一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种高性能轨道扣件弹条及其制造方法与应用，其显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。另外，弹条的微观组织结构中还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物。所述新型高性能扣件弹条的制造方法包括：弹条原材料线材的热成型、弹条的淬火与回火处理、弹条的后处理。新型高性能扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV

A high performance fastener spring strip and its manufacturing method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用
本专利技术属于轨道交通的轨道扣件系统
，尤其是涉及一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用。
技术介绍
轨道扣件系统是钢轨和轨下结构之间的联系纽带，其主要作用是固定钢轨位置、阻止钢轨发生纵/横向位移、防止钢轨倾斜侧翻、减振降噪，对保证整个轨道系统的稳定性和可靠性至关重要。作为轨道扣件系统的主要组成部件，弹条式扣压件(即弹条)具有线形变化大、弹性性能好等特点，是将钢轨稳固于轨枕上、确保钢轨间距恒定并保持铁路车辆顺畅运转线形的关键部件，其质量和性能直接影响整个轨道线路的行车安全。从应用角度出发，弹条不仅需要具有一定的刚度和弹性，还需要足够的强度、良好的塑韧性以及优良的高周疲劳性能。目前扣件弹条的原材料主要为Si-Cr系、Cr-Mn系和Si-Mn系热轧弹簧钢(以60Si2Mn钢最为常见)线材，弹条内部的微观组织结构为回火屈氏体或回火索氏体。在实际服役过程中，由于承受冲击、振动、周期性交变载荷等复杂应力状态，弹条会出现应力松弛、永久塑性变形和过早的断裂失效。这其中，疲劳断裂是弹条最主要的失效模式，在复杂应力状态下弹条的疲劳寿命往往较低。因此，迫切需要研制具有高强韧、良好高周疲劳性能的扣件弹条，以保障轨道线路的行车安全。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能扣件弹条及其制造方法与应用。本专利技术扣件弹条具有高强韧性、高室温冲击韧性、优良高周疲劳性能等特点。所述扣件弹条的高韧性和优良高周疲劳特性主要来源于弹条微观结构中的薄膜状或条带状残余奥氏体。在冲击、振动、周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体会发生相变生成马氏体，从而阻碍疲劳裂纹的形成和扩展，提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的高屈服强度和抗拉强度主要来源于马氏体微观结构或马氏体与分布在马氏体基体中的弥散碳化物。另外，在保证弹条具有良好韧性的条件下，增加弹条的(屈服)强度能显著提高弹条的高周疲劳寿命。所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，并且扣件弹条表现出优良的高周疲劳性能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术第一方面提供一种高性能扣件弹条。一种高性能扣件弹条，所述扣件弹条的显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间；所述扣件弹条的显微组织中还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物；所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，弹条的总脱碳层深度≤0.2mm，并且扣件弹条表现出优良的高周疲劳性能。所述高性能扣件弹条，其微观结构中所包含的残余奥氏体的几何形状主要为薄膜状或条带状，其厚度不超过500nm。所述高性能扣件弹条，其微观结构中析出碳化物主要位于马氏体基体中，所述析出碳化物主要包括碳化钛(TiC)、碳化铌(NbC)、碳化钒(VC)或碳化钼(Mo2C)中的一种或一种以上。另外，上述碳化物中的金属原子可能彼此相互置换，从而形成复合碳化物，如(Ti,Mo)C、(Nb,V)C等。另外，弹条中允许存在少量Fe的碳化物。当弹条的微观结构包含贝氏体时，上述碳化物也会存在于贝氏体基体中。所述高性能扣件弹条化学成分的质量百分数为：0.2％≤C≤0.8％，0.5％≤Mn≤3.0％，1.0％≤Si≤2.5％，Cr≤2.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.15％，V≤0.15％，Mo≤0.50％，B≤0.004％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。另外，在不改变弹条内部微观组织结构的前提条件下，弹条的原材料化学成分还可以包含Al、Cu和Ni元素，但上述元素的质量百分数均不超过1.0％。在本专利技术扣件弹条的微观组织结构设计中，各组元相的作用如下：马氏体是使弹条具有高屈服强度、抗拉强度和硬度的主要组元相，其强度随材料碳含量的增加和弹条淬火后回火温度的降低而增加。分布在马氏体和贝氏体基体中的析出碳化物进一步提升了弹条的屈服强度和硬度。本专利技术中控制析出碳化物的体积分数小于1％。当析出碳化物的体积分数超过1％，则弹条材料的韧性显著降低；另外，过多析出碳化物容易成为疲劳裂纹的源头而降低弹条的高周疲劳寿命。贝氏体有助于增加弹条的韧性，但会相应降低弹条的强度和硬度。弹条微观结构中的残余奥氏体起到增加弹条强韧性和高周疲劳性能的作用。外力作用下，薄膜状或条带状残余奥氏体(厚度不超过500nm)会逐步发生马氏体相变，弹条材料本身表现出适当高的加工硬化能力，使弹条材料具有较好的强韧性。更重要的是，在周期性交变载荷的作用下，残余奥氏体相变形成的马氏体，有助于阻碍疲劳裂纹的形成和扩展，从而提升弹条的高周疲劳寿命。本专利技术中，限定残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。当残余奥氏体的体积分数小于3％时，其对弹条强韧性和高周疲劳寿命的提升不明显；当残余奥氏体的体积分数大于20％时，残余奥氏体的形貌多数会呈块状，奥氏体在外力作用下会迅速相变形成粗大块状马氏体，新形成的粗大块状马氏体周围容易存在细小裂纹，从而损害弹条的韧性和疲劳性能。本专利技术中，扣件弹条的微观组织结构为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间。所述扣件弹条的微观结构还可以包含体积分数不超过1％的析出碳化物。上述微观组织结构能确保扣件弹条具有高强韧性、室温冲击性能和优良的高周疲劳性能，弹条的高周疲劳寿命显著提升。在本专利技术扣件弹条的成分设计中，各成分的作用如下：C：C是本专利技术中主要添加的元素。一方面，C起固溶强化作用，增加马氏体的强度和硬度。另一方面，C能和Ti、V等碳化物形成元素结合，在马氏体、贝氏体的基体中形成碳化物，通过析出强化机制来进一步提升弹条的强度和硬度。再有，C促进残余奥氏体生成。当C含量过低时，回火马氏体的强度和硬度较低，并且残余奥氏体的含量和力学稳定性也相对较低，因而弹条的强度和延展性均较低。当C含量过高时，残余奥氏体过于稳定而不易发生变形诱导马氏体相变，因而无法形成由马氏体相变带来的对疲劳裂纹形成和扩展的抑制作用。因此，本专利技术控制C含量为0.2％～0.8％。Mn：Mn在本专利技术中是重要合金元素。Mn可以减弱或消除由于S引起的钢的热脆性，改善弹条的热加工性能。Mn能增加奥氏体的稳定性，降低弹条淬火时临界冷却速度以及提高弹条的淬透性。Mn还能够提高弹条的加工硬化性能，从而提高弹条的强度。但是，过高的Mn含量会引起弹条原材料中Mn偏析，从而降低弹条的延展性和弯曲性能。因此，本专利技术控制Mn含量为0.5～3.0％。Si：Si在本专利技术中是主要合金元素。Si是铁素体固溶强化元素，可提高弹条强度；另外，添加Si可以显著提高残余奥氏体的力学稳定性，有助于弹条获得高强塑性和优良疲劳性能。但是，过高Si含量会降低弹条的塑性。因此，本专利技术限定Si含量为1.0％～2.5％。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述扣件弹条的显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间；所述扣件弹条的显微组织中还包含体积分数不超过1％的析出碳化物；/n所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV

