专利名称：铁路工务弹条用高疲劳性能弹簧钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅锰弹簧钢，特别适用于铁路工务弹条用高疲劳性能弹簧钢。
多年来，我国铁路工务弹条一直采用60Si2Mn弹簧钢制造，这种钢由于成分中含碳、硅元素较多，冶炼轧制较难控制，硬度高，轧制、成型抗力都较大，脱碳敏感性强，易造成表面脱碳，影响疲劳寿命的提高。特别是在弹簧生产过程中淬火时，产生大量油烟污染环境，且不安全。由于钢的这些缺陷而直接影响了弹条的质量问题。初步统计，目前工务弹条年用量在5000万件以上，除去新线铺设外，有相当的数量是用于换修。仅弹条一项总费用支出就达1亿5千万元以上。
基于上述原因，国外大都不再直接使用60Si2Mn弹簧钢了，而是对这类钢种进行了不同程度的研究和改造。改善和提高弹簧钢的质量主要有如下途径1、采用(炉外)精炼和真空脱气，提高钢的纯净度，进行内在质量的控制。但我国目前实施起来尚有一定难度。
2、增加合金成分含量，如Mo，Cr，Nb，V等元素，此举虽较为理想，但因成本较高，亦不合国情。
3、合理微调化学成分，研制中碳硅锰弹簧钢。降低碳硅元素含量，以减少表面的脱碳和折迭，提高综合性能。
4、采用水作淬火剂，研究开发水淬火弹簧钢。
目前世界各国根据自己国情，都在开发新的比现有60Si2Mn弹簧钢性能优越的水淬火硅锰弹簧钢品种，替代60Si2Mn弹簧钢。
本发明的目的是克服现有60Si2Mn弹簧钢性能不稳定，切应力大，硬度偏高，脱碳敏感，疲劳寿命较低、油淬火、污染环境等缺点，提供一种适宜于制造的铁路工务弹条用高疲劳性能的新型的水淬硅锰弹簧钢。
本发明的技术方案是这样实现的一种铁路工务弹条用高疲劳性能弹簧钢是对现有的硅锰弹簧钢的改进，它不但淬透性好，疲劳寿命高、不易脱碳、再加工性能优良，且淬火剂以水代油，既降低了弹簧成本，又减轻了环境污染，针对60Si2Mn钢的主要缺点，首先降低能造成表面脱碳敏感的碳硅元素含量，但为了保证有足够的淬透性，又在现有元素基础上，做了必要的微合金化处理，改进了热处理工艺，其特殊之处在于1、化学成分(以质量百分比计)C 0.26％～0.42％，Si 1.4％～2.0％，Mn 0.60％～1.0％，P、S≤0.030％，Cr、V、Ni≤0.35％，Cu≤0.25％，Bs0.003％～0.0008％，余量为Fe组成。
2、热处理工艺淬火介质为水溶液。
水淬火温度800℃～1000℃，回火温度300℃～480℃。
本发明的弹簧钢与现有60Si2Mn弹簧钢相比具有以下优点1、本发明的弹簧钢由于降碳幅度较大，使轧制和成形抗力减小，脱C敏感性减弱，表面质量和疲劳寿命明显提高。
2、本发明的弹簧钢属水淬弹簧钢。水淬弹簧钢不但具有淬透性高、不易脱碳、再加工性能好等优点，而且淬火以水代油既降低了弹簧成本，又减轻了环境污染，深受欢迎。
3、本发明的弹簧钢的回火温度比60Si2Mn钢低，据生产厂估算，每个弹条仅电耗一项可至少节省0.05元，则全路年节省在二千六百万元以上。具有节能环保等优势可带来显著的社会经济效益。
现结合附图和表格对本发明做进一步描述
图1为淬火钢中含碳量与板条马氏体、片状马氏体及残余奥氏体量的相对关系图。
图2为热轧状态下金相组织图。
图3为淬火板条状马氏体组织图。
图4为回火屈氏体组织图。
图5为几种硅锰弹簧钢的末端淬透曲线图。
图6为影响硅锰弹簧钢脱C敏感性图。
表1为本发明钢与60Si2Mn弹簧钢的有关参考比较表。
表2为用本发明钢和60Si2Mn弹簧钢制造的弹条有关参考比较表。
早在六、七十年代，国外一些先进工业国家便开始对弹簧钢的进一步发展做了大量研究工作。在研究开发油淬火的同时，也研究了水淬火钢，有些已收入国际标准中。例如，德国应用38S17(DIN17221-72)制造的弹条，其疲劳寿命超过我国60Si2Mn弹条两倍。该钢用水作淬火剂，能冷成型，冶炼轧制性能均优于60Si2Mn。
本发明参照了国内外有关资料和成功的经验，针对现状，进行了研究，克服现有技术的缺点，提出了本发明的技术实施方案1、化学成分优选及确定美国专利文献(US Patet5009843)表明“当C含量小于0.35％时，就不能通过淬火及回火得到有足够强度的高应力弹簧钢；当C含量超过0.55％时就会导致韧性的降低，且水淬火时钢容易破裂。”一般认为，降低硅锰弹簧钢的含碳量，势必会造成淬透性的下降，特别是降低硬化性能，得不到淬火后的强化效应。碳可以增加弹簧钢的强度，但却降低塑性。下面是德国的38S17与我国的60Si2Mn在各自的标准中所列机械性能。 经研究证明，在一定范围或条件内如果采用微量元素调整，并把油淬火剂改为水淬火剂，就完全可以弥补因含碳量下降带来的上述问题。
