專利名稱：含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼鐵材料及其制造方法，特別是鐵路轍叉專用高錳鋼
及其制造方法。
技術(shù)背景自從發(fā)明奧氏體高錳鋼以來(lái)，人們一直未間斷對(duì)其研究，從而派生出大 量的再合金化奧氏體錳鋼，如美國(guó)發(fā)明一種利用Ni、 V、 Ti微合金化的奧氏體錳鋼鑄件，其 各項(xiàng)力學(xué)性能都達(dá)到較高的水平，利用這種高錳鋼制造的鐵路轍叉，其使用壽命得到顯著 提高。由于這種鋼中含有一種晶粒尺寸很細(xì)的碳氮化合物，使得這種鑄件的使用壽命比 普通高錳鋼延長(zhǎng)20-70%。這種奧氏體錳鋼的成份為(wt%) :Mnll.0-24. 0、 C 1.0-1.4、 Si > l、Cr > 1. 9、Ni > 0. 25、Mo > 1. 0、A1 > 0. 2、Cu > 0. 25、雜質(zhì)P《0. 07、S《0. 06、 微合金Ti、 Nb、 V的加入量分別約為0. 020 0. 070， N大約為0. 001-0. 01。并且，微合金 化Ti+Nb+V+N元素的總和不小于0. 05% ，不超過(guò)0. 22% 。加拿大開(kāi)展了對(duì)高錳鋼進(jìn)行V再 合金化處理的研究工作，通過(guò)向高錳鋼中加入不同含量的V，研究V對(duì)高錳鋼轍叉性能的影 響。他們選用兩種熱處理工藝，其一是，加熱到110(TC奧氏體化然后冷卻到95(TC保溫6小 時(shí)，最后再固溶處理，其二是，加熱到1050 115(TC正常固溶處理。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論哪種處 理工藝，高錳鋼的硬度都隨著V含量的增高而增加，而耐磨性能在V含量為2X時(shí)為最佳值， 其耐磨性能可達(dá)到普通高錳鋼的5倍。 我國(guó)對(duì)鐵路轍叉用高錳鋼也進(jìn)行了加釩再合金化處理，是在原高錳鋼成分的基礎(chǔ) 上，加入V、Ti等進(jìn)行再合金化處理，加入微量合金元素V和Ti的目的是為了細(xì)化奧氏體晶 粒，提高高錳鋼的強(qiáng)度，從而提高高錳鋼轍叉的使用性能。 關(guān)于以鋯為合金化元素的高錳鋼也有一些研究報(bào)道，主要是前蘇聯(lián)的一些 專利，他們的成分系列分別是，F(xiàn)eCrMnNbZrC系，其熱處理工藝為930 100(TC淬火。 FeMnAlNSiZrC系，這種鋼具有高的耐沖擊磨損性能，并且流動(dòng)性好，(刪掉了一句)力學(xué)性 能達(dá)到ob:920MPa、 0。.2:510MPa、 S :55%、小48%。 FeMnNSiTiZrC系，該鋼力學(xué)性能與 抗裂性能好。FeCrMnCuVZrC系，該鋼具有高的韌性和耐磨性能。 從目前所有有關(guān)文獻(xiàn)看，盡管有利用V或者N或者Zr對(duì)高錳鋼再合金化處理的研 究成果，它們會(huì)使高錳鋼轍叉某一方面性能有所提高，但都不能很好的適應(yīng)目前高速、重載 鐵路惡劣的服役條件。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種轍叉加工硬化能力高、耐磨性好、使用壽命 長(zhǎng)的含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉及其制造方法。本發(fā)明主要是利用釩、鋯和氮對(duì)高錳鋼轍叉 進(jìn)行微合金化處理，然后，將轍叉加熱到280°C 35(TC之間某一溫度進(jìn)行回火處理，使之 得到含釩、鋯、氮、錳和碳等的納米原子團(tuán)。 本發(fā)明的含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉其化學(xué)成分為wt% :C 0. 9 1. 2、 Mnll. 0 14. 0、V 0. 1 0. 4、Zr 0. 05 0. 2、N 0. 04 0. 2、Al 0. 1 0. 3、Si < 0. 8、S < 0. 035、 P < 0. 035、其余為Fe。 本發(fā)明的含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉的制造方法如下 (1)加料向電爐內(nèi)加入工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋯等合金及 金屬原料，最好加入的先后順序依次為工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋯；
(2)冶煉按普通奧氏體高錳鋼冶煉方法進(jìn)行冶煉，S卩加熱爐內(nèi)金屬及合金，使之 全部熔化，并于1630 1680。C溫度維持10 20min，出鋼溫度為1550 1600°C ;
(3)澆注澆注溫度為1450 150(TC，澆注成所需要的產(chǎn)品；
(4)鑄鋼的熱處理將上述鑄件加熱到1050 IIO(TC保溫1 3h后水淬，獲得單 相奧氏體組織。然后進(jìn)行低溫回火處理，即加熱到290 31(TC保溫3 5h后空冷，得到區(qū) 域直徑尺寸為幾個(gè)到幾十個(gè)納米的、呈-C(N)-Me-N(C)-Me-結(jié)構(gòu)的納米原子團(tuán)的十分特殊 的奧氏體組織即為本發(fā)明產(chǎn)品。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的含釩、鋯和氮奧氏體高錳鋼經(jīng)過(guò) 低溫回火處理后，其耐磨性能可提高50%以上，其原因是由于奧氏體錳鋼經(jīng)過(guò)低溫回火后， 其中的氮、碳原子和釩、鋯原子向一起聚集，形成-C(N)-Me-N(C)-Me-結(jié)構(gòu)的納米原子團(tuán)， 但還沒(méi)有形成碳化物，屬于形成碳化物的前期，這種納米原子團(tuán)可有效提高高錳鋼的加工 硬化能力，并比普通高錳鋼提高30 %以上；由于納米原子團(tuán)的存在，高錳鋼轍叉在使用中 工作面表層很快達(dá)到較高的硬度，因此，表現(xiàn)出很好的耐磨性能；這種高錳鋼轍叉的使用壽 命比普通ZGMnl3鋼轍叉提高50X以上，而其生產(chǎn)成本僅僅增加1 2%。