一种洁净高锰奥氏体钢辙叉及其制备方法

1.本发明涉及道岔钢轨件技术领域，特别是涉及一种洁净高锰奥氏体钢辙叉及其制备方法。


背景技术：

2.铁路辙叉是铁路轨道的重要组成部分，是列车改变运行轨迹的关键部件。高锰钢具有优异的耐冲击性能和加工硬化特性，是生产铁路辙叉的主要钢种。高锰钢难锻，因此常采用铸造方式生产，经水韧处理后使用。近年来，我国高速、重载铁路快速发展，这种运输环境下铁路辙叉服役条件极度恶化，铁路辙叉经受列车车轮频繁且强烈的冲击力作用，导致其寿命短且离散。传统铸造工艺生产的高锰钢辙叉存在杂质元素含量高、铸造缺陷明显等缺点，无法满足重载铁路辙叉长寿命、高安全性的使用需求。
3.为了提高高锰钢辙叉的使用性能，高锰钢洁净化和锻造处理是其中最主要的途径。专利公告号cn101323891b，名称为“一种纯净高锰钢辙叉的制造方法”的中国发明专利中提出，将化学成分(wt.％)为cao 25％，caf
2 25％，re-mg 50％的变质剂预先加入到钢包中，钢液冲入钢包后与变质剂混合从而达到净化钢液的目的。专利公告号cn101275175a，名称为“对高锰钢进行钇基重稀土变质处理的方法”的中国专利中，提出将预先烘烤好的钇基重稀土置于钢包底部，将熔化的钢液冲入钢包，镇静一段时间后进行浇铸，获得高锰钢铸件。两种高锰钢净化方法均采用了钢包底部冲入稀土/变质剂的方法，以期对高锰钢钢液进行净化处理。然而，这种钢包冲入法对稀土/变质剂颗粒尺寸、钢液冲入速度、钢液温度有非常高的要求，容易导致钢包底部的添加剂在钢液中分布不均匀，甚至无法完全熔化的风险，不仅无法起到净化作用，还会恶化高锰钢的力学性能。另外，加入到钢中的稀土仅仅起到了变质剂的作用，造成了稀土的严重浪费。专利公告号cn108251627b，名称为“一种对铸造高锰钢辙叉进行局部形变热处理方法”的中国专利中，提出将铸造辙叉的心轨宽20-60mm段以及相应的翼轨加高15-35mm，经固溶处理后进行压下变形，以获得一种局部形变热处理辙叉，这种处理方法可以显著改善心轨和翼轨过渡段的微观组织并提高力学性能，但其形变热处理过程无约束，辙叉心轨和翼轨侧面变形突出严重，加大辙叉后续机械加工难度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种洁净高锰奥氏体钢辙叉及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，从而显著提升辙叉的使用性能。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种高锰奥氏体钢辙叉的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)采用电弧炉冶炼高锰奥氏体钢实现脱磷、脱硫后，钢液1450～1470℃出钢，转入lf钢包精炼炉进行精炼(精炼过程维持钢液1460℃)：向高锰奥氏体钢钢液底部通入氩气，同时进行脱氧处理；之后向高锰奥氏体钢钢液底部通入氮气，同时加入稀土合金，完成所述高锰奥氏体钢的净化；
8.(2)将净化后的高锰奥氏体钢铸造成辙叉铸坯，然后将所述辙叉铸坯在1180℃条件下保温时间2～3h；
9.所述辙叉铸坯心轨断面宽度10mm至60mm区域以及对应两侧翼轨区域高于辙叉工作面，心轨断面宽度为10mm处的心轨和对应两侧翼轨高出工作面40～45mm，心轨断面宽度为60mm处的心轨和对应两侧翼轨高出工作面30～35mm，10mm～60mm中间区域心轨和对应两侧翼轨为斜坡平顺过渡；心轨断面宽度10mm至心轨铸造尖端区间内的心轨及对应两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为45
°
；心轨断面宽度60mm至70mm区间内的心轨和对应两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为30
°
；
10.(3)对步骤(2)所得辙叉铸坯高于辙叉工作面的区域进行锻造，拔模斜度为7～10
°
；
11.(4)将步骤(3)锻造完成后的辙叉铸坯进行热处理及水韧处理，即得所述高锰奥氏体钢辙叉。
12.进一步地，氩气通入时间为5～10min，氩气压力为0.3～0.4mpa。
13.进一步地，氮气通入时间为15～20min，氮气压力为0.3～0.4mpa。
14.步骤(1)中，通过喂入硅铝钡钙线进行脱氧，通过喂入稀土合金包芯线的方式加入稀土合金。稀土合金包芯线外皮为纯铁，内部填充颗粒状稀土合金，合金颗粒的化学成分(wt.％)为y≥30，ce≥10，si≤10，ba≥15，ca≥15，稀土合金加入量占钢液总量的0.4％～0.6％。
