專利名稱：鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路轍叉專用含鎢貝氏體鋼，它需經(jīng)過鍛造后使用。
背景技術(shù)：
ZGMn13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(gè)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ZGMn13的化學(xué)成分是C 1.35％、Si 0.69％、Mn 12.76％，目前。公認(rèn)的ZGMn13鋼的化學(xué)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。我國生產(chǎn)的ZGMn13鋼轍叉的平均過載量(使用壽命)為1.5億噸，美國及歐洲一些發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的ZGMn13鋼轍叉的平均使用壽命可達(dá)2億噸以上。隨著社會(huì)發(fā)展和鐵路運(yùn)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(jìn)一步提高原ZGMn13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。如世界專利WO0136698、加拿大專利CA2159358、美國專利4514235、中國專利CN02157927.X和98124899.3等等。縱觀這些研究成果和實(shí)際使用效果，可以說目前世界上關(guān)于鐵路轍叉選材方面主要有兩大流派，其一是奧氏體高錳鋼，即在原有高錳鋼的基礎(chǔ)上利用冶金、鑄造、熱處理和機(jī)械強(qiáng)化等工藝方法進(jìn)一步提高其使用壽命；其二是主要組織為貝氏體的中低碳低合金鋼。
貝氏體鋼因其具有高的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)捻g度和硬度使其表現(xiàn)出優(yōu)良的抗接觸疲勞和耐磨性能，尤其是它具有優(yōu)異的焊接工藝性能，使它成為制作新型高速鐵路用轍叉的理想材料之一。因此，目前它在制作鐵路轍叉方面有了越來越廣泛的應(yīng)用，并且有逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)高錳鋼轍叉的勢頭。中國專利CN02157927.X公布了一種貝氏體鋼電渣熔鑄復(fù)合轍叉心軌，其制作的工藝流程為備料→電渣熔鑄復(fù)合→機(jī)加工→熱處理→探傷→成品；其結(jié)構(gòu)為由無碳化物貝氏體鋼轍叉心軌和普通鋼軌即叉根軌復(fù)合組成的；心軌主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、Ni，附以微量元素V和Nb，其余為Fe。中國專利98124899.3公布一種鐵道轍叉專用材料，發(fā)明者把它命名為鐵道轍叉專用超高韌可焊接空冷鴻康貝氏體鋼，此發(fā)明以Mn、Si為主要合金元素，輔以Cr、Ni、Mo等元素，經(jīng)奧氏體化后空冷即可到貝氏體/馬氏體復(fù)相組織；其基礎(chǔ)化學(xué)成分為(Wt％)C 0.10～0.65、Si≤2.65、Mn 0.50～3.20、Cr 0.20～2.80、Ni≤3.50、Mo≤2.00、余下是Fe。我們國家的另一項(xiàng)研究成果報(bào)道了“新一代高性能新型合金鋼新材料”，它是以Si和Mn為主要合金元素，Cr、Mo、Ni為輔，輔以Re、V、Ti變質(zhì)的鐵路道岔心軌，具體化學(xué)成分為0.25～0.4％C、1.0～2.5％Si、1.0～2.5％Mn、1.0～2.0％Cr、0.3～0.8％Mo、0.3～1.0％Ni，以及微量的Re、B、V、Ti。這種鋼用鍛造方法成型，正火或退火態(tài)獲得貝氏體組織。使用狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度σb1240～1360MPa、屈服強(qiáng)度σs≥1100MPa、延伸率δ5≥8％、室溫沖擊韌性≥75J/cm2、低溫沖擊韌性≥40J/cm2(-40℃)、硬度HRC37～42。
從目前所公布的鐵路轍叉專用貝氏體鋼的化學(xué)成分看，其中都存在合金元素Si和Mo且含有微合金元素V、Nb、Ti或B等。然而世界上Mo資源日趨匱乏，尤其是近年來，西方發(fā)達(dá)國家利用含Mo的肥料種植食用牛吃的草，使Mo資源更加緊張。因此，目前大量的研究集中在利用W代替Mo。因?yàn)?，研究表明W對鋼的珠光體和貝氏體相變都有很大的影響，并且可顯著阻礙奧氏體晶界碳化物的析出，其作用類似于Mo，從降低鋼的回火脆性和阻礙珠光體轉(zhuǎn)變角度講，公認(rèn)的觀點(diǎn)是W的作用相當(dāng)于Mo的一半。我國是世界上W資源富饒的國家之一，因此研究含W鋼具有實(shí)際意義。然而，W作為合金化元素在鋼貝氏體中的使用相對較少。本發(fā)明提出一種含鎢又含鋁的貝氏體鍛鋼，經(jīng)過熱處理，獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的材料，用于制作使用安全性和壽命更高的鐵路轍叉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在系統(tǒng)研究了W和Al含量以及熱處理工藝，尤其是鍛后熱處理工藝對貝氏體鋼組織和常規(guī)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提供一種新型耐磨耐疲勞鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鋼，該鋼經(jīng)過鍛造后使用。特別強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明貝氏體鋼氫脆敏感性小，因此，其作為塑性指標(biāo)之一的延伸率得以大幅度提高，從而使鐵路轍叉的安全性得到提高，這也正是目前公布的有關(guān)貝氏體鋼轍叉專利所沒有充分考慮到的。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供的這種新型耐磨、耐疲勞鐵路轍叉專用含鎢貝氏體鋼，其化學(xué)成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，Si 0.3～0.8，S＜0.03，P＜0.03，其余為Fe。鋼使用狀態(tài)的常規(guī)力學(xué)性能為σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、aKU≥80J/cm2、aKU(-40℃)≥35J/cm2、HRC 38-45。鋼的制造工藝為電爐冶煉，其冶煉工藝為出鋼溫度和澆注溫度與一般中碳低合金鋼相同；在冶煉時(shí)，合金元素(相應(yīng)鐵合金)由先到后的加入順序?yàn)殒u鐵、鎳鐵、硅鐵、鉻鐵、錳鐵，然后澆注成鋼錠。鍛造工藝為鋼錠的加熱速度≤120℃/h，加熱溫度1150-1250℃，始鍛溫度1150-1220℃，終鍛溫度≥850℃。最終熱處理工藝為首先將鍛件加熱到850℃～950℃進(jìn)行正火處理，然后再加熱到300℃～400℃進(jìn)行回火處理。
