含氮高锰钢高速重载铁路辙叉的爆炸硬化处理方法

技术领域

本发明技术属于材料科学与工程技术领域，特别涉及一种辙叉的制备方法。

背景技术

近年来，我国铁路事业迅速发展并逐渐成为国家一项重要战略工程。我国铁路事业取得 的巨大成果获得了世界的广泛认可，但铁路安全问题仍然是国际社会关注的重点。铁路辙叉 作为改变列车运行方向的关键零部件，其稳定的使用性能和安全性能必然是重中之重。迄今 为止，美国全境的铁路辙叉均采用高锰钢制造，我国也有大约三分之二采用高锰钢。但是， 普通成分的高锰钢经水韧处理后基体硬度值仅有HB210左右，因此在辙叉的初始服役阶段， 高锰钢耐磨性很差并会产生一定的塑性变形，增加了修磨工作量并缩减了它的使用寿命，因 此，高速重载铁路对辙叉材料的强度和初始硬度提出更高的要求。

自Hadfield发明的高锰钢被用于电车辙叉以来，为满足不同的使用需求，各国的材料科 学工作者对高锰钢的再合金化进行了大量的研究。例如，美国在普通高锰钢的基础上添加 4％Cr、3.6％Ni和0.4％V，并将钢中的C含量降低至0.85％，经试验，该成分的高锰钢辙叉 的使用寿命较普通高锰钢辙叉有了大幅提高，然而这种高锰钢中含有大量的贵重金属Ni和V， 大大提高了高锰钢辙叉的生产成本；加拿大利用合金元素V对高锰钢进行再合金化处理，发 现当高锰钢中添加2％的V元素时，其耐磨性能最佳，可以达到普通高锰钢耐磨性的5倍之 多，但是V作为一种强碳化物形成元素，如果在后续的热处理过程中操作不当极易析出大量 碳化物，从而破坏高锰钢的综合力学性能；法国利用1.0-1.8％的Mo对高锰钢进行再合金化 处理，结果显示，处理后高锰钢的耐磨性有了很大提高，但是合金元素Mo同样属于贵重金 属，大量生产同样会造成生产成本的提高。本发明人此前的发明专利CN03128763.8，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％：C1.0-1.2，Mn11-13，N0.04-0.08，Cr1.5-2.5，Cu0.8-1.0，Re0.1-0.3。热处理工 艺为，加热到1000-1100℃保温后水淬，获得单相奥氏体组织。常规力学性能为：抗拉强 度>800MPa，冲击性能>150J/cm²。

高锰钢辙叉的失效形式是使用初期的磨损和压溃及使用后期的疲劳和剥落。高锰钢在使 用初期，由于其优异的加工硬化性能没有有效发挥，强度较低耐磨性较差，由于受高速车轮 的冲击和摩擦作用辙叉表面较早的被磨损和出现塑性变形压溃现象。因此，为提高铁路辙叉 的初期抗磨和抗变形能力，人们开始研究对高锰钢辙叉的使用表面，尤其是心轨部分，进行 预硬化处理。常见的材料表面预硬化处理工艺主要有喷丸、捶击和爆炸，由于喷丸和锤击使 高锰钢的硬化层较浅其效果不明显，满足不了铁路辙叉的使用要求，所以对于高锰钢辙叉预 硬化处理的最佳办法是局部爆炸硬化处理。爆炸硬化是利用直接敷贴在金属表面上的炸药爆 炸产生的爆轰波猛烈冲击金属表面使其内部受到强烈的冲击波作用，金属在巨大的冲击压缩 应力作用下，产生压缩塑性变形，导致金属硬度的增加。