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 首先將工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁和工業(yè)純鋯依照這個(gè)先后順序依次加 到2噸感應(yīng)電爐內(nèi)，加熱爐內(nèi)金屬及合金，使之全部熔化，并于167(TC溫度維持12min，出鋼 溫度為155(TC;澆注溫度為147(TC，澆注成尺寸為150X200X500mm鋼胚若干個(gè)；將上述鑄 件加熱到108(TC保溫1. 5h后水淬，獲得單相奧氏體組織。再加熱到29(TC保溫5h后空冷， 得到含納米尺度-C(N)-Me-N(C)-Me-原子團(tuán)的奧氏體組織，即為本發(fā)明產(chǎn)品，其化學(xué)成分 為wt^ :Cl. 1、Mn 11. 1、V 0. 14、N 0.048、Al 0.23、Zr 0.08、Si 0. 54、 S 0.025、P 0.025、 其余為Fe。在鑄件表面下50mm處取樣測(cè)試，其機(jī)械性能為o b = 845MPa、 o 。.2 = 429MPa、 S 5 = 37%、aKU = 211J/cm2、HB265。
實(shí)施例2 首先將工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁和工業(yè)純鋯依照這個(gè)先后順序依次加 到5噸電弧爐內(nèi)，加熱爐內(nèi)金屬及合金，使之全部熔化，并于164(TC溫度維持18min，出鋼溫 度為1590°C ;澆注溫度為149(TC，澆注成型號(hào)為60kg/m整鑄轍叉3個(gè)；將上述轍叉加熱到 IIO(TC保溫3h后水淬，獲得單相奧氏體組織，再加熱到31(TC保溫3小時(shí)后空冷，得到含納
米尺度-(:(川-16-^0-16-原子團(tuán)的奧氏體組織，即為本發(fā)明產(chǎn)品，其化學(xué)成分為^% :C
0.95、Mn 13.6、V0.36、N 0. 12、Al 0.21、Zr 0. 18、Si 0. 67、 S 0.025、P 0.021、其余為Fe，
在鑄件表面下50mm處取樣測(cè)試，其機(jī)械性能為。b = 871MPa、 o 。.2 = 433MPa、 S 5 = 35%、 aKU = 201J/cm2、HB268。轍叉實(shí)際上道使用，平均使用壽命(過(guò)載量)為2. 4億噸，比普通 高錳鋼轍叉的使用壽命(過(guò)載量為1.5億噸)提高50%以上。
權(quán)利要求
一種含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉，其特征在于這種含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉的化學(xué)成分為wt％C 0.9～1.2、Mn11.0～14.0、V 0.1～0.4、Zr 0.05～0.2、N 0.04～0.2、Al 0.1～0.3、Si＜0.8、S＜0.035、P＜0.035、其余為Fe。
2. 上述權(quán)利要求1所述的含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉的制造方法，其特征在于(1) 向電爐內(nèi)加入工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋯等合金及金屬原料；(2) 加熱爐內(nèi)金屬及合金，使之全部熔化，并于1630 168(TC溫度維持10 20min，出 鋼溫度為1550 1600°C ;(3) 澆注溫度為1450 150(TC，澆注成所需要的產(chǎn)品；(4) 將上述鑄件加熱到1050 IIO(TC保溫1 3h后水淬，然后加熱到290 31(TC保 溫3 5h后空冷，得到區(qū)域直徑尺寸為幾個(gè)到幾十個(gè)納米的、呈-C(N)-Me-N(C)-Me-結(jié)構(gòu) 的納米原子團(tuán)的奧氏體組織即為本發(fā)明產(chǎn)品。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉的制造方法，其特征在于合金及 金屬原料加入的先后順序依次為工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋯。
全文摘要
一種含納米原子團(tuán)高錳鋼轍叉，其化學(xué)成分為wt％C 0.9～1.2、Mn 11.0～14.0、V 0.1～0.4、Zr 0.05～0.2、N 0.04～0.2、Al 0.1～0.3、Si＜0.8、S＜0.035、P＜0.035、其余為Fe。其制造方法主要是向電爐內(nèi)加入工業(yè)純鐵、氮化釩鐵、錳鐵、工業(yè)純鋁、工業(yè)純鋯；加熱，并于1630～1680℃溫度維持10～20min，出鋼溫度為1550～1600℃；澆注溫度為1450～1500℃，將上述鑄件加熱到1050～1100℃保溫1～3h后水淬，然后加熱到290～310℃保溫3～5h后空冷，得到區(qū)域直徑尺寸為幾個(gè)到幾十個(gè)納米的呈-C(N)-Me-N(C)-Me-結(jié)構(gòu)的納米原子團(tuán)的奧氏體組織。本發(fā)明產(chǎn)品加工硬化能力比普通高錳奧氏體鋼提高30％以上；使用時(shí)轍叉工作面表層很快達(dá)到較高的硬度，表現(xiàn)出很好的耐磨性能；這種高錳鋼轍叉的使用壽命比普通ZGMn13鋼提高50％以上。
文檔編號(hào)C21D9/00GK101717889SQ200910227859
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者呂博, 張明, 張福成, 王天生, 錢立和 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)