本發(fā)明的有益效果是最終熱處理后鋼的組織為無碳化物貝氏體和少量殘余奧氏體。這種貝氏體鍛鋼轍叉的使用壽命比目前使用的普通ZGMn13鋼轍叉提高60％以上，過載量可達(dá)3億噸以上。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1鋼坯的化學(xué)成分(wt％)為C 0.32，Mn 1.55，Al 1.50，Ni 0.32，Cr 1.58，W 1.35，Si 0.45，S 0.025，P 0.028，其余為Fe。鍛造工藝為鋼錠的加熱速度100℃/h，加熱溫度1220℃，始鍛溫度1200℃，終鍛溫度950℃。最終熱處理工藝為將鋼加熱到920℃進(jìn)行正火處理，然后再加熱到350℃進(jìn)行回火處理。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機(jī)械性能為σb＝1325MPa，σ0.2＝1106MPa，δ5＝15％，aKU＝122J/cm2，HRC42。
實(shí)施例2鋼坯的化學(xué)成分(wt％)為C 0.35，Mn 1.77，Al 1.48，Ni 0.33，Cr 1.66，W 1.21，Si 0.50，S 0.024，P 0.021，其余為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實(shí)例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機(jī)械性能為σb＝1389MPa，σ0.2＝1115MPa，δ5＝16％，aKU＝135J/cm2，HRC42。
實(shí)施例3鋼坯的化學(xué)成分(wt％)為C 0.26，Mn 2.17，Al 0.98，Ni 0.63，Cr 1.11，W 1.61，Si 0.52，S 0.025，P 0.020，其余為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實(shí)例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機(jī)械性能為σb＝1257MPa，σ0.2＝1111MPa，δ5＝17％，aKU＝146J/cm2，HRC40。
實(shí)施例4鋼坯的化學(xué)成分(wt％)為C 0.38，Mn 2.43，Al 1.23，Ni 0.23，Cr 1.81，W 0.82，Si 0.64，S 0.011，P 0.008，其余為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實(shí)例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機(jī)械性能為σb＝1417MPa，σ0.2＝1189MPa，δ5＝15％，aKU＝109J/cm2，HRC45。
實(shí)施例5鋼坯的化學(xué)成分(wt％)為C 0.31，Mn 1.86，Al 1.01，Ni 0.31，Cr 0.89，W 1.10，Si 0.55，S 0.016，P 0.018，其余為Fe。鍛造工藝及熱處理工藝同實(shí)例1。鍛件尺寸為120×200×1000mm，鍛件表面下30mm處取樣，機(jī)械性能為σb＝1322MPa，σ0.2＝1117MPa，δ5＝18％，aKU＝142J/cm2，HRC41。用于制作一批鐵路轍叉，目前每棵轍叉的平均過載量達(dá)2.1億噸，轍叉心部只有微量磨損。
權(quán)利要求
1.一種鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼，其特征是其化學(xué)成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，S＜0.03，P＜0.03，其余為Fe；使用狀態(tài)鋼的常規(guī)力學(xué)性能為σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、aKU≥80J/cm2、aKU(-40℃)≥35J/cm2、HRC 38-45。
2.一種制造權(quán)利要求1所述的鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼的工藝，其特征是a.冶煉制造工藝為電爐冶煉，其冶煉工藝為出鋼溫度和澆注溫度與一般中碳低合金鋼相同；在冶煉時(shí)，合金元素(相應(yīng)鐵合金)由先到后的加入順序?yàn)殒u鐵、鎳鐵、鉻鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁，然后澆注成鋼錠；鋼錠需要在錠模中緩慢冷卻到室溫出模；b.鍛造工藝為鋼錠的加熱速度≤120℃/h，加熱溫度1150-1250℃，始鍛溫度1150-1220℃，終鍛溫度≥850℃。c.最終熱處理工藝為首先將鍛件加熱到850℃～950℃進(jìn)行正火處理，然后再加熱到300℃～400℃進(jìn)行回火處理，得到無碳化物貝氏體和少量殘余奧氏體組織。
全文摘要
一種鐵路轍叉專用含鎢鋁貝氏體鍛鋼，它屬于MnCrWAlNi系低合金鋼，其化學(xué)成分(wt％)為C 0.25～0.40，Mn 1.0～3.0，Al 0.7～2.0，Ni 0.1～1.0，Cr 0.5～2.0，W 0.4～2.0，Si 0.3～0.8，S＜0.03，P＜0.03，其余為Fe。采用電爐冶煉，澆注后鋼錠在模中緩冷至室溫。鍛造后經(jīng)過兩次熱處理鍛后熱處理和最終熱處理，最終熱處理后的組織為無碳化物貝氏體和少量殘余奧氏體。最終熱處理后性能σb≥1250MPa、σs≥1100MPa、δ5≥10％、a
文檔編號C21D1/26GK1904121SQ200610048109
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者張福成, 鄭煬曾, 呂博 申請人:燕山大學(xué)