专利名称：含纳米原子团高锰钢辙叉及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钢铁材料及其制造方法，特别是铁路辙叉专用高锰钢
及其制造方法。
技术背景自从发明奥氏体高锰钢以来，人们一直未间断对其研究，从而派生出大 量的再合金化奥氏体锰钢，如美国发明一种利用Ni、 V、 Ti微合金化的奥氏体锰钢铸件，其 各项力学性能都达到较高的水平，利用这种高锰钢制造的铁路辙叉，其使用寿命得到显著 提高。由于这种钢中含有一种晶粒尺寸很细的碳氮化合物，使得这种铸件的使用寿命比 普通高锰钢延长20-70%。这种奥氏体锰钢的成份为(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、杂质P《0. 07、S《0. 06、 微合金Ti、 Nb、 V的加入量分别约为0. 020 0. 070， N大约为0. 001-0. 01。并且，微合金 化Ti+Nb+V+N元素的总和不小于0. 05% ，不超过0. 22% 。加拿大开展了对高锰钢进行V再 合金化处理的研究工作，通过向高锰钢中加入不同含量的V，研究V对高锰钢辙叉性能的影 响。他们选用两种热处理工艺，其一是，加热到110(TC奥氏体化然后冷却到95(TC保温6小 时，最后再固溶处理，其二是，加热到1050 115(TC正常固溶处理。研究发现，无论哪种处 理工艺，高锰钢的硬度都随着V含量的增高而增加，而耐磨性能在V含量为2X时为最佳值， 其耐磨性能可达到普通高锰钢的5倍。 我国对铁路辙叉用高锰钢也进行了加钒再合金化处理，是在原高锰钢成分的基础 上，加入V、Ti等进行再合金化处理，加入微量合金元素V和Ti的目的是为了细化奥氏体晶 粒，提高高锰钢的强度，从而提高高锰钢辙叉的使用性能。 关于以锆为合金化元素的高锰钢也有一些研究报道，主要是前苏联的一些 专利，他们的成分系列分别是，FeCrMnNbZrC系，其热处理工艺为930 100(TC淬火。 FeMnAlNSiZrC系，这种钢具有高的耐冲击磨损性能，并且流动性好，(删掉了一句)力学性 能达到ob:920MPa、 0。.2:510MPa、 S :55%、小48%。 FeMnNSiTiZrC系，该钢力学性能与 抗裂性能好。FeCrMnCuVZrC系，该钢具有高的韧性和耐磨性能。 从目前所有有关文献看，尽管有利用V或者N或者Zr对高锰钢再合金化处理的研 究成果，它们会使高锰钢辙叉某一方面性能有所提高，但都不能很好的适应目前高速、重载 铁路恶劣的服役条件。 发明内容本发明的目的在于提供一种辙叉加工硬化能力高、耐磨性好、使用寿命 长的含纳米原子团高锰钢辙叉及其制造方法。本发明主要是利用钒、锆和氮对高锰钢辙叉 进行微合金化处理，然后，将辙叉加热到280°C 35(TC之间某一温度进行回火处理，使之 得到含钒、锆、氮、锰和碳等的纳米原子团。 本发明的含纳米原子团高锰钢辙叉其化学成分为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、其余为Fe。 本发明的含纳米原子团高锰钢辙叉的制造方法如下 (1)加料向电炉内加入工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝、工业纯锆等合金及 金属原料，最好加入的先后顺序依次为工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝、工业纯锆；
(2)冶炼按普通奥氏体高锰钢冶炼方法进行冶炼，S卩加热炉内金属及合金，使之 全部熔化，并于1630 1680。C温度维持10 20min，出钢温度为1550 1600°C ;
(3)浇注浇注温度为1450 150(TC，浇注成所需要的产品；
(4)铸钢的热处理将上述铸件加热到1050 IIO(TC保温1 3h后水淬，获得单 相奥氏体组织。然后进行低温回火处理，即加热到290 31(TC保温3 5h后空冷，得到区 域直径尺寸为几个到几十个纳米的、呈-C(N)-Me-N(C)-Me-结构的纳米原子团的十分特殊 的奥氏体组织即为本发明产品。 本发明与现有技术相比具有如下优点本发明的含钒、锆和氮奥氏体高锰钢经过 低温回火处理后，其耐磨性能可提高50%以上，其原因是由于奥氏体锰钢经过低温回火后， 其中的氮、碳原子和钒、锆原子向一起聚集，形成-C(N)-Me-N(C)-Me-结构的纳米原子团， 但还没有形成碳化物，属于形成碳化物的前期，这种纳米原子团可有效提高高锰钢的加工 硬化能力，并比普通高锰钢提高30 %以上；由于纳米原子团的存在，高锰钢辙叉在使用中 工作面表层很快达到较高的硬度，因此，表现出很好的耐磨性能；这种高锰钢辙叉的使用寿 命比普通ZGMnl3钢辙叉提高50X以上，而其生产成本仅仅增加1 2%。
