一種鐵路轍叉用高耐磨鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼及其制造方法領(lǐng)域，涉及一種高性能的合金鋼，特別是涉及一 種鐵路轍叉用高耐磨合金鋼及其制造方法，所述的合金鋼具有很高的強(qiáng)度性能和優(yōu)良的耐 磨性能，同時(shí)具有非常高的韌性指標(biāo)，且具有內(nèi)在質(zhì)量穩(wěn)定和均勻的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速 重載鐵路轍叉。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速重載鐵路以其大軸重、高密度和大運(yùn)量的運(yùn)輸工況對(duì)道岔設(shè)備構(gòu)成了極其嚴(yán) 酷的運(yùn)行條件，使道岔中轍叉等零件的磨損和傷損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通線路同型號(hào)道岔。隨著鐵 路運(yùn)輸向重載進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)役的高錳鋼轍叉已經(jīng)越來越難以滿足其需求。針對(duì)服役條件 惡劣的轍叉（尤其是轍叉心軌和翼軌），不僅需要有足夠的硬度和強(qiáng)度，而且還需要足夠 的韌性以提高其耐磨性，同時(shí)需要整個(gè)轍叉斷面具有性能的均勻一致性和內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定 性。
[0003] 為此，最近十多年來，國(guó)內(nèi)外都在力圖研制出滿足高速重載鐵路運(yùn)輸要求的高 耐磨性合金鋼轍叉。例如，CN100449027C公開了一種適用于鐵路道岔的耐磨鋼，采用 Si-Mn-Cr-Mo為主的合金元素并添加 V、Ti細(xì)化晶粒，制造采用了形變熱處理工藝在一定程 度上提高了轍叉的質(zhì)量穩(wěn)定性和降低了生產(chǎn)成本，但其硬度和沖擊韌性并不是非常優(yōu)越。 CN1166804C披露了鐵道轍叉專用超強(qiáng)高韌可焊接空冷鴻康貝氏體鋼及其制造方法，其采用 以Mn、Si為主要合金元素，輔以Cr、Ni、Mo等元素，并以Ti、V、Nb為細(xì)化晶粒元素，制造采 用了普通的冶煉方式，但由于采用的是Mn、Si為主要添加元素，在冶煉過程中不可避免地 出現(xiàn)Mn的偏析，從而造成截面性能的不均勻和內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性較差，同時(shí)由于Si的較大 添加，造成了在鍛造和熱處理過程中工件表層的大量氧化，從而浪費(fèi)了材料和增加了加工 費(fèi)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種鐵路轍叉用高耐磨合金鋼，通過Mn、Cr、Ni、Mo等多元 復(fù)合添加技術(shù)，并輔以Al、Nb細(xì)化晶粒，以得到一種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的耐磨鋼，特別 適用于高速重載鐵路轍叉。
[0005] 本發(fā)明的另一目的還在于提供一種所述合金鋼的制造方法，通過冶煉、鍛造、熱處 理系統(tǒng)控制技術(shù)，所述的制造方法能保證本發(fā)明合金鋼內(nèi)在性能質(zhì)量的穩(wěn)定性和均勻性。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種鐵路轍叉用高耐磨合金鋼， 各組分及其質(zhì)量百分比如下：C 0.29 %?0.45%、Si 0.20 %?0.59%、Mn 0.90 %? 1. 51 %、P 彡 0· 015 %、S 彡 0· 010 %、Cr 1. 52 % ?1. 79 %、Ni I. 01 % ?1. 49 %、Mo 0· 29%?（λ 59%、A1 0· 02%?0· 07%、Nb 0· 025%?（λ 10%、0· 05%彡 Nb+Al 彡 0· 15%、 [0] < 20ppm、[N] < lOOppm、[H] < 0· 50ppm，余量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化方案，其各組分及其質(zhì)量百分比如下：
[0008] (I)C 0· 29%?0· 34%、Si 0· 20%?0· 59%、Mn I. 01%?I. 51%、P 彡 0· 015%、 S<0.010%、Crl.52%?L79%、Nil.21%?L49%、Mo0.35%?0.59%、A10.02%? 0· 07 %、Nb 0· 025 % ?0· 10 %、0· 05 % 彡 Nb+Al 彡 0· 15 %、[0]彡 20ppm、[N]彡 lOOppm、 [Η] < 0· 50ppm，余量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0009] (2)C 0· 35%?0· 39%、Si 0· 20%?0· 59%、Mn 0· 90%?I. 51%、P 彡 0· 015%、 S 彡 0.010%、Cr 1.52% ?1.79%、Ni 1.01% ?1·49%、Μο 0.29% ?0·59%、Α1 0.02% ? 