专利名称：一种纯净高锰钢辙叉的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能铁路辙叉的制造技术，是利用专用变质剂和吹氮LF炉外精炼技术处理高锰钢钢液，从而获得净化氮化高锰钢辙叉。
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。20世纪30年代开始，被用于制作铁路辙叉等耐磨部件，后来在世界范围内被广泛采用，其典型化学成分为C1.0-1.4，Mn11-14，其余为铁和少量杂质如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1.4亿吨左右，美国及欧洲一些发达国家生产的ZGMn13钢辙叉的平均使用寿命可达2亿吨以上。社会发展和铁路运输速度的提高对铁路辙叉使用寿命提出更高的要求。因此人们围绕其冶金、铸造、热处理和机械强化等工艺方法开展了许多研究工作，以求进一步提高ZGMn13钢辙叉的使用寿命。
长期大量的实际铁路线路勘测和实验室研究发现，目前铸造高锰钢辙叉使用寿命低的主要原因是化学成分不稳定，有害元素如P、S的含量较高，钢中非金属夹杂物含量多，铸造内部缺陷多等等。辙叉的失效形式是磨损和疲劳，其中辙叉踏面疲劳剥落破坏占辙叉失效的60％以上。这些问题的存在大大降低了高锰钢原来具有的良好性能，从而导致铸造高锰钢辙叉过早出现裂纹、压塌等失效而提前下道。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，净化钢液减少钢中的气体含量和夹杂物数量可降低疲劳裂纹形成和扩展的机会，从而达到提高高锰钢辙叉的使用寿命的目的。
日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本，提高钢的纯净度和质量，率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中，随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。我国早在60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢以及钢包静态脱气等初步精炼技术，但没有精炼的装备。70年代我国有些特钢企业开始引进一批真空精炼设备，80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用。
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程，是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来，出钢前尽量除去氧化渣，在钢包内重新造还原渣，保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N等元素在钢中的含量，以免产生偏析、白点及大颗粒夹杂物，而降低钢的抗拉强度、冲击韧性、疲劳强度和抗裂性等性能。
目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有LF法(钢包精炼炉法)、RH法(真空循环脱气法)、VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法)。LF法是1971年由日本大同钢公司发明的，用电弧加热，包底吹氩搅拌。其工艺优点是电弧加热热效率高，升温幅度大，控温准确；具备搅拌和合金化的功能，吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制，提高产品的稳定性；并且设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、超低氧钢等。RH法是1958年西德发明的，其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳，然后回流到钢包中。RH法的优点是反应速度快，真空脱气周期短，一般10分钟可以完成脱气操作，5分种能完成合金化及温度均匀化，可与转炉配合使用；反应效率高，钢水直接在真空室内反应，钢中可达到较高程度的超纯净钢；可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿，减少精炼过程的温降。