15.本发明利用稀土合金包芯线进行喂丝操作，使稀土充分溶解到钢液中；钢液中加入特定稀土合金成分可同时实现钢液的脱磷和脱硫。
16.进一步地，按照质量百分数计，步骤(1)净化后的高锰奥氏体钢化学成分如下：c：1.1～1.3，mn：12.0～14.0，cr：1.8～2.2，si＜0.5，y：0.005～0.010，ce：0.001～0.003，n：0.02～0.04，s≤0.01，p≤0.01，有害气体和杂质元素含量总和小于50ppm。
17.锻造开始前需对锻造模具进行预热，预热温度为400～600℃。
18.进一步地，锻造方式为模锻或半模锻；下模与高锰奥氏体钢辙叉底部结构契合起支撑作用，上模内部结构与实际工作面相似匹配，拔模斜度为7～10
°
，锻造完成后保证辙叉锻造区域工作面以下40mm深度以内的变形量≥40％。
19.进一步地，所述热处理的温度为1100℃，时间为5～10min。
20.锻造后的高锰奥氏体钢辙叉的工作面具有沿心轨和翼轨轮廓线及沿辙叉长度方向完整的金属变形流线。
21.本发明还提供所述制备方法制得的高锰奥氏体钢辙叉。
22.本发明公开了以下技术效果：
23.本发明净化过程的吹气工艺分为两段，前期先进行吹氩处理，以最大限度促进夹杂物上浮，后期进行吹氮处理，在对钢液进行氮化的同时，多余氮气用于上浮进一步减少钢中夹杂物；铸坯设计及模锻工艺考虑金属变形量及金属流动，在保证变形量同时，使辙叉工作面具有沿心轨和翼轨轮廓线和沿辙叉长度方向完整的金属变形流线，提高辙叉疲劳寿命。经本发明工艺技术处理后，辙叉的耐磨性和抗疲劳寿命显著提升。
24.本发明提供了一种洁净高锰铬氮钇钢铸锻辙叉的制造方法，通过合理设计高锰奥氏体钢的化学成分，系统优化冶炼、精炼高锰钢工艺，精准设计铸坯结构，控制辙叉关键部
位的变形，保证锻造比并优化锻造流线，显著延长了辙叉表面出现疲劳剥落掉块的时间，大幅度提高了辙叉的服役寿命。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明高锰奥氏体钢辙叉的结构示意图；其中：(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为a-a剖面图。
具体实施方式
27.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
28.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
29.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
30.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
31.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
32.实施例1
33.(1)洁净高锰奥氏体钢的冶炼：
34.采用电弧炉冶炼高锰钢，在电弧炉中加入废钢、高碳铬铁、高碳锰铁以调整钢液中碳及合金元素含量，冶炼过程中造渣完成脱磷、脱硫操作，钢液1470℃出钢，转入lf炉进行精炼，期间保持钢液温度为1460℃。
35.首先在lf炉中进行底吹氩气操作，氩气压力为0.3mpa，吹氩时间5min，期间向钢液中喂入硅铝钡钙线进行脱氧，之后改为底吹氮气，氮气压力0.3mpa，吹氮时间为15min，吹氮同时向钢液中喂入稀土合金包芯线，包芯线外皮为纯铁，内部填充颗粒状稀土合金，稀土合金的化学成分(wt.％)为：y：31.6，ce：10.2，si：6.8，ba：18.6，ca：12.3，余量为fe，稀土合金加入量为钢液总量的0.4wt.％，喂丝完成后将钢液转入钢包进行后续砂型浇铸。
36.经检测，所得高锰钢的化学成分(wt.％)为：c：1.10，mn：14.0，cr：1.8，si：0.23，n：0.02，y：0.005，ce：0.002，s：0.005，p：0.006，有害气体和低熔点金属等杂质元素含量总和37ppm。
37.(2)采用砂型铸造方式，铸造高锰钢辙叉铸坯：
38.参照图1，铸造后辙叉铸坯形状特征为：心轨断面宽度为10mm至60mm区间以及该区间内的两侧翼轨高于辙叉工作面，心轨断面宽度为10mm处的心轨和翼轨高出工作面45mm，心轨断面宽度为60mm处的心轨和翼轨高出工作面30mm，中间区域为斜坡平顺过渡，心轨断面宽度10mm至心轨铸造尖端区间内的心轨及两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为45
°
，心轨断面宽度60mm至70mm区间内的心轨和两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为30