0· 07 %、Nb 0· 025 % ?0· 10 %、0· 05 % 彡 Nb+Al 彡 0· 15 %、[0]彡 20ppm、[Ν]彡 lOOppm、 [Η] < 0· 50ppm，余量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0010] (3)C 0· 40%?0· 45%、Si 0· 20%?0· 59%、Mn 0· 90%?I. 51%、P 彡 0· 015%、 S 彡 0.010%、Cr 1.52% ?1.79%、Ni 1.01% ?1·31%、Μο 0.29% ?0·49%、Α1 0.02% ? 0· 07 %、Nb 0· 025 % ?0· 10 %、0· 05 % 彡 Nb+Al 彡 0· 15 %、[0]彡 20ppm、[Ν]彡 lOOppm、 [Η] < 0· 50ppm，余量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0011] 本發(fā)明的耐磨合金鋼的含碳量為〇. 29 %?0. 45%，以保證本發(fā)明所述的合金鋼 具有優(yōu)良的硬度和強(qiáng)度性能，同時(shí)具有非常高的韌性和良好的焊接性能。合金元素 Mn、Cr、 Ni、Mo的加入及其合適的配比選擇，可以有效的進(jìn)一步提高所述合金鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性 性能，并能保證整個(gè)零件截面能達(dá)到組織和性能的均勻性和一致性。合金元素 Al和Nb的加 入及其合適的配比選擇，則能有效地抑制鍛造和熱處理過程中奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒， 提高所述合金鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性。
[0012] 本發(fā)明還涉及所述的重載鐵路轍叉用高耐磨合金鋼的制造方法，包括按順序進(jìn)行 的以下步驟：電弧爐冶煉一鋼包爐精煉一真空爐脫氣一模鑄一初軋開坯一鍛造成型一去氫 熱處理一最終熱處理；其中鍛造成型應(yīng)采用自由鍛+模鍛方式，最終熱處理方法是在奧氏 體化后應(yīng)以0. 1°C /s?0. 8 °C /s進(jìn)行控制冷卻，冷卻至室溫后再回火處理。
[0013] 優(yōu)選地，對(duì)于75Kg/m轍叉的制造，最終熱處理可采用890°C?980°C奧氏體化后進(jìn) 行空冷至室溫，冷卻速度在0. 3°C /s?0. 5°C /s，然后在160°C?550°C保溫回火。
[0014] 優(yōu)選地，對(duì)于60Kg/m轍叉的制造，最終熱處理可采用890°C?980°C奧氏體化后進(jìn) 行空冷至室溫，冷卻速度在0. 5°C /s?0. 8°C /s，然后在160°C?550°C保溫回火。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的鐵路轍叉用高耐磨合金鋼一是采用C、Mn、Cr、Ni、 Mo、Al、Nb的加入及其合適的配比選擇，有效的提高了耐磨鋼的強(qiáng)度、硬度和韌性性能，保證 了整個(gè)零件截面組織和性能的均勻性和一致性。二是采用冶煉、鍛造和熱處理的系統(tǒng)控制 方法，減少了鋼錠的合金元素的偏析，提高了鍛件截面性能的均勻性和內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性。 本發(fā)明的鐵路轍叉用高耐磨合金鋼機(jī)械性能指標(biāo)如下：R m> 1605MPa，Rpa2S 1300MPa，硬 度彡48HRC，α κυ(室溫）彡l〇〇J/cm2, a KU(-40°C )彡70J/cm2。目前，商用的合金鋼轍叉相 關(guān)指標(biāo)的技術(shù)要求如下（運(yùn)基線路（2005) 230號(hào)文件《合金鋼心軌組合轍叉技術(shù)條件》）， R# 1240MPa，α κυ (室溫）彡 70J/cm2, aKU(-40°C )彡 35J/cm2,硬度為 38 ?45HRC。選取典 型的商用轍叉進(jìn)行測(cè)試，其組分及其質(zhì)量百分比配比：C 0. 25、Si 2. 08、Mn 1.69、P 0. 008、 S 0.002、Cr 1.40、Ni 0·30、Μ〇 0·28、Α1 0.03、Nb 0·01、0 18ppm、N 74ppm、H 0.39ppm，余 量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。經(jīng)檢測(cè)其機(jī)械性能結(jié)果為：^為1263MPa，Rpa2為1020MPa， 硬度為 39. 5HRC ?42. 0HRC，α κυ(室溫）為 74J/cm2，a KU(-40°C )為 37J/cm2。由此可見， 上述性能指標(biāo)比現(xiàn)有的商用轍叉具有較大幅度的顯著提升。
[0016] 總之，本發(fā)明所述合金鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的性能特性，且截面性能的 均勻性和內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性好，特別適用于高速重載鐵路轍叉的需求，且具有高的使用壽 命、易于制造、易于組裝使用等特點(diǎn)。