试验证明，水淬硅锰弹簧钢不但淬透性好，疲劳寿命高，不易脱碳，再加工性能优良，而且淬火剂以水代油，既降低了弹簧成本，又减轻了环境污染。本发明是属于这类水淬硅锰弹簧钢，针对60Si2Mn钢的主要缺陷，首先降低能造成表面脱碳敏感的碳硅元素含量；但为了保证有足够的淬透性，又在现有元素基础上，做了必要的微合金化处理。成份确定后，先用中频感应电炉进行各主要化学成份上下限配比的冶炼试验。经筛选获得成功后，进行了两批工业性电弧炉生产，总批量40余吨，合格率100％。
表1是本发明钢和60Si2Mn弹簧钢的有关参数比较。 2、金相组织特点由于水淬火剂在弹簧淬火过程中循环搅拌良好，采用870℃淬火温度和400℃回火温度的热处理工艺，得到了板条状马氏体组织(图3)，而片状马低体几乎没有出现，这就避免了微观淬火裂纹的产生。淬火钢中含碳量与板条马氏体、片状马氏体及残余奥氏体量的相对关系见图1。
为了避免水淬火因片状马氏体的大量形成而导致淬火微观裂纹的产生，手段之一是将钢中含C量尽量控制在0.40％以下为宜。本发明钢的研制充分证明了这一点。本发明钢经水淬火及适宜的回火处理后，得到了高密度的位错及碳化物均匀分布的回火组织——回火屈氏体(图4)。从而能获得较高的强度(σ0.2、σb)和良好的塑韧性(δ、
)配合。热轧状态不经过处理基金相组织为铁素体+珠光体(图2)、该组织的硬度完全可以满足冷加工的需要，而不须进行退火处理。
3、弹条试制和试验由两个单位分别用本发明的钢进行了弹条试生产，生产批量10吨。
表2是60Si2Mn和本发明钢制造弹条时有关参数对比。
试制的本发明弹条在郑州局新荷线试铺用，经一年多时间考核，证明使用情况良好。并在试验室内做了试验取得满意效果1、疲劳寿命高
(1)I型弹条疲劳试验试验条件试验依据TB/T2329-92《弹条I型扣件疲劳试验方法》。
试验机频率15HZ弹条残余变形＜1.0mm。
试验负荷按I型B条要求Pmax＝9.5KN Pmin＝9＝8.0KN。
(2)II型弹条疲劳试验试验条件试验依据TB/T2329-92《弹条I型扣件弹条疲劳试验方法》试验机频率15HZ弹条残变量＜1.0mm动态位移幅度 10-0.9+0.5mm经501万次荷载循环后，残变量如下1#件0.58mm，2#0.30mm，3#件0.30mm。
(3)III型弹条疲劳试验试验依据《弹条III型扣件弹条暂行技术条件》试验机频率≤HZ弹条残变量＜1.0mm。
动态位移幅度 130+1mm经600万次荷载循环后残变量如下W299-1#件0.44mm，W299-2#件0.46mm。
用本发明钢制造的弹条先后进行过两次实物疲劳试验。第一次试验数量3件。试验要求200万次全部通过。
第二次在MTS试验机完成(频率16HZ)，试验要求500万次试验数量2件全部通过。残余变形Δh1＝0.12mm，Δh2＝0.16mm。
2、淬透性好本发明钢由于用水作淬火介质，因此淬火后的强化效应较为明显。图5是几种硅锰弹簧钢的末端淬透曲线。其中28SiMnB和26Si2MnCrV均为水淬火硅锰系列弹簧钢。55SiMnB为油淬火钢，其临界淬透直径不大于16mm；而同样条件下的本发明钢的淬透直径一般都在25mm以上。
3、脱碳敏感性弱影响硅锰弹簧钢脱C敏感性的主要元素是碳和硅。由于本发明钢较大幅度地降低了碳含量，因此也相应大大降低了钢的脱C敏感性。而高硅的脱C机理则是通过提高碳活度，增大扩散系数D来加剧实现的。因此，随着碳含量的降低，高硅的这种脱C作用也会得到明显抑制。从图6中可以充分说明这一点。本发明钢在热轧状态时的全脱C层几乎为零，只呈现出轻微的过渡层(参见图2)。
权利要求
一种铁路工务弹条用高疲劳性能弹簧钢是对现有的硅锰弹簧钢的改进，针对60Si2Mn钢的主要缺点，首先降低能造成表面脱碳敏感的碳硅元素含量，但为了保证有足够的淬透性，又在现有元素基础上，做了必要的微合金化处理，改进了热处理工艺，其特征在于1、化学成分(以质量百分比计)C 0.26％～0.42％，Si 1.4％～2.0％，Mn 0.60％～1.0％，P、S≤0.030％，Cr、V、Ni≤0.35％，Cu≤0.25％，Bs 0.003％～0.0008％，余量为Fe组成；
2.热处理工艺淬火介质为水溶液；淬火温度800℃～1000℃，回火温度300℃～480℃。
全文摘要
铁路工务弹条用高疲劳性能弹簧钢是对目前应用的60S
文档编号C22C38/04GK1380434SQ02100519
公开日2002年11月20日 申请日期2002年1月29日 优先权日2002年1月29日
发明者董泽发, 邱伟, 候立权, 林支康 申请人:铁道部科学研究院金属及化学研究所, 中国铁路物资总公司, 北京博兰利华科技开发有限公司, 隆昌工务器材厂