金属材料的爆炸预硬化处理技术最早是由美国的Norman于1955年首先提出的，并获得 这方面的第一个专利(US2703297)，很快这个研究成果于上世纪60年代被应用于实际铁路 辙叉表面的预硬化处理。之后英国、日本、前苏联和中国等国也纷纷开展这方面的研究，并 且开发了几项专利技术，如GB2172234、GB910076、JP61157657和CN85103847等。爆炸硬 化是快速实现高锰钢辙叉表面硬化效率最高的工艺手段。高锰钢辙叉表面的爆炸硬化处理可 以提高辙叉表面的硬度，减少服役初期阶段的磨损量，大大提高高锰钢辙叉的使用寿命，但 是近年来关于爆炸硬化工艺的研究很少，之前的报道也多集中于炸药厚度和爆炸次数的研究， 而对于爆炸硬化时试样处理温度对硬化效果的影响研究较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产成本低、易于生产、能够提高高锰钢表面强度，增强耐 磨性的含氮高锰钢高速重载铁路辙叉的爆炸硬化处理方法。本发明只有是对传统高锰钢进行 Cr、N再合金化，适当降低高锰钢中的C含量，利用固溶强化和细晶强化效应提高高锰钢辙 叉的初始强度，和加工硬化能力，再对含氮高锰钢辙叉表面进行两次爆炸硬化处理，使高锰 钢辙叉获得了更高的表面硬度和更深的硬化层。

本发明的高速重载铁路辙叉用含氮高锰钢，它的化学成分重量百分比为：C：0.75-0.95、 Mn：11.0-13.0、Cr：1.0-1.4、N：0.04-0.07、Al：0.2-0.5、Si：0.1-0.5、P：≦0.02、S：≦0.02， 其余为Fe。

含氮高锰钢高速重载铁路辙叉的爆炸硬化处理方法：

(1)采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，在常压条件下通过向钢水中添加氮化铬铁 对高锰钢中的Cr和N元素含量进行控制，并且，钢中氮与锰、铬含量之间的关系必须满足[％N] <0.021([％Cr]+0.9[％Mn])-0.204关系公式；

(2)用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔，利用常规高锰钢辙叉浇注工艺铸造成 含氮高锰钢辙叉；

(3)将含氮高锰钢辙叉加热到1100-1150℃保温2-4h后进行固溶处理，再将铸造高锰 钢辙叉加热到200-250℃保温3-5h进行时效处理；

(4)将含氮高锰钢辙叉心轨上宽15-80mm以及翼轨上车轮跨越心轨段、长度为0.8-1.2 米辙叉的顶面打磨光亮，采用厚度为2.5mm的常规成分黑索金(RDX)塑性片状炸药对辙叉 表面进行两次爆炸硬化处理，第一次爆炸硬化前将含氮高锰钢辙叉加热到70℃保温2h以上， 然后进行爆炸硬化处理；第二次爆炸前将高锰钢辙叉冷却到-30℃保温3h以上，然后进行爆 炸硬化处理。

(5)对爆炸硬化处理后的含氮高锰钢辙叉加热到180-220℃保温2-4h后空冷到室温以达 到去除应力的目的。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明中高锰钢的初始硬度和加工硬化能力较普通高锰钢有了很大程度的提高；

2、钢中不包含贵重金属元素，生产成本低；

3、该含氮高锰钢系常压条件下冶炼，实际生产中更容易实现；

4、含氮高锰钢辙叉加热至70℃后进行爆炸硬化，可促进位错运动，获得较深的硬化层， 含氮高锰钢辙叉冷却至-30℃进行爆炸硬化，易于在表面形成超细孪晶，提高高锰钢表面强度， 增强耐磨性。

