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 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] (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%?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%?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〇. 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：电弧炉冶炼一钢包炉精炼一真空炉脱气一模铸一初轧开坯一锻造成型一去氢 热处理一最终热处理；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°C /s?0. 8 °C /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°C?980°C奥氏体化后进 行空冷至室温，冷却速度在0. 3°C /s?0. 5°C /s，然后在160°C?550°C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°C?980°C奥氏体化后进 行空冷至室温，冷却速度在0. 5°C /s?0. 8°C /s，然后在160°C?550°C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：R m> 1605MPa，Rpa2S 1300MPa，硬 度彡48HRC，α κυ(室温）彡l〇〇J/cm2, a KU(-40°C )彡70J/cm2。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》）， R# 1240MPa，α κυ (室温）彡 70J/cm2, aKU(-40°C )彡 35J/cm2,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、Μ〇 0·28、Α1 0.03、Nb 0·01、0 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：^为1263MPa，Rpa2为1020MPa， 硬度为 39. 5HRC ?42. 0HRC，α κυ(室温）为 74J/cm2，a KU(-40°C )为 37J/cm2。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。
[0017] 下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施 方式为限，而是由权利要求加以限定。
【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》，a KU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%、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：电弧炉冶炼一钢 包炉精炼一真空炉脱气一模铸一初轧开坯一锻造成型一去氢热处理一最终热处理；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. l°c /s?0. 8°C / 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：
[0023] 电弧炉冶炼：通过氧化和还原精炼，去P和S、去气，去夹杂物，控制调整化学成分， 获得较为纯净的钢水。
[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。
[0025] 真空炉脱气：经钢包炉调整好的更为纯净的钢水倒入真空炉中，在真空下吹氧、脱 碳、真空除气、合金成分微调，得到最终的净化和精确控制的钢水。
[0026] 模铸：将合格的纯净的钢水倒入锭型中，得到致密的均匀的且偏析度小的钢锭，为 轧制作好准备。
[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°C /s?0.8°C /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°C?980°C奥氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0.3°C /s?0.5°C /s，然后在 160°C?550°C保温回火。而对于60Kg/m辙叉的制造，最终热处理可采用890°C?980°C奥 氏体化后进行空冷至室温，冷却速度在0. 5°C /s?0. 8°C /s，然后在160°C?550°C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、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，余量为铁和其他不可避免的杂质。经检测其机械性能