专利名称：铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢，同时利用钒、稀土和铜对其进行微合金化处理。
背景技术：
由于奥氏体高锰钢具有高韧性的同时具有优异的加工硬化能力，使它在受冲击磨损工作条件下表现出优异的耐磨性能，因此，20世纪初期它就开始被用于制作铁路辙叉耐磨部件，并在世界范围内被广泛采用，其典型的化学成分为C1.0-1.4，Mn11-14，其余为铁和少量杂质元素如Si、S、P等。目前，我国生产的ZGMn13钢辙叉的平均使用寿命(过载量)为1.2亿吨，美国及欧洲一些发达国家生产的ZGMn13钢辙叉平均寿命可达2亿吨以上。随着社会发展和铁路运输速度的提高人们对铁路辙叉使用寿命提出更高的要求。因此人们从进一步提高原ZGMn13钢辙叉使用寿命和寻求新的辙叉材料等两方面展开了广泛深入的研究，出现了许多新的研究成果，如世界专利WO0136698、加拿大专利CA2159358和美国专利4514235以及中国专利98124899.3等等。纵观这些研究成果和实际使用情况，可以说目前世界上关于铁路辙叉选材方面主要有两大流派，其一是奥氏体高锰钢，即在原有高锰钢的基础上利用冶金、铸造、热处理和机械强化等工艺方法进一步提高其使用寿命；其二是合金钢，其中最有代表的是贝氏体钢。然而，有关辙叉的选材还有待于进一步的研究和开发。
长期的观察和研究表明，铁路辙叉失效的主要原因是磨损和疲劳，其中辙叉踏面疲劳剥落破坏占辙叉失效的60％以上。因此，有效提高辙叉材料的抗疲劳性能是延长其使用寿命的最有效途径。然而，令人费解的是，时至今日还没有人系统研究作为辙叉材料的奥氏体高锰钢的抗接触疲劳特性，然而钢的化学成分和组织结构对其抗疲劳特性都会产生重要的影响。提高材料的强度和加工硬化能力可有效增加辙叉的抗疲劳性能和耐磨性能，净化钢液减少钢中的夹杂物可降低疲劳裂纹形成和扩展的机会，润滑辙叉踏面可改善其润滑条件提高其耐疲劳性能。
本发明利用氮和铬提高高锰钢的强度和加工硬化能力，以增加辙叉的耐磨和抗疲劳性能。尤其强调的是氮，目前大量的研究表明氮是一种提高钢的抗疲劳寿命最有效的元素，这里它对提高辙叉的疲劳使用寿命起到了至关重要的作用。利用钒的在钢中的沉淀硬化和细晶强化行为，进一步提高高锰钢的抗疲劳特性和耐磨性能。利用稀土净化钢液减少钢中夹杂物的数量并改善钢中夹杂物分布状态，从而延缓辙叉表面疲劳裂纹的萌生并推迟表面剥落。利用铜提高钢的自润滑特性，从而提高辙叉踏面的润滑性能改善它的润滑状态。以上这些因素的综合作用有效提高了辙叉的耐磨耐疲劳性能。
发明内容
本发明在系统研究了上述各种成分和各种热处理状态奥氏体锰铬钢的耐磨和抗疲劳性能的基础上，提供一种新型耐磨耐疲劳铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢，该钢具有优异的加工硬化能力，良好的耐磨和耐疲劳性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种新型耐磨耐疲劳铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢，其化学成分为(wt％)C1.0-1.2，Mn10-13，N0.03-0.15，Cr1.5-2.5，Cu0.1-1.0，Re0.1-0.3，Si＜0.5，S＜0.03，P＜0.03；钢的热处理工艺为电炉冶炼，然后铸造成所需的辙叉，其冶炼出钢温度为1520-1550℃，浇注温度为1460-1480℃；在冶炼时，高氮锰铁或高氮铬铁最后加入炉中熔炼，也就是在出钢前3-5分钟加入；稀土的加入量和方法是将0.5-1.5wt％的粉状稀土氧化物放入浇包中，其中稀土含量为20％，然后将钢水注入浇包镇静3-5分钟，进行浇铸；热处理工艺是加热温度为1000-1100℃，保温2-4小时，水淬。
本发明的有益效果是经以上热处理工艺，获得单相稳定的奥氏体组织；钢的常规力学性能为抗拉强度＞900MPa，冲击韧度＞150J/cm2；该钢具有优异的加工硬化能力，良好的耐磨和耐疲劳性能；利用该材料制作的辙叉的使用寿命比现有普通ZGMn13钢辙叉提高50-80％。
具体实施例方式
利用本发明专利技术生产出一颗试验用铁路辙叉，其具体化学成分是(wt％)C1.12，Mn11.8，N0.067，Cr2.1，Cu0.41，Re0.1，Si0.41，S0.018，P0.015。其热处理工艺为1050℃水淬。该钢的常规力学性能为抗拉强度980MPa，冲击韧度160J/cm2。该钢具有优异的加工硬化能力，良好的耐磨和耐疲劳性能，实际使用试验表明其过载量达到2.2亿吨。
权利要求
1.一种铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢，其特征是a.钢的化学成分为(wt％)C1.0-1.2，Mn10-13，N0.03-0.15，Cr1.5-2.5，Cu0.1-1.0，Re0.1-0.3，Si＜0.5，S＜0.03，P＜0.03；b.钢的热处理工艺为电炉冶炼，然后铸造成所需的辙叉，其冶炼出钢温度为1520-1550℃，浇注温度为1460-1480℃；在冶炼时，高氮锰铁或高氮铬铁最后加入炉中熔炼，也就是在出钢前3-5分钟加入；稀土的加入量和方法是将0.5-1.5wt％的粉状稀土氧化物放入浇包中，其中稀土含量为20％，然后将钢水注入浇包镇静3-5分钟，进行浇铸；热处理工艺是加热温度为1000-1100℃，保温2-4小时，水淬。
全文摘要
一种铁路辙叉专用含氮奥氏体锰铬钢，其化学成分为(wt％)C 1.0－1.2，Mn 10－13，N 0.03－0.15，Cr 1.5－2.5，Cu 0.1－1.0，Re 0.1－0.3，Si＜0.5，S＜0.03，P＜0.03；热处理工艺为加热到1000℃－1100℃保温后水淬，获得单相奥氏体组织；常规力学性能为抗拉强度＞900MPa，冲击韧度＞150J/cm
文档编号C22C38/38GK1451777SQ0312876
公开日2003年10月29日 申请日期2003年5月9日 优先权日2003年5月9日
发明者张福成 申请人:燕山大学