本發明屬于材料科學與工程領域，特別涉及一種鐵路轍叉用鋼及其制造方法。
背景技術：
轍叉是使車輪由一股鋼軌通過另一股鋼軌的軌線平面交叉設備，主要由翼軌、心軌及聯接零件組成。按照結構，轍叉可以分為固定型轍叉和活動型轍叉。固定型轍叉又分為整體鑄造型和拼裝型轍叉。整體鑄造轍叉通常是指高錳鋼鑄造轍叉；而拼裝轍叉主要是指以珠光體鋼或高錳鋼或貝氏體鋼為心軌，以珠光體鋼或貝氏體鋼為翼軌，通過高強螺釘組裝而成的轍叉。目前，世界范圍內的鐵路轍叉用鋼有高碳珠光體鋼、高錳奧氏體鋼和低碳貝氏體鋼。美國專利US2004035507-Al、公開號為CN101818312A和CN03800576.X的中國專利等公布了許多綜合性能優異的超細珠光體轍叉鋼及其制造工藝。關于高錳奧氏體鋼轍叉及其制造技術有：最早的高錳鋼轍叉是1894年鋪設于美國紐約布魯克林大西洋街電車軌道上的轍叉，后來不斷更新和發展。1986年在《RailwayTrackandStructures》刊物上1(82)36-38的文章，美國發明專利US4342593和US6572713，以及中國發明專利CN03128763.8，CN103667888A，CN200810055383.7，CN200910227860.8，CN200910227858.0，CN200910227859.5等等。貝氏體鋼轍叉是近年來發展起來的鐵路轍叉用鋼及其制造技術，然而，雖然其問世較晚但相關的專利技術卻非常多。最早的是1986年在《RailwayGazetteInternational》刊物上142(1986)176-177的研究報道，然后是1997年在《RailwayTrack&Structures》刊物上12(1997)14-16的研究報道。緊接著是美國專利US5759299、加拿大專利CA2355868和CA2510512，歐洲專利EP0804623B1，中國專利CN98124899.3、CN8112095.4、CN200610048109.8、CN200610012673.4、CN03150092.7、CN02157927.X、CN98112095.4、CN200410068857.3、CN200510078257.X、CN200410068857.3、CN1721565A、CN1865482A以及CN103789699A等等多種貝氏體轍叉鋼成果報道。目前，世界上所有的鐵路轍叉用貝氏體鋼都是低碳或者中碳含量，沒有用高碳貝氏體鋼制造鐵路轍叉的專利和文章以及研究報告的文獻報道。20世紀90年代，世界上著名的鐵路轍叉制造商—奧地利VAE公司從性價比的角度考慮，給出了選擇鐵路轍叉用鋼和結構類型時應該遵循的原則。告訴人們，在低速低載荷線路上選擇珠光體鋼轍叉，隨著列車運行速度和軸重的增加依次選擇的轍叉用鋼是普通鑄造高錳鋼轍叉、拼裝貝氏體鋼轍叉、爆炸預硬化高錳鋼轍叉，最后是當列車運行速度很高、軸重很大時選擇用馬氏體時效鋼轍叉。也就是說，馬氏體時效鋼是最優秀的制造鐵路轍叉的材料。然而，由于馬氏體時效鋼中含有大量的貴重金屬Co、Mo、Ni等，其制造成本非常高，所以，實際上，也從來沒有人利用馬氏體時效鋼制造轍叉，因此，利用馬氏體時效鋼制造鐵路轍叉至今還一直是一個夢想。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種成本很低、綜合力學性能夠達到同強度級別馬氏體時效鋼水平的鐵路轍叉用高碳超高硅貝氏體鋼及其制備方法。本發明的鐵路轍叉用高碳超高硅貝氏體鋼，它的組織是一種超細無碳化物貝氏體組織，其化學成分質量百分比(wt％)為：C：0.68～0.72、Si：3.0～4.0、Mn：0.4～0.6、Cr：0.4～0.6、W：0.1～0.3、V：0.04-0.06、Al：0.02-0.10，其余為Fe和少量雜質元素。