(TC，始鍛溫度1150 118(TC，終鍛溫度^ 900°C ;(4) 將鍛件加熱到1050°C 110(TC保溫2 3h水淬，得到本發(fā)明的單相奧氏體組織高 氮奧氏體鋼。
3. 根據(jù)權利要求2所述的高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉制造方法，其特征在于加入合 金及金屬由先到后的加入順序為工業(yè)純鐵、鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁。
全文摘要
一種高氮奧氏體鋼高速鐵路轍叉，其化學成分(wt％)為C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0、W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余為Fe。上述轍叉的制造方法是向電爐內(nèi)加入鎢鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁等；在0.2～0.6MPa氮氣的壓力，溫度1600～1650℃，熔煉時間5～10min后澆注成鋼錠；鍛造時鋼錠的加熱速度≤100℃/h，加熱溫度1180～1200℃，始鍛溫度1150～1180℃，終鍛溫度≥900℃；將鍛件加熱到1050℃～1100℃保溫2～3小時水淬。本發(fā)明的這種轍叉常規(guī)力學性能為σb≥1000MPa、σs≥500MPa、δ5≥30％、aK≥250J/cm2、aK(-40℃)≥180J/cm2和HB≥280；使用壽命和過載量提高1倍以上，耐磨損性能和抗?jié)L動接觸疲勞性能優(yōu)異。
文檔編號E01B7/10GK101736658SQ200910227858
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者呂博, 張明, 張福成, 王天生, 錢立和 申請人:燕山大學