【技术特征摘要】
1.一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述扣件弹条的显微组织结构主要为马氏体与残余奥氏体的混合体或马氏体、贝氏体与残余奥氏体的混合体；其中，残余奥氏体的体积分数介于3％～20％之间；所述扣件弹条的显微组织中还包含体积分数不超过1％的析出碳化物；
所述扣件弹条的硬度≥44HRC、断面收缩率≥25％、室温冲击吸收能量KV2≥10J，弹条的总脱碳层深度≤0.2mm。


2.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述残余奥氏体的几何形状为薄膜状或条带状，其厚度不超过500nm。


3.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述析出碳化物包括碳化钛、碳化铌、碳化钒或碳化钼中的一种或一种以上。


4.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，所述高性能扣件弹条化学成分的质量百分数为：0.2％≤C≤0.8％，0.5％≤Mn≤3.0％，1.0％≤Si≤2.5％，Cr≤2.0％，Ti≤0.15％，Nb≤0.15％，V≤0.15％，Mo≤0.50％，B≤0.004％，P≤0.02％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。


5.根据权利要求1所述的一种高性能扣件弹条，其特征在于，在不改变弹条内部微观组织结构的前提条件下，弹条的原材料化学成分还包含Al、Cu和Ni元素，但Al、Cu和Ni元素的质量百分数均不超过1.0％。


6.权利要求1-5中任一项所述高性能扣件弹条的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)弹条原材料线材的热成型
将具有权利要求4所述化学成分的原材料线材加热至850～1100℃温度区间，保温0.2～1h，然后将均热后的线材弯曲成型为弹条，成型终了温度不低于760℃；
2)弹条的淬火与回火处理
将热成型后的弹条以不低于20℃/s的冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝庆国，杨旗，刘艳，徐斌，
申请(专利权)人：上海材料研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31