上述鐵路轍叉用高碳超高硅貝氏體轍叉鋼的制備方法如下：(1)鑄錠：采用電弧爐冶煉鋼水、LF爐精煉鋼水，將上述成分的鋼水澆注鋼模中后緩冷至室溫；(2)對步驟(1)鋼錠進行去氫和組織均勻化熱處理：首先以80-100℃/h的速度加熱到600-650℃，保溫10-12h，再以120-150℃/h的速度加熱到1000-1050℃，保溫4-6h，空冷到室溫；(3)將鋼錠模鍛成形為所需的形狀和尺寸的鐵路轍叉心軌：將步驟(2)的鋼錠以180-200℃/h的速度加熱到600℃保溫均溫3-5h，然后以100-140℃/h的速度加熱到1220℃保溫2-4h，始鍛溫度1190～1210℃，終鍛溫度850-900℃，鍛造變形比5-6；(4)將步驟(3)的鍛件進行最終熱處理：將鍛件加熱到925-935℃奧氏體化2-3h后直接放入340-360℃鹽浴中等溫1-3h淬火，然后放入溫度為280-300℃的爐中等溫1-2h后，放置在空氣中冷卻到室溫，再加熱到300℃～320℃保溫1-2h進行回火處理。高碳超高硅貝氏體鋼轍叉具有優異性能的原因：鋼中硅含量非常高，達到3.5wt％左右，同時含有很高的碳，達到0.7wt％左右。在貝氏體相變熱處理過程中，如此高的硅有效阻礙了高碳鋼在比較高的溫度貝氏體相變過程中碳化物的析出，從而在高碳鋼中獲得無碳化物的上貝氏體組織。又由于鋼中碳含量很高，獲得的貝氏體鐵素體板條厚度很小，平均厚度在80nm以下，這種納米超細貝氏體鋼具有高強度和高韌性；同時，鋼中存在含量大約為20％的殘余奧氏體，并且殘余奧氏體含有更多的碳和硅，致使它具有高的穩定性，在滾動接觸循環應力作用下，這種穩定的殘余奧氏體阻礙疲勞裂紋的形成，鈍化疲勞裂紋的尖端；再結合鋼中適當的錳、鉻、釩等金屬合金元素，提高了鋼的淬透性，保證了較大斷面轍叉的整體組織和性能的均勻性，從而使這種高碳超高硅貝氏體鋼的性能非常優異。性能達到同強度級別馬氏體時效鋼的水平，而成本僅大約是馬氏體時效鋼的三十分之一。本發明與現有技術相比具有如下優點：1、鋼的性能非常優異，制備的高碳超高硅貝氏體鋼的屈服強度大于1100MPa，抗拉強度大于1500MPa，室溫沖擊韌性大于100J/cm2，延伸率達到30％，斷裂韌性(K1C)大于60MPa.m-1/2，尤其是強塑積高達50GPa％，遠遠超過其它任何低合金鋼水平，同時具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，各項力學性能指標均超過目前廣泛使用的貝氏體轍叉鋼。2、制造成本很低，制備的高碳超高硅貝氏體鋼的力學性能達到了同強度級別馬氏體時效鋼的水平，但其成本僅大約為馬氏體時效鋼的三十分之一。附圖說明圖1是本發明實施例1制備的高碳超高硅貝氏體鋼電鏡圖。具體實施方式實施例1將化學成分質量比(wt％)為：C：0.68、Si：3.0、Mn：0.41、Cr：0.58、W：0.13、V：0.06、Al：0.09，其余為Fe和少量雜質元素的原料，采用電弧爐冶煉鋼水，然后用LF爐精煉鋼水，將鋼水澆注鋼模中后緩冷至室溫。首先以80℃/h的加熱速度將鋼錠加熱到610℃保溫12h，以120℃/h的速度加熱到1000℃保溫6h后空冷到室溫進行去氫和組織均勻化熱處理。以200℃/h的速度將鋼錠加熱到600℃保溫均溫4.8h，然后以140℃/h的速度加熱到1220℃保溫2h，始鍛溫度1190℃，終鍛溫度850℃，鍛造變形比5.1，將鋼錠模鍛成形為鐵路轍叉心軌尺寸，如圖1所示；再將鍛件進行最終熱處理，將鐵路轍叉鍛胚加熱到925℃奧氏體化3h后直接放入360℃鹽浴中等溫1h淬火，然后放入溫度為300℃的爐中等溫1h后，放置在空氣中冷卻到室溫，再加熱到320℃保溫1h進行回火處理，制得高碳超高硅貝氏體鋼轍叉。