铁路辙叉是改变火车运行路线的重要部件。辙叉的心轨承受着巨大冲击力、剪切力等复杂应力，是整个辙叉受力最大的部位。合金钢组合辙叉心轨制造工艺复杂，制造成本高，一旦产生缺陷，在火车运行时很容易剥落、掉块，因此难以满足现代铁路安全、高速、重载的要求。而高锰钢组合辙叉心轨铸造工艺简单，性能优良，即使产生微裂纹缺陷，扩展速度慢，特别适用于高速、重载铁路建设及其运行维护，有力保障铁路运行安全。但心轨属于厚断面铸件，传统铸造过程容易产生氧化夹杂、微裂纹等缺陷，而且由于高锰钢导热慢，铸造组织粗大，限制了高锰钢心轨的推广使用.本文借助计算机模拟和X射线实时观察等手段，通过开发平稳充型浇注系统改善了钢水的纯净度，通过微合金化和添加金属颗粒等措施显著细化了高锰钢的晶粒度，有效提高了高锰钢心轨的使用寿命。　　 本文主要内容包括：　　 (1)通过X射线实时观察与计算机模拟结合开发了新型平稳充型浇注系统，将新型平稳充型浇注系统运用到高锰钢组合辙叉心轨研发与离心TiAl阀门铸造。对于高锰钢心轨铸件，通过应用新型平稳浇注系统，金属液充型过程平稳，有利于夹杂上浮；金属液充满浇注系统，避免了湍流，提高了高锰钢金属液的纯净度。通过改变离心TiAl阀门的内浇口尺寸以及排列方式，改善金属液的充型方式，使铸件能够顺序凝固，消除TiAl阀门中的缩孔缺陷，提高产品合格率。　　 (2)开展了厚断面高锰钢组合辙叉心轨铸造工艺研究。利用计算机模拟预测卷气与缩孔等缺陷。通过中试试验以及X射线实时观察验证计算机模拟结果以及缺陷分布状态，并验证计算模型及计算材料参数的合理性，进而修正计算模型与材料参数；再利用计算机模拟优化冒口与冷铁设计，确定最佳的浇注温度、浇注速度与打箱时间等铸造工艺参数，从而消除了缩孔、疏松等缺陷，确定了最佳的铸造工艺。　　 (3)系统研究了高锰钢厚断面铸件微裂纹产生机理。建立了充型.凝固.冷却.打箱-切除冒口-冷却集成热应力模型，再现了高锰钢组合辙叉心轨铸件在各个工序的热应力变化。研究发现，高锰钢厚断面铸件中尺寸较大的碳化物、氧化物与低熔点磷共晶，在应力的作用下易形成裂纹源，是导致高锰钢厚断面铸件产生裂纹的根本原因。通过控制氧化物与磷的含量，成功解决了高锰钢厚断面铸件的微裂纹难题。　　 (4)开展了高锰钢厚断面铸件微合金化研究.通过添加合金元素钒、钛对高锰钢进行微合金化，细化了厚断面高锰钢组合辙叉心轨铸件组织，晶粒度的等级提高了1～2级，组织分布更加均匀，力学性能也得到提高。微合金化同时也能使MnS夹杂物弥散分布。　　 (5)系统探索了随流添加金属颗粒细化晶粒的机理。随流添加金属颗粒增加了铸件凝固过程中的形核质点密度，晶粒细化效果显著，晶粒度的等级提高了2～3级。力学性能得到显著提高，其中屈服强度从360 MPa提高到410 MPa，抗拉强度从750MPa提高到900MPa。同时，通过对厚断面高锰钢组合辙叉心轨凝固组织进行计算机模拟，从理论上进一步阐述了随流添加金属颗粒细化晶粒的机理。微合金化技术以及随流添加金属颗粒细晶化技术都显著细化了铸件的凝固组织，解决了高锰钢厚断面铸件组织控制难的问题，成功制备了一批晶粒细小、组织均匀、使用寿命长的高锰钢组合辙叉，并通过在线考核。