5、爆炸硬化含氮高锰钢辙叉表面硬度为380-400HB，硬化层深度为30mm以上；其使用 寿命比普通铸造高锰钢辙叉提高2倍以上，平均过载量达到3.8亿吨以上。

附图说明

图1是本发明含氮高锰钢高速重载铁路辙叉爆炸硬化位置示意图。

图2是本发明实施例1两次爆炸硬化层深度示意图。

具体实施方式

实施例1

采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔，利 用常规高锰钢辙叉浇注工艺铸造成成分为C：0.85、Mn：11.8、Cr：1.2、N：0.042、Al：0.23、 Si：0.35、P：0.001、S：0.005，其余为Fe的含氮高锰钢辙叉；将该含氮高锰钢辙叉加热至 1100℃保温4h后进行固溶处理，再将高锰钢辙叉加热到200℃保温5h进行时效处理；在心 轨位置取样进行常规力学性能测试，结果如表1。将含氮高锰钢辙叉心轨上宽15-80mm以及 翼轨上车轮跨越心轨段、长度为1.0米辙叉的顶面打磨光亮，其部位如图1所示，利用厚度 为2.5mm的常规成分黑索金(RDX)塑性片状炸药对热处理后的含氮高锰钢辙叉进行两次爆 炸硬化处理；第一次将高锰钢辙叉加热到70℃保温3h，然后进行爆炸硬化处理；第二次将高 锰钢辙叉冷却到-30℃保温3h，然后进行爆炸硬化处理；对爆炸硬化处理后的含氮高锰钢辙叉 加热到180℃保温4h后空冷到室温以达到去除应力的目的。取爆炸硬化处理后含氮高锰钢辙 叉心轨部分进行表面硬度和硬化层深度测试，结果如表1和图2所示。

表1：爆炸硬化处理前后含氮高锰钢辙叉心轨部分进行表面硬度和硬化层深度测试结果

实施例2

采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔，利 用常规高锰钢辙叉浇注工艺铸造成成分为C：0.93、Mn：12.9、Cr：1.4、N：0.068、Al：0.36、 Si：0.11、P：0.015、S：0.013，其余为Fe的含氮高锰钢辙叉。将该高锰钢辙叉加热至1120℃ 保温3h后进行固溶处理，再将高锰钢辙叉加热到250℃保温3h进行时效处理，在心轨位置 取样进行常规力学性能测试，结果如表2。将含氮高锰钢辙叉心轨上宽15-80mm以及翼轨上 车轮跨越心轨段、长度为0.8米辙叉的顶面打磨光亮，利用厚度为2.5mm的常规成分黑索金 (RDX)塑性片状炸药对热处理后的含氮高锰钢辙叉进行两次爆炸硬化处理。第一次将高锰 钢辙叉加热到70℃保温2h，然后进行爆炸硬化处理；第二次将高锰钢辙叉冷却到-30℃保温 4.5h，然后进行爆炸硬化处理。对爆炸硬化处理后的含氮高锰钢辙叉加热到200℃保温3h后 空冷到室温以达到去除应力的目的。取爆炸硬化处理后含氮高锰钢辙叉心轨部分进行表面硬 度和硬化层深度测试，结果如表2。

表2：爆炸硬化处理前后含氮高锰钢辙叉心轨部分进行表面硬度和硬化层深度测试结果

实施例3

采用电弧炉冶炼钢水、LF炉精炼钢水，用脂硬化造型工艺制造高锰钢辙叉铸造型腔，利 用常规高锰钢辙叉浇注工艺铸造成成分为C：0.76、Mn：11.2、Cr：1.1、N：0.055、Al：0.48、 Si：0.48、P：0.017、S：0.016，其余为Fe的含氮高锰钢辙叉。将该高锰钢辙叉加热至1150℃ 保温2h后进行固溶处理，再将高锰钢辙叉加热到230℃保温4h进行时效处理，在心轨位置 取样进行常规力学性能测试，结果如表3。将含氮高锰钢辙叉心轨上宽15-80mm以及翼轨上 车轮跨越心轨段、长度为1.2米辙叉的顶面打磨光亮，利用厚度为2.5mm的常规成分黑索金 (RDX)塑性片状炸药对热处理后的含氮高锰钢辙叉进行两次爆炸硬化处理。第一次将高锰 钢辙叉加热到70℃保温3h，然后进行爆炸硬化处理；第二次将高锰钢辙叉冷却到-30℃保温 5h，然后进行爆炸硬化处理。对爆炸硬化处理后的含氮高锰钢辙叉加热到220℃保温2h后空 冷到室温以达到去除应力的目的。取爆炸硬化处理后含氮高锰钢辙叉心轨部分进行表面硬度 和硬化层深度测试，结果如表3。

表3：爆炸硬化处理前后含氮高锰钢辙叉心轨部分进行表面硬度和硬化层深度测试结果