VOD法是1965年西德首先开发应用的，它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳，同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢，达到保铬去碳的目的，可与转炉配合使用。它的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件，即高温、真空、搅拌。VOD法精炼工艺成熟，控制容易，适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要，对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用，具有广阔的发展前景。
氮在钢产品中一般是作为有害元素存在的，因为它会导致钢的时效和蓝脆等现象，降低钢的韧性和塑性等机械性能。然而，氮是促使奥氏体形成元素，并且对奥氏体具有强烈的强化作用，因此，奥氏体钢中含有氮时其强度和加工硬化能力会得到大幅度的提高。另外，在奥氏体不锈钢中氮还有代替贵重金属镍的作用。因此，氮在奥氏体钢中往往作为有益元素存在，并且作为合金元素加入。因此出现了含氮奥氏体不锈钢、含氮奥氏体锰钢等等耐磨和耐腐蚀钢。目前，奥氏体钢中加入氮的方法主要有通过加入含氮铁合金(如氮化铬铁、氮化锰铁)方法、渗氮方法以及钢液中吹氮的方法等。有人对ZG30Mn19Cr4奥氏体钢进行吹氮，钢中氮量达到0.016～0.09wt％之间，比普通钢增加两倍多。钢液的增氮量还与钢液化学成份，如碳、锰、铬和镍元素含量有关，同时与冶炼条件，如温度、渣系有极大关系。
在对钢液实施吹氮过程中，氮气在钢液中形成大量小气泡，钢中有害气体氢和氧扩散到小气泡中，随氮气泡的上浮而带出钢液。从动力学条件看，氮气上浮时引起钢液搅动，提供了气相成核和夹杂物颗粒碰撞的机会，有利于气体和夹杂物的排除。因此，虽然没有对钢液进行脱碳氧化，由于吹氮精炼同样排除了钢中气体和夹杂物，净化了钢液。所以本发明中的吹氮实际上具有双重作用，其一是净化钢液；其二是氮化(再合金化)钢液。
发明内容
尽管炉外精炼技术已经是一个很成熟的技术，然而，该技术从来没有应用到高锰钢辙叉的生产工艺中。本发明提供一种纯净高锰钢辙叉的制造方法，该发明专门用于高锰钢钢液的吹氮和变质复合处理工艺技术，达到纯净化和氮合金化高锰钢辙叉的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是所述制造纯净高锰钢辙叉的方法包括以下步骤(1)使用电弧炉或者感应电炉熔炼钢水，将专用变质剂加入到钢包中，然后将钢液从电弧炉或者感应炉中注入钢包内，从钢包底部对钢水吹氮气促进钢液与变质剂充分反应，并使钢液温度和化学成分均匀，达到脱氢、脱氧、脱硫、脱磷和增氮的目的。(2)这里所用的钢包具有加热功能，并且温度控制精确度±10℃以内，以保证钢水在净化处理过程中不会产生温度降低的现象；净化处理时，氮气的平均压力为0.45～0.65MPa，流量为1～2m3/t-h，吹氮处理时间为10～30分钟。(3)变质剂为CaO、CaF2和Re-Mg合金组成的粉末状混合物，粉末的平均粒度为50～100目，加入量占钢液重量的0.5～1.5％，变质剂的化学成分为wt％CaO 25％，CaF2 25％，Re-Mg合金50％。(4)高锰钢钢液的脱氢、脱氧、脱硫、脱磷的效果应达到(wt％)，[H]＜3×10-4％，[O]＜40×10-4％，S＜0.02％，P＜0.03％，并且使钢中夹杂物含量减少60vol％以上，其分布形态呈点状，从而获得纯净高锰钢辙叉铸件。同时，由于钢包底吹氮使钢水得以增氮，高锰钢中的氮含量得到明显的提高，最高可达到0.07wt％，从而使高锰钢的强度、加工硬化能力得以大幅度提高。
本发明的有益效果是所述纯净高锰钢辙叉比普通ZGMn13钢辙叉的各项力学性能均得到明显提高，其中，屈服强度提高10％以上，大于380MPa，抗拉强度提高20％以上，大于950MPa，冲击韧度提高25％以上，大于200J/cm2；其使用寿命比普通ZGMn13钢辙叉提高30％以上。