對鍛件表面以下30mm深度處取樣進行組織觀察和機械性能測試，如圖1所示，這種高碳超高硅貝氏體鋼轍叉的組織為超細無碳化物貝氏體組織，其強塑積達到50.5GPa％、抗拉強度為1555MPa、屈服強度1190MPa、沖擊韌性111J/cm2、延伸率32.5％、斷裂韌性(K1C)64MPa·m-1/2，同時，具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，其綜合力學性能達到同強度級別馬氏體時效鋼的水平。實施例2將化學成分質量比(wt％)為：C：0.71、Si：3.9、Mn：0.59、Cr：0.50、W：0.23、V：0.04、Al：0.05，其余為Fe和少量雜質元素的原料，采用電弧爐冶煉鋼水，然后用LF爐精煉鋼水，將鋼水澆注鋼模中后緩冷至室溫。首先以90℃/h的加熱速度將鋼錠加熱到650℃保溫10h，以135℃/min的速度加熱到1020℃保溫5h后空冷到室溫進行去氫和組織均勻化熱處理；以180℃/h的速度將鋼錠加熱到600℃保溫均溫3h，然后以100℃/h的速度加熱到1220℃保溫3h，始鍛溫度1210℃，終鍛溫度900℃，鍛造變形比5.5，將鋼錠模鍛成形為鐵路轍叉心軌尺寸；再將鍛件進行最終熱處理，將鐵路轍叉鍛胚加熱到935℃奧氏體化2h后直接放入340℃鹽浴中等溫3h淬火，然后放入溫度為280℃的爐中等溫2h后，放置在空氣中冷卻到室溫，再加熱到300℃保溫2h進行回火處理，制得高碳超高硅貝氏體鋼轍叉。對鍛件表面以下30mm深度處取樣進行組織觀察和機械性能測試，這種高碳超高硅貝氏體鋼轍叉的組織為超細無碳化物貝氏體組織，其強塑積達到52GPa％、抗拉強度為1584MPa、屈服強度1210MPa、沖擊韌性105J/cm2、延伸率32.8％、斷裂韌性(K1C)68MPa·m-1/2，同時，具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，其綜合力學性能達到同強度級別馬氏體時效鋼的水平。實施例3將化學成分(wt％)為：C：0.70、Si：3.5、Mn：0.50、Cr：0.40、W：0.30、V：0.06、Al：0.02，其余為Fe和少量雜質元素的原料，采用電弧爐冶煉鋼水，然后用LF爐精煉鋼水，將鋼水澆注鋼模中后緩冷至室溫。首先以100℃/h的加熱速度將鋼錠加熱到630℃保溫11h，以150℃/min的速度加熱到1050℃保溫5h后空冷到室溫進行去氫和組織均勻化熱處理。然后，以190℃/h的速度將鋼錠加熱到600℃保溫均溫4h，然后以120℃/h的速度加熱到1220℃保溫3h，始鍛溫度1200℃，終鍛溫度880℃，鍛造變形比5.5，將鋼錠模鍛成形為鐵路轍叉心軌尺寸。再將鍛件進行最終熱處理，將鐵路轍叉鍛胚加熱到930℃奧氏體化2.5h后直接放入350℃鹽浴中等溫2h淬火，然后放入溫度為290℃的爐中等溫2h后，放置在空氣中冷卻到室溫，再加熱到300℃保溫1.5h進行回火處理，制得高碳超高硅貝氏體鋼轍叉。對鍛件表面以下30mm深度處取樣進行組織觀察和機械性能測試，這種高碳超高硅貝氏體鋼轍叉的組織為超細無碳化物貝氏體組織，其強塑積達到50GPa％、抗拉強度為1552MPa、屈服強度1220MPa、沖擊韌性108J/cm2、延伸率32％、斷裂韌性(K1C)70MPa·m-1/2，同時，具有很好的抗高周應力疲勞和低周應變疲勞的性能，其綜合力學性能達到同強度級別馬氏體時效鋼的水平。