一种铁路辙叉用高耐磨钢及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201410850244.9 | 申请日 | 2014-12-30 | 公开(公告)号 | CN104561829A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司; | 发明人 | 文超; 董雯; 梁会雷; 陈亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种特别适用于 铁 路辙叉用的高强度耐磨 钢 及其制造方法，其各组分及其 质量 百分比如下：C 0.29％～0.45％、Si 0.20％～0.59％、Mn 0.90％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni 1.01％～1.49％、Mo 0.29％～0.59％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。所述 合金 钢制造方法为： 电弧 炉 冶炼 →钢包炉精炼→ 真空 炉脱气→模铸→初轧开坯→ 锻造 成型→去氢 热处理 →最终热处理。本发明 合金钢 与现有的技术相比较，具有很高的强度性能和优良的 耐磨性 能，同时具有非常高的韧性指标，且内在质量稳定和均匀的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铁路辙叉用高耐磨合金钢，其特征在于，各组分及其质量百分比如下：C |
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| 说明书全文 | 一种铁路辙叉用高耐磨钢及其制造方法技术领域[0001] 本发明属于合金钢及其制造方法领域，涉及一种高性能的合金钢，特别是涉及一种铁路辙叉用高耐磨合金钢及其制造方法，所述的合金钢具有很高的强度性能和优良的耐磨性能，同时具有非常高的韧性指标，且具有内在质量稳定和均匀的优点，特别适用于高速重载铁路辙叉。 背景技术[0002] 高速重载铁路以其大轴重、高密度和大运量的运输工况对道岔设备构成了极其严酷的运行条件，使道岔中辙叉等零件的磨损和伤损远远大于普通线路同型号道岔。随着铁路运输向重载进一步发展，现役的高锰钢辙叉已经越来越难以满足其需求。针对服役条件恶劣的辙叉(尤其是辙叉心轨和翼轨)，不仅需要有足够的硬度和强度，而且还需要足够的韧性以提高其耐磨性，同时需要整个辙叉断面具有性能的均匀一致性和内在质量的稳定性。 [0003] 为此，最近十多年来，国内外都在力图研制出满足高速重载铁路运输要求的高耐磨性合金钢辙叉。例如，CN100449027C公开了一种适用于铁路道岔的耐磨钢，采用Si-Mn-Cr-Mo为主的合金元素并添加V、Ti细化晶粒，制造采用了形变热处理工艺在一定程度上提高了辙叉的质量稳定性和降低了生产成本，但其硬度和冲击韧性并不是非常优越。CN1166804C披露了铁道辙叉专用超强高韧可焊接空冷鸿康贝氏体钢及其制造方法，其采用以Mn、Si为主要合金元素，辅以Cr、Ni、Mo等元素，并以Ti、V、Nb为细化晶粒元素，制造采用了普通的冶炼方式，但由于采用的是Mn、Si为主要添加元素，在冶炼过程中不可避免地出现Mn的偏析，从而造成截面性能的不均匀和内在质量的稳定性较差，同时由于Si的较大添加，造成了在锻造和热处理过程中工件表层的大量氧化，从而浪费了材料和增加了加工费用。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种铁路辙叉用高耐磨合金钢，通过Mn、Cr、Ni、Mo等多元复合添加技术，并辅以Al、Nb细化晶粒，以得到一种高强度、高硬度、高韧性的耐磨钢，特别适用于高速重载铁路辙叉。 [0005] 本发明的另一目的还在于提供一种所述合金钢的制造方法，通过冶炼、锻造、热处理系统控制技术，所述的制造方法能保证本发明合金钢内在性能质量的稳定性和均匀性。 [0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种铁路辙叉用高耐磨合金钢，各组分及其质量百分比如下：C 0.29％～0.45％、Si 0.20％～0.59％、Mn 0.90％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni 1.01％～1.49％、Mo 0.29％～0.59％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。 [0007] 根据本发明的优化方案，其各组分及其质量百分比如下： [0008] (1)C 0.29％～0.34％、Si 0.20％～0.59％、Mn 1.01％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni 1.21％～1.49％、Mo 0.35％～0.59％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。 [0009] (2)C 0.35％～0.39％、Si 0.20％～0.59％、Mn 0.90％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni 1.01％～1.49％、Mo 0.29％～0.59％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。 [0010] (3)C 0.40％～0.45％、Si 0.20％～0.59％、Mn 0.90％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni 1.01％～1.31％、Mo 0.29％～0.49％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。 [0011] 本发明的耐磨合金钢的含碳量为0.29％～0.45％，以保证本发明所述的合金钢具有优良的硬度和强度性能，同时具有非常高的韧性和良好的焊接性能。合金元素Mn、Cr、Ni、Mo的加入及其合适的配比选择，可以有效的进一步提高所述合金钢的强度、硬度和韧性性能，并能保证整个零件截面能达到组织和性能的均匀性和一致性。合金元素Al和Nb的加入及其合适的配比选择，则能有效地抑制锻造和热处理过程中奥氏体晶粒长大，细化晶粒，提高所述合金钢的强度、塑性和韧性。 [0012] 本发明还涉及所述的重载铁路辙叉用高耐磨合金钢的制造方法，包括按顺序进行的以下步骤：电弧炉冶炼→钢包炉精炼→真空炉脱气→模铸→初轧开坯→锻造成型→去氢热处理→最终热处理；其中锻造成型应采用自由锻+模锻方式，最终热处理方法是在奥氏体化后应以0.1℃/s～0.8℃/s进行控制冷却，冷却至室温后再回火处理。 [0013] 优选地，对于75Kg/m辙叉的制造，最终热处理可采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.3℃/s～0.5℃/s，然后在160℃～550℃保温回火。 [0014] 优选地，对于60Kg/m辙叉的制造，最终热处理可采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.5℃/s～0.8℃/s，然后在160℃～550℃保温回火。 [0015] 与现有技术相比，本发明所述的铁路辙叉用高耐磨合金钢一是采用C、Mn、Cr、Ni、Mo、Al、Nb的加入及其合适的配比选择，有效的提高了耐磨钢的强度、硬度和韧性性能，保证了整个零件截面组织和性能的均匀性和一致性。二是采用冶炼、锻造和热处理的系统控制方法，减少了钢锭的合金元素的偏析，提高了锻件截面性能的均匀性和内在质量的稳定性。本发明的铁路辙叉用高耐磨合金钢机械性能指标如下：Rm≥1605MPa，Rp0.2≥1300MPa，硬 2 2 度≥48HRC，αKU(室温)≥100J/cm，αKU(-40℃)≥70J/cm。目前，商用的合金钢辙叉相关指标的技术要求如下(运基线路(2005)230号文件《合金钢心轨组合辙叉技术条件》)， 2 2 Rm≥1240MPa，αKU(室温)≥70J/cm，αKU(-40℃)≥35J/cm，硬度为38～45HRC。选取典型的商用辙叉进行测试，其组分及其质量百分比配比：C 0.25、Si 2.08、Mn 1.69、P 0.008、S 0.002、Cr 1.40、Ni 0.30、Mo 0.28、Al 0.03、Nb 0.01、O 18ppm、N 74ppm、H 0.39ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果为：Rm为1263MPa，Rp0.2为1020MPa， 2 2 硬度为39.5HRC～42.0HRC，αKU(室温)为74J/cm，αKU(-40℃)为37J/cm。由此可见，上述性能指标比现有的商用辙叉具有较大幅度的显著提升。 [0016] 总之，本发明所述合金钢具有高强度、高硬度、高韧性的性能特性，且截面性能的均匀性和内在质量的稳定性好，特别适用于高速重载铁路辙叉的需求，且具有高的使用寿命、易于制造、易于组装使用等特点。 具体实施方式[0018] 有关本发明所述及之技术内容、特点与功效，将在以下具体实施方式中详细说明。然而，本领域技术人员不难理解，此处的实施例仅仅用于示例目的，本发明并不局限于此。 [0019] 本发明中，室温拉伸性能的测定采用的标准是GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，冲击性能的测定采用的标准是GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，αKU的换算方法采用的标准是GB/T229-1984《金属夏比(U型缺口)冲击试验方法》，硬度性能的测定采用的标准是GBT 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)。 [0020] 本发明的铁路辙叉用高耐磨合金钢，是一种高强度、高硬度、高韧性的合金钢，特别适用于高速重载铁路辙叉，其组分及其质量百分比如下：C 0.29％～0.45％、Si0.20％～0.59％、Mn 0.90％～1.51％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr 1.52％～1.79％、Ni1.01％～1.49％、Mo 0.29％～0.59％、Al 0.02％～0.07％、Nb 0.025％～0.10％、 0.05％≤Nb+Al≤0.15％、[O]≤20ppm、[N]≤100ppm、[H]≤0.50ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。 [0021] 所述的高耐磨合金钢的制造方法，包括按顺序进行的以下步骤：电弧炉冶炼→钢包炉精炼→真空炉脱气→模铸→初轧开坯→锻造成型→去氢热处理→最终热处理；其中锻造成型应采用自由锻+模锻方式，最终热处理方法是在奥氏体化后应以0.1℃/s～0.8℃/s进行控制冷却，冷却至室温再在一定温度下回火。 [0022] 上述制造工艺流程中各工序具体为： [0024] 钢包炉精炼：将电弧炉冶炼得到的纯净钢水倒入钢包炉中，进行精炼，进一步精确控制化学成分，去S和气体含量。 [0027] 初轧开坯：将模铸得到的钢锭进行开坯，以保证钢锭各部分的均匀性和减少疏松程度，为锻造成型作好准备。 [0028] 锻造成型：将初轧的钢坯进行初步的自由锻后，并用模锻进行最终的锻造成型。 [0029] 去氢热处理：将锻造成型的锻件进行去氢处理，以大大提高锻件的冲击韧性。 [0030] 最终热处理：将去氢热处理后的锻件进行组织和性能的最终的热处理。 [0031] 根据优化方案，最终热处理通常在奥氏体化后应以0.1℃/s～0.8℃/s进行控制冷却，冷却后需进行一定温度的回火。如制造75Kg/m辙叉的制造，最终热处理可采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.3℃/s～0.5℃/s，然后在160℃～550℃保温回火。而对于60Kg/m辙叉的制造，最终热处理可采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.5℃/s～0.8℃/s，然后在160℃～550℃保温回火。 [0032] 实施例1：本发明的高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C 0.30、Si0.52、Mn 1.27、P 0.007、S 0.004、Cr 1.64、Ni 1.29、Mo 0.44、Al 0.07、Nb 0.04、O 18ppm、N 76ppm、H 0.36ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果为：Rm为 2 1685MPa，Rp0.2为1367MPa，硬度为51.5HRC，αKU(室温)为134J/cm，αKU(-40℃)为92J/ 2 cm。 [0033] 实施例2：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.29、Si 0.45、Mn 1.51、P 0.006、S 0.006、Cr 1.67、Ni 1.47、Mo 0.41、Al 0.05、Nb 0.10、O 18ppm、N 79ppm、H 0.43ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1701MPa，Rp0.2为1370MPa，硬度为52.0HRC，αKU(室温)为112J/cm，αKU(-40℃) 2 为79J/cm。 [0034] 实施例3：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.38、Si 0.20、Mn 1.29、P 0.009、S 0.004、Cr 1.75、Ni 1.01、Mo 0.56、Al 0.07、Nb 0.08、O 15ppm、N 78ppm、H 0.42ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1723MPa，Rp0.2为1384MPa，硬度为52.5HRC，αKU(室温)为137J/cm，αKU(-40℃) 2 为93J/cm。 [0035] 实施例4：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.33、Si 0.59、Mn 1.01、、P 0.009、S 0.001、Cr 1.61、Ni 1.22、Mo 0.57、Al 0.06、Nb 0.09O 20ppm、N 75ppm、H 0.46ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结 2 果为：Rm为1719MPa，Rp0.2为1377MPa，硬度为52.5HRC，αKU(室温)为138J/cm，αKU(-40℃) 2 为94.5J/cm。 [0036] 实施例5：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.39、Si 0.21、Mn 1.36、P 0.008、S 0.004、Cr 1.72、Ni 1.21、Mo 0.29、Al 0.07、Nb 0.07、O 14ppm、N 77ppm、H 0.41ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1625MPa，Rp0.2为1321MPa，硬度为50.5HRC，αKU(室温)为145J/cm，αKU(-40℃) 2 为101J/cm。 [0037] 实施例6：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.29、Si 0.30、Mn 1.32、P 0.009、S 0.002、Cr 1.79、Ni 1.24、Mo 0.59、Al 0.02、Nb 0.03、O 20ppm、N 98ppm、H 0.35ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果如 2 为：Rm为1653MPa，Rp0.2为1331MPa，硬度为51.0HRC，αKU(室温)为129J/cm，αKU(-40℃) 2 为88J/cm。 [0038] 实施例7：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.37、Si 0.39、Mn 1.17、P 0.007、S 0.003、Cr 1.54、Ni 1.26、Mo 0.36、Al 0.04、Nb 0.05、O 19ppm、N 65ppm、H 0.33ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1631MPa，Rp0.2为1323MPa，硬度为50.5HRC，αKU(室温)为141J/cm，αKU(-40℃) 2 为99J/cm。 [0039] 实施例8：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.38、Si 0.47、Mn 0.92、P 0.007、S 0.001、Cr 1.55、Ni 1.49、Mo 0.37、Al 0.06、Nb 0.06、O 16ppm、N 82ppm、H 0.41ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1709MPa，Rp0.2为1374MPa，硬度为52.0HRC，αKU(室温)为114J/cm，αKU(-40℃) 2 为83J/cm。 [0040] 实施例9：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.36、Si 0.41、Mn 1.34、P 0.008、S 0.002、Cr 1.52、Ni 1.08、Mo 0.47、Al 0.06、Nb 0.08、O 17ppm、N 98ppm、H 0.45ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1701MPa，Rp0.2为1369MPa，硬度为52.0HRC，αKU(室温)为119J/cm，αKU(-40℃) 2 为91J/cm。 [0041] 实施例10：重载铁路辙叉用高耐磨合金钢，其各组分及其质量百分比配比：C0.45、Si 0.24、Mn 0.90、P 0.006、S 0.001、Cr 1.58、Ni 1.05、Mo 0.45、Al 0.07、Nb 0.03、O 16ppm、N 88ppm、H 0.35ppm，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能结果 2 为：Rm为1629MPa，Rp0.2为1321MPa，硬度为50.5HRC，αKU(室温)为142J/cm，αKU(-40℃) 2 为103J/cm。 [0042] 实施例11：一种高强度高韧性的重载铁路辙叉用高耐磨合金钢的制造方法，制造工艺流程为按顺序进行的以下步骤：电弧炉冶炼→钢包炉精炼→真空炉脱气→模铸→初轧开坯→锻造成型→去氢热处理→最终热处理。其中锻造成型采用自由锻+模锻。去氢热处理为合金钢提供高韧性所必须进行的热处理工艺。最终热处理根据锻件大小和成分的不同进行控制冷却。最终热处理通常在奥氏体化后以0.1℃/s～0.8℃/s进行控制冷却，冷却后进行一定温度的回火。 [0043] 实施例12：对于75Kg/m辙叉的制造，最终热处理采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.3℃/s～0.5℃/s；然后在160℃～550℃保温回火。 [0044] 实施例13：对于60Kg/m辙叉的制造，最终热处理采用890℃～980℃奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.5℃/s～0.8℃/s；然后在160℃～550℃保温回火。 [0045] 实施例14：一组高速重载铁路辙叉用高耐磨合金钢的较佳的实施例，其组分和质量百分比配比如下表所示。经测试，这组实施例中高耐磨合金钢的机械性能指标均能2 达到以下要求：Rm≥1605MPa，Rp0.2≥1300MPa，硬度≥48HRC，αKU(室温)≥100J/cm， 2 αKU(-40℃)≥70J/cm。 [0046] [0047] |
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