鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼及其制備方法技術

一種鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼，它的表層組織為位錯型馬氏體，心部為無碳化物貝氏體組織，中間層為經過化學成分再配分的位錯型馬氏體和無碳化物貝氏體復合組織；其化學成分(wt％)為：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：＜0.02、P：＜0.02，微合金化元素0.1?0.3，其余為Fe；上述鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼制備方法主要是：采用電弧爐冶和LF爐精煉鋼水，澆注鋼錠在鋼模中緩冷至室溫，將鋼錠進行去氫和組織均勻化處理，模鍛鋼錠成形，對鍛件進行溫水淬火和中溫回火熱處理。本發明專利技術熱處理工藝易于控制、成本低、轍叉的綜合性能優異，低碳馬氏體轍叉鋼的屈服強度σs＞1200MPa，抗拉強度σb＞1500MPa，室溫沖擊韌性aKU＞120J/cm2，延伸率δ5＞12％，硬度＞HRC45。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料科學與工程領域，特別涉及一種鐵路轍叉用鋼及其制備方法。
技術介紹
轍叉是使車輪由一股鋼軌通過另一股鋼軌的軌線平面交叉設備，主要由翼軌、心軌及聯接零件組成。按照結構，轍叉可以分為固定型轍叉和活動型轍叉。固定型轍叉又分為整體鑄造型和拼裝型轍叉。整體鑄造轍叉通常是指高錳鋼鑄造轍叉；而拼裝轍叉主要是指以珠光體鋼或高錳鋼或貝氏體鋼為心軌，以珠光體鋼或貝氏體鋼為翼軌，通過高強螺釘組裝而成的轍叉。目前，世界范圍內的鐵路轍叉用鋼有高碳珠光體鋼、高錳奧氏體鋼和低碳貝氏體鋼。美國專利US2004035507-Al、公開號為CN101818312A和CN03800576.X等中國專利公布了許多綜合性能優異的超細珠光體轍叉鋼及其制造工藝。關于高錳奧氏體鋼轍叉及其制造技術有：最早的高錳鋼轍叉是1894年鋪設于美國紐約布魯克林大西洋街電車軌道上的轍叉，后來不斷更新和發展。比如：1986年在《RailwayTrackandStructures》1(82)36-38刊物上的文章，美國專利技術專利US4342593和US6572713，以及中國專利技術專利CN03128763.8，CN103667888A，CN200810055383.7，CN200910227860.8，CN200910227858.0，CN200910227859.5，等等。貝氏體鋼轍叉是近年來發展起來的鐵路轍叉用鋼及其制造技術，然而，雖然其問世較晚但相關的專利技術卻非常多。最早的是1986年在《RailwayGazetteInternational》142(1986)176-177刊物上的研究報道，然后是1997年在《RailwayTrack&Structures》12(1997)14-16刊物上的研究報道。緊接著是美國專利US5759299、加拿大專利CA2355868和CA2510512，歐洲專利EP0804623B1，中國專利CN98124899.3、CN8112095.4、CN200610048109.8、CN200610012673.4、CN03150092.7、CN02157927.X、CN98112095.4、CN200410068857.3、CN200510078257.X、CN200410068857.3、CN1721565A、CN1865482A以及CN103789699A等等多種貝氏體轍叉鋼成果報道。目前，世界上還沒有用低碳馬氏體鋼制造鐵路轍叉的專利和文章以及研究報告的文獻報道。20世紀90年代，世界上著名的鐵路轍叉制造商—奧地利VAE公司從性價比的角度考慮，給出了選擇鐵路轍叉用鋼和結構類型時應該遵循的原則。這個原則告訴人們，在低速低載荷線路上選擇珠光體鋼轍叉，隨著列車運行速度和軸重的增加依次選擇的轍叉用鋼是普通鑄造高錳鋼轍叉、拼裝貝氏體鋼轍叉、爆炸預硬化高錳鋼轍叉，最后是當列車運行速度很高、軸重很大時選擇用馬氏體時效鋼轍叉。也就是說，馬氏體時效鋼是最優秀的制造鐵路轍叉的材料。然而，由于馬氏體時效鋼中含有大量的貴重金屬Co、Mo、Ni等，其制造成本非常高，所以，實際上，也從來沒有人利用馬氏體時效鋼制造轍叉，因此，利用馬氏體時效鋼制造鐵路轍叉至今還一直是一個夢想。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種熱處理工藝易于控制、成本低、轍叉的綜合性能優異、且焊接工藝性能優良的鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼及其制備方法。