[0017] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以具體實(shí)施 方式為限，而是由權(quán)利要求加以限定。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 有關(guān)本發(fā)明所述及之技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，將在以下【具體實(shí)施方式】中詳細(xì)說明。 然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難理解，此處的實(shí)施例僅僅用于示例目的，本發(fā)明并不局限于此。
[0019] 本發(fā)明中，室溫拉伸性能的測(cè)定采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸 試驗(yàn)方法》，沖擊性能的測(cè)定采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方 法》，a KU的換算方法采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T229-1984《金屬夏比（U型缺口）沖擊試驗(yàn)方法》， 硬度性能的測(cè)定采用的標(biāo)準(zhǔn)是GBT 230. 1-2009金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法 (A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標(biāo)尺）。
[0020] 本發(fā)明的鐵路轍叉用高耐磨合金鋼，是一種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的合金鋼， 特別適用于高速重載鐵路轍叉，其組分及其質(zhì)量百分比如下：C 0.29 %?0.45%、Si 0.20% ?0·59%、Μη 0.90% ?1·51%、Ρ 彡 0.015%、S 彡 0.010%、Cr 1.52% ?1.79%、 Nil. 01 %?1.49%、Mo 0.29%?0.59%、Al 0.02%?0.07%、Nb 0.025%?0.10%、 0· 05% 彡 Nb+Al 彡 0· 15%、[0]彡 20ppm、[N]彡 lOOppm、[H]彡 0· 50ppm，余量為鐵和其他 不可避免的雜質(zhì)。
[0021] 所述的高耐磨合金鋼的制造方法，包括按順序進(jìn)行的以下步驟：電弧爐冶煉一鋼 包爐精煉一真空爐脫氣一模鑄一初軋開坯一鍛造成型一去氫熱處理一最終熱處理；其中鍛 造成型應(yīng)采用自由鍛+模鍛方式，最終熱處理方法是在奧氏體化后應(yīng)以0. l°c /s?0. 8°C / s進(jìn)行控制冷卻，冷卻至室溫再在一定溫度下回火。
[0022] 上述制造工藝流程中各工序具體為：
[0023] 電弧爐冶煉：通過氧化和還原精煉，去P和S、去氣，去夾雜物，控制調(diào)整化學(xué)成分， 獲得較為純凈的鋼水。
[0024] 鋼包爐精煉：將電弧爐冶煉得到的純凈鋼水倒入鋼包爐中，進(jìn)行精煉，進(jìn)一步精確 控制化學(xué)成分，去S和氣體含量。
[0025] 真空爐脫氣：經(jīng)鋼包爐調(diào)整好的更為純凈的鋼水倒入真空爐中，在真空下吹氧、脫 碳、真空除氣、合金成分微調(diào)，得到最終的凈化和精確控制的鋼水。
[0026] 模鑄：將合格的純凈的鋼水倒入錠型中，得到致密的均勻的且偏析度小的鋼錠，為 軋制作好準(zhǔn)備。
[0027] 初軋開坯：將模鑄得到的鋼錠進(jìn)行開坯，以保證鋼錠各部分的均勻性和減少疏松 程度，為鍛造成型作好準(zhǔn)備。
[0028] 鍛造成型：將初軋的鋼坯進(jìn)行初步的自由鍛后，并用模鍛進(jìn)行最終的鍛造成型。
[0029] 去氫熱處理：將鍛造成型的鍛件進(jìn)行去氫處理，以大大提高鍛件的沖擊韌性。
[0030] 最終熱處理：將去氫熱處理后的鍛件進(jìn)行組織和性能的最終的熱處理。
[0031] 根據(jù)優(yōu)化方案，最終熱處理通常在奧氏體化后應(yīng)以0. 1°C /s?0.8°C /s進(jìn)行 控制冷卻，冷卻后需進(jìn)行一定溫度的回火。如制造75Kg/m轍叉的制造，最終熱處理可采 用890°C?980°C奧氏體化后進(jìn)行空冷至室溫，冷卻速度在0.3°C /s?0.5°C /s，然后在 160°C?550°C保溫回火。而對(duì)于60Kg/m轍叉的制造，最終熱處理可采用890°C?980°C奧 氏體化后進(jìn)行空冷至室溫，冷卻速度在0. 5°C /s?0. 8°C /s，然后在160°C?550°C保溫回 火。
[0032] 實(shí)施例1 :本發(fā)明的高耐磨合金鋼，其各組分及其質(zhì)量百分比配比：C 0.30、Si 0.52、Mn L27、P 0.007、S 0.004、Cr 1.64、Ni L29、Mo 0.44、A1 0.07、Nb 0.04、0 18ppm、 N 76ppm、H 0.36ppm，余量為鐵和其他不可避免的雜質(zhì)。經(jīng)檢測(cè)其機(jī)械性能