[发明专利]高氮奥氏体钢高速铁路辙叉及其制造方法

说明书

技术领域 本发明涉及一种钢铁材料及其加工方法，特别是高速、重载铁路辙叉专用耐磨高氮奥氏体锰钢及其制造方法。

背景技术 ZGMn13奥氏体高锰钢是英国工程师Hadfield于1882年9月发明的，它的第一个用途就是于1892年用于制作电车轨道的辙叉，从此，100多年来世界上几乎所有的铁路辙叉都是由这种材料制作。最初Hadfield公布的ZGMn13的化学成分是：C 1.35％、Si 0.69％、Mn 12.76％。目前，公认的ZGMn13钢的化学成分范围为C 1.0～1.4、Mn 11～14，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1.5亿吨，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。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方面展开了广泛的研究，出现了许多新的研究成果。

法国研制了一种铸造含Mo高锰钢辙叉，它可以在不经过热处理的铸态条件下使用，同时，如果辙叉和钢轨焊接，焊后不需要固溶处理。这种高锰钢辙叉成分为C 0.7～0.9、Mn 13～15、Mo 1.0～1.8、Si≤1.0。前苏联利用0.02～0.09％N和0.25～1.0％Al对高锰钢进行再合金化处理，其水韧处理态和冷变形态的力学性能均明显增高，从而有效地提高高锰钢辙叉的使用寿命。另外，他们还利用Cr和Nb对高锰钢进行再合金化处理研制出FeCrMnNbC合金，利用该高锰钢铸造的铁路辙叉，其使用寿命为普通高锰钢辙叉的2倍，同时，铸造高锰钢辙叉的废品率大大降低。美国发明了一种新型铁路辙叉用高锰钢铸件，其成分为C 0.85、Mn 14、Si 0.6、Cr 4、Ni 3.6、V 0.4，它是在原高锰钢基础上，利用Cr、Ni和V对高锰钢进行再合金化处理，同时钢中的碳含量降低到普通高锰钢以下的水平。这种高锰钢使用寿命相对于普通高锰钢辙叉有大幅度提高。另外，美国还发明一种利用Ni、V、Ti微合金化的奥氏体锰钢铸件，这种奥氏体锰钢的成份为(wt％)：Mn11.0～24.0、C 1.0～1.4、Si≥1、Cr≥1.9、Ni≥0.25、Mo≥1.0、Al≥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％，碳和微合金元素

总和的比率范围为10∶1～25∶1。加拿大开展了对高锰钢进行V再合金化处理的研究工作，研究发现，高锰钢的耐磨性能在V含量为2％时达到最佳值，其耐磨性能可达到普通高锰钢的5倍。此外，德国在高锰钢中加入0.5％的钒，使高锰钢的屈服极限从380N/mm²提高到425N/mm²。英国在高锰钢中加入0.05～0.2％的铝，提高了高锰钢的耐磨性，而对其韧性和塑性影响不大，利用这种方法提高高锰钢辙叉的使用寿命。

我国对铁路辙叉用高锰钢也进行了大量的实验室研究和生产实践。有人通过加入Cu或者V、Ti等进行再合金化处理，从而提高高锰钢辙叉的使用性能。燕山大学利用再合金化的原理开发了一种加工硬化能力高、自减摩性能好的铁路辙叉专用高锰钢，其化学成分为wt％：C 1.0～1.2、Mn 11～13、N 0.04～0.08、Cr 1.5～2.5、Cu 0.8～1.0、Re 0.1～0.3。

纵观以上关于高锰钢辙叉再合金化方案，人们已经采用了的再合金化元素有Cr、Ni、Mo、V、Al、Cu和N等，它们会使高锰钢叉某一方面的性能有所提高，但都不能适应目前高速、重载铁路辙叉恶劣的服役条件。

发明内容 本发明的目的在于提供一种耐磨、耐疲劳的适合高速、重载铁路使用条件的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉及其制造方法。本发明主要是①采用超出高锰钢极限溶解量的N对高锰钢进行再合金化，并且又利用Cr、W和Al对高锰钢再合金化处理，②采用氮气压力条件下熔炼，从而使高锰钢中的氮含量达到高于其极限溶解氮含量的水平。

本发明的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉其化学成分(wt％)为：C 0.6～0.8、N 0.2～0.4、Mn 11.0～14.0、Cr 4.0～6.0 W 0.5～2.0、Al 0.2～0.5、Si 0.3～0.8、S＜0.02、P＜0.02、其余为Fe。

本发明的高氮奥氏体钢高速铁路辙叉的制造方法如下：