本專利技術的鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼是一種表層組織為位錯型馬氏體，心部為無碳化物貝氏體組織，中間層為經過化學成分再配分的位錯型馬氏體和無碳化物貝氏體復合組織，其化學成分(wt％)為：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其余為Fe。所述微合金化元素為兩種及以上的V、B、Ti、N、Al和Mg元素，并且，每種微合金化元素的化學成分范圍(wt％)為：V：0.01～0.03，Ti：0.01～0.03，N：0.01～0.03，Al：0.1～0.2，Mg：0.1～0.2，B：0.001～0.003。上述鐵路轍叉用低碳馬氏體轍叉鋼的制備方法如下：(1)鑄錠：采用電弧爐冶煉鋼水、LF爐精煉鋼水，將鋼水澆注鋼模中后緩冷至室溫。(2)熱處理：對鋼錠進行去氫和組織均勻化熱處理，加熱到680℃保溫5-8h，以80-100℃/h的速度加熱到1050-1100℃保溫1-3h，空冷到室溫。(3)模鍛：將鋼錠模鍛成形為鐵路轍叉心軌形狀和尺寸，以220-250℃/h的速度將鋼錠加熱到650℃保溫均溫1-2h，然后以150-180℃/h的速度加熱到1200℃保溫1-2h，始鍛溫度1180～1200℃，終鍛溫度≥850℃；鍛造變形比大于6。(4)熱處理：將鍛件進行熱處理，加熱到900-920℃奧氏體化2-4h后淬入70-80℃熱水中2-3min，然后放入溫度為300℃的爐中，以180-300℃/h的速度冷卻到室溫，再加熱到340℃～360℃保溫2-5h回火處理。本專利技術中合金元素的作用為：1、鋼中碳含量較低(0.2wt％左右)，使馬氏體晶體中亞結構為位錯，不存在孿晶亞結構，從而使鋼充分表現出位錯馬氏體亞結構的優越性。2、鋼中硅含量較高(1.8wt％左右)，從而把馬氏體回火脆性溫度范圍移向較高溫度，使鋼可以在較高溫度下(350℃左右)長時間回火，鋼中的碳在馬氏體和殘余奧氏體中重新配分，同時，調整馬氏體的畸變晶格，從而降低了馬氏體中固溶碳量和內應力，有利于提高轍叉的抗疲勞性能。3、鋼中Mn、Cr、W、Ni及微量合金化元素，并與硅含量合理配合，使板條馬氏體相界的殘余奧氏體薄膜中富碳、錳、鉻、鎢、鎳及微合金化元素，從而使殘余奧氏體薄膜足夠穩定，使轍叉在服役過程中，阻礙裂紋擴展的能力提高。本專利技術與現有技術相比具有如下優點：1、轍叉的綜合性能優異。這種低碳馬氏體轍叉鋼的屈服強度大于1200MPa，抗拉強度大于1500MPa，室溫沖擊韌性大于120J/cm2，延伸率大于12％，硬度大于HRC45，斷面收縮率大于50％、斷裂韌性(K1C)大于100MPa.m-1/2，疲勞裂紋形成門檻值(Kth)大于10MPa.m-1/2，同時具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，克服了貝氏體鋼轍叉性能不穩定，這一多年來困擾著鐵路轍叉用鋼研究人員和工程技術人員的難題。2、轍叉的熱處理工藝易于控制。這種低碳馬氏體鋼的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼，其特征在于：它的表層組織為位錯型馬氏體，心部為無碳化物貝氏體組織，中間層為經過化學成分再配分的位錯型馬氏體和無碳化物貝氏體復合組織；它的化學成分的質量百分比wt％為：C：0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其余為Fe。

【技術特征摘要】
1.一種鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼，其特征在于：它的表層組織為位錯型馬
氏體，心部為無碳化物貝氏體組織，中間層為經過化學成分再配分的位錯型馬
氏體和無碳化物貝氏體復合組織；它的化學成分的質量百分比wt％為：C：
0.19～0.23、Si：1.5～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr：1.0～1.5、W：0.4～0.6、Ni：0.1～0.3、
S：<0.02、P：<0.02、微合金化元素0.1～0.3，其余為Fe。
2.根據權利要求1所述的鐵路轍叉用低碳馬氏體鋼，其特征在于：所述微
合金化元素為兩種及以上V、B、Ti、N、Al和Mg元素，并且，每種微合金化
元素的化學成分的質量百分比wt％為：V：0.01～0.03、Ti：0.01～0.03、N：0.01～0.03、
Al：0.1～0.2、Mg：0.1～0.2、B：0.001～0.003。
3.權利要求1的鐵路轍叉用低碳馬氏體轍...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張福成，夏書樂，呂博，
申請(專利權)人：燕山大學，
類型：發明
國別省市：河北;13