具体实施方式
实施例1 首先将工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝和工业纯锆依照这个先后顺序依次加 到2吨感应电炉内，加热炉内金属及合金，使之全部熔化，并于167(TC温度维持12min，出钢 温度为155(TC;浇注温度为147(TC，浇注成尺寸为150X200X500mm钢胚若干个；将上述铸 件加热到108(TC保温1. 5h后水淬，获得单相奥氏体组织。再加热到29(TC保温5h后空冷， 得到含纳米尺度-C(N)-Me-N(C)-Me-原子团的奥氏体组织，即为本发明产品，其化学成分 为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、 其余为Fe。在铸件表面下50mm处取样测试，其机械性能为o b = 845MPa、 o 。.2 = 429MPa、 S 5 = 37%、aKU = 211J/cm2、HB265。
实施例2 首先将工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝和工业纯锆依照这个先后顺序依次加 到5吨电弧炉内，加热炉内金属及合金，使之全部熔化，并于164(TC温度维持18min，出钢温 度为1590°C ;浇注温度为149(TC，浇注成型号为60kg/m整铸辙叉3个；将上述辙叉加热到 IIO(TC保温3h后水淬，获得单相奥氏体组织，再加热到31(TC保温3小时后空冷，得到含纳
米尺度-(:(川-16-^0-16-原子团的奥氏体组织，即为本发明产品，其化学成分为^% :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、其余为Fe，
在铸件表面下50mm处取样测试，其机械性能为。b = 871MPa、 o 。.2 = 433MPa、 S 5 = 35%、 aKU = 201J/cm2、HB268。辙叉实际上道使用，平均使用寿命(过载量)为2. 4亿吨，比普通 高锰钢辙叉的使用寿命(过载量为1.5亿吨)提高50%以上。
权利要求
一种含纳米原子团高锰钢辙叉，其特征在于这种含纳米原子团高锰钢辙叉的化学成分为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、其余为Fe。
2. 上述权利要求1所述的含纳米原子团高锰钢辙叉的制造方法，其特征在于(1) 向电炉内加入工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝、工业纯锆等合金及金属原料；(2) 加热炉内金属及合金，使之全部熔化，并于1630 168(TC温度维持10 20min，出 钢温度为1550 1600°C ;(3) 浇注温度为1450 150(TC，浇注成所需要的产品；(4) 将上述铸件加热到1050 IIO(TC保温1 3h后水淬，然后加热到290 31(TC保 温3 5h后空冷，得到区域直径尺寸为几个到几十个纳米的、呈-C(N)-Me-N(C)-Me-结构 的纳米原子团的奥氏体组织即为本发明产品。
3. 根据权利要求2所述的含纳米原子团高锰钢辙叉的制造方法，其特征在于合金及 金属原料加入的先后顺序依次为工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝、工业纯锆。
全文摘要
一种含纳米原子团高锰钢辙叉，其化学成分为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、其余为Fe。其制造方法主要是向电炉内加入工业纯铁、氮化钒铁、锰铁、工业纯铝、工业纯锆；加热，并于1630～1680℃温度维持10～20min，出钢温度为1550～1600℃；浇注温度为1450～1500℃，将上述铸件加热到1050～1100℃保温1～3h后水淬，然后加热到290～310℃保温3～5h后空冷，得到区域直径尺寸为几个到几十个纳米的呈-C(N)-Me-N(C)-Me-结构的纳米原子团的奥氏体组织。本发明产品加工硬化能力比普通高锰奥氏体钢提高30％以上；使用时辙叉工作面表层很快达到较高的硬度，表现出很好的耐磨性能；这种高锰钢辙叉的使用寿命比普通ZGMn13钢提高50％以上。
文档编号C21D9/00GK101717889SQ200910227859
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者吕博, 张明, 张福成, 王天生, 钱立和 申请人:燕山大学