°
。
39.将辙叉铸坯加热至1180℃，保温时间2h后取出，对辙叉加高区域进行后续锻造。
40.(3)高锰钢辙叉锻造：
41.锻造前将模具预热至500℃，模具设计为：下模与高锰钢辙叉底部结构契合起支撑作用，上模内部结构与辙叉传统铸造工作面相似匹配，拔模斜度为7
°
，锻造完成后工作面以下40mm深度区域的变形量≥40％，并且具有沿辙叉长度方向的变形流线。
42.(4)高锰钢辙叉锻造后热处理：
43.锻造完成后将辙叉加热至1100℃保温5min，最后进行水韧处理。
44.该辙叉记为1号辙叉，对锻造区域取样进行常规力学性能和疲劳性能测试，如表1所示。
45.对比例1
46.采用电弧炉冶炼高锰钢，1500℃出钢将钢液倒入预热好的钢包，随机进行底吹氩气操作，并喂入硅铝钡钙线进行脱氧，镇静2min后进行常规砂型浇铸。经检测高锰钢的化学成分(wt.％)为：c：1.12，mn：14.1，cr：1.7，si：0.39，n：0.01，s：0.02，p：0.03。
47.将辙叉铸坯加热至1100℃，保温时间4h后水韧处理。该辙叉记为2号辙叉，在与1号辙叉相同位置的2号辙叉上取样进行常规力学性能和疲劳性能测试，如表1所示。
48.表1高锰钢辙叉常规力学性能
[0049][0050]
由表1可以看出，1号辙叉的各项性能均高于2号辙叉。
[0051]
实施例2
[0052]
(1)洁净高锰奥氏体钢的冶炼：
[0053]
采用5t电弧炉冶炼高锰钢，实现脱磷、脱硫，1450℃出钢，将钢液倒入12t lf钢包精炼炉中并保持钢液温度为1460℃，首先在lf炉中进行底吹氩气操作，氩气压力为0.5mpa，吹氩时间10min，期间向钢液中喂入硅铝钡钙线进行脱氧，之后改为底吹氮气，氮气压力0.5mpa，吹氮时间为20min，吹氮同时向钢液中喂入稀土合金包芯线，包芯线外皮为纯铁，内部填充颗粒状稀土合金，稀土合金的化学成分(wt.％)为：y：33.1，ce：15.3，si：7.3，ba：18.9，ca：16..5，余量为fe，稀土合金加入量为钢液总量的0.6wt.％，喂丝完成后将钢液转
入钢包进行后续砂型浇铸。
[0054]
经检测高锰钢的化学成分(wt.％)为：c：1.28，mn：12.1，cr：2.2，si：0.33，n：0.04，y：0.009，ce：0.003，s：0.004，p：0.005，有害气体和低熔点金属等杂质元素含量总和40ppm。
[0055]
(2)采用砂型铸造方式，铸造高锰钢辙叉铸坯：
[0056]
参照图1，铸造后辙叉铸坯形状特征为：心轨断面宽度为10mm至60mm区间以及该区间内的两侧翼轨高于辙叉工作面，心轨断面宽度为10mm处的心轨和翼轨高出工作面40mm，心轨断面宽度为60mm处的心轨和翼轨高出工作面35mm，中间区域为斜坡自然过渡，心轨断面宽度10mm至心轨铸造尖端区间内的心轨及两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为45
°
，心轨断面宽度60mm至70mm区间内的心轨和两侧翼轨为斜坡过渡，斜坡坡度为30
°
。
[0057]
将辙叉铸坯加热至1180℃，保温时间3h后取出，对加高区间进行后续模锻。
[0058]
(3)高锰钢辙叉锻造：
[0059]
锻造前将模具预热至400℃，模具设计为：下模与高锰钢辙叉背部结构契合起支撑作用，上模内部结构与辙叉传统铸造工作面相似匹配，拔模斜度为9
°
，锻造完成后工作面以下40mm深度区域的变形量≥40％，并且具有沿辙叉长度方向的变形流线。
[0060]
(4)高锰钢辙叉锻造后热处理：
[0061]
锻造完成后将辙叉加热至1100℃保温10min，最后进行水韧处理。
[0062]
该辙叉记为3号辙叉，对锻造区域取样进行常规力学性能和疲劳性能测试，如表2所示。
[0063]
对比例2
[0064]
采用电弧炉冶炼高锰钢，1500℃出钢将钢液倒入预热好的钢包，随机进行底吹氩气操作，并喂入硅铝钡钙线进行脱氧，镇静2min后进行常规砂型浇铸。经检测高锰钢的化学成分(wt.％)为：c：1.28，mn：12.5，cr：2.2，si：0.43，n：0.01，s：0.03，p：0.03。
[0065]
将辙叉铸坯加热至1100℃，保温时间3h后水韧处理。该辙叉记为4号辙叉，在与3号辙叉相同位置的4号辙叉上取样进行常规力学性能和疲劳性能测试，如表2所示。
[0066]
表2高锰钢辙叉常规力学性能
[0067][0068]
由表2可以看出，3号辙叉的各项性能均高于4号辙叉。
[0069]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。