具体实施例方式 实施例1 利用500公斤感应炉熔炼高锰钢钢水，首先将1wt％的粉末状变质剂加入到特制的具有加热功能的200公斤的钢包中，变质剂的化学组成(wt％)是CaO 25％，CaF2 25％，Re-Mg合金50％，粉末的平均粒度为80目。然后，将钢液注入钢包中，对钢液实施吹氮气，氮气的平均压力为0.5MPa，流量为1.2m3/t-h，吹氮处理时间为12分钟。待钢液充分沸腾并造渣完成后，将钢液浇铸到专用梅花试样中。高锰钢的化学成分为(wt％)C 1.21，Mn 13.24，Si 0.54，N 0.046，P 0.021，S 0.015，O 34×10-4，H 2×10-4。钢中夹杂物含量减少65％，分布形态呈点状。这个纯净高锰钢的屈服强度389Mpa，抗拉强度1121Mpa，冲击韧度269J/cm2。
实施例2 利用8吨电弧炉熔炼高锰钢钢水，首先将1wt％的粉末状变质剂加入到特制的具有加热功能的8吨钢包中，变质剂的化学组成(wt％)是CaO 25％，CaF2 25％，Re-Mg合金50％，粉末的平均粒度为60目。然后，将钢液注入钢包中，对钢液实施吹氮气，氮气的平均压力为0.6MPa，流量为1.5m3/t·h，吹氮处理时间为18分钟，待钢液充分沸腾并造渣完成后，将钢液浇铸到高锰钢辙叉专用砂型中，并铸造成铁路辙叉。高锰钢的化学成分为(wt％)C 1.25，Mn 12.54，Si 0.32，N 0.065，P 0.018，S 0.018，O 30×10-4、H 2.2×10-4。钢中夹杂物含量减少80％，分布形态呈点状。这个纯净高锰钢的屈服强度376Mpa，抗拉强度1085Mpa，冲击韧度235J/cm2。纯净高锰钢辙叉抗滚动接触疲劳能力得以大幅度提高，初步使用情况表明，使用受命明显提高，预计比普通ZGMn13钢辙叉的使用寿命提高30％以上。
权利要求
1.一种纯净高锰钢辙叉的制造方法，其特征是所述方法制造的纯净高锰钢辙叉比普通ZGMn13钢辙叉的力学性能均得到明显提高，其中，屈服强度提高10％以上，大于380MPa，抗拉强度提高20％以上，大于950MPa，冲击韧度提高25％以上，大于200J/cm2；其使用寿命比普通ZGMn13钢辙叉提高30％以上；其制造工艺如下
a.使用用电弧炉或者感应电炉熔炼钢水；
b.首先将变质剂加入到钢包中，然后将钢液从电弧炉或者感应炉中注入钢包中，从钢包底部对钢水吹氮气促进钢液与变质剂充分反应，并使钢液温度和化学成分均匀，达到脱氢、脱氧、脱硫、脱磷和增氮的目的；
c.所述钢包具有加热功能，温度控制精确度为±10℃，以保证钢水在净化处理过程中不会产生温度降低的现象；
d.净化处理时，氮气的平均压力为0.45～0.65MPa，流量为1～2m3/t-h，吹氮处理时间为10～30分钟；
e.将处理后的钢液浇注入高锰钢辙叉专用砂型内，获得高锰钢辙叉。
2.根据权利要求1所述的纯净高锰钢辙叉的制造方法，其特征是所述变质剂为CaO、CaF2和Re-Mg合金组成的粉末状混合物，粉末的平均粒度为50～100目，加入量占钢液重量的0.5～1.5％，其化学成分wt％CaO 25％，CaF2 25％，Re-Mg合金50％。
3.根据权利要求1所述的纯净高锰钢辙叉的制造方法，其特征是高锰钢钢液的脱氢、脱氧、脱硫、脱磷的效果达到wt％[H]＜3×10-4％，[O]＜40×10-4％，S＜0.02％，P＜0.03％；并且使钢中夹杂物含量减少60vol％以上，其分布形态呈点状，从而获得纯净高锰钢辙叉铸件；同时，由于钢包底吹氮使钢水得以增氮，高锰钢中的氮含量得到明显的提高，最高可达到0.07wt％，从而使高锰钢的强度、加工硬化能力得以大幅度提高。
全文摘要
本发明公开一种纯净高锰钢辙叉的制造方法，该方法利用电弧炉或者感应电炉熔炼钢水，采用CaO、CaF2、Re-Mg合金作为变质剂，将变质剂加入到具有加热功能的钢包中，通过吹氮气与变质剂充分反应，达到钢液温度和化学成分均匀，并且达到脱氢、脱氧、脱硫、脱磷的目的，从而使钢中非金属夹杂物的数量大大减少，使其形态和分布得到控制，获得纯净高锰钢辙叉铸件。同时，由于钢包内吹氮使钢水得以增氮，高锰钢中的氮含量最高可达到0.07wt％，从而使高锰钢的屈服强度、加工硬化能力得以大幅度提高。这种净化氮化高锰钢辙叉的各项力学性能指标均得到大幅度的提高，使用寿命比普通高锰钢辙叉提高30％以上。
文档编号C21C7/04GK101323891SQ20081005538
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者张福成, 明 张, 王天生, 博 吕 申请人:燕山大学