专利名称：高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料的加工方法，特别是铁路线路上使用的高锰
钢辙叉表面硬化处理方法。
技术背景高锰钢由于其优异的加工硬化性能、较高的强度和韧度，从19世纪末 开始，就一直用于制造铁路线路中的关键部件-辙叉。目前，我国制造的普通高锰钢辙叉的 平均使用寿命(以过载量计)为1. 4 1. 5亿吨，美国和欧洲等国家制造的普通高锰钢辙 叉的使用寿命达到2亿吨以上。随着铁路运输速度的提高，要求进一步提高辙叉的使用寿 命和安全性能。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。它在使用初期，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，受高 速车轮的冲击和摩擦作用辙叉表面较早的产生较严重磨损和出现塑性变形压溃现象。因 此，为提高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使用表面进行预硬 化处理。常见的材料表面预硬化处理工艺主要有喷丸和爆炸等等，喷丸使高锰钢的硬化层 较浅其效果不明显，满足不了铁路辙叉服役条件的使用要求，实际生产中没有被采用。爆炸 硬化可使高锰钢辙叉表面获得适中的表面硬度和深度较大的硬化效果，所以爆炸硬化技术 方法处理工艺广泛的应用于高锰钢辙叉预硬化生产中。然而，爆炸硬化有着明显的不足，其 一是，爆炸硬化技术是利用烈性炸药实现的，致使爆炸硬化安全性差；其二是爆炸硬化处理 需要专门设施，并且应用大量的炸药，成本较高；其三是爆炸硬化处理对高锰钢辙叉内在铸 造质量要求高，如果辙叉表面内部存在夹渣和气孔等铸造缺陷，经过爆炸处理后表面会出 现裂纹或者塌陷，严重的使辙叉报废。 发明内容本发明的目的在于提供一种工艺简单、安全、灵活、成本低且对辙叉的 内在质量要求低的高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法。本发明主要是在加热条件下，采用 风镐对高锰钢辙叉表面进行机械冲击硬化处理。
本发明的技术方案是 1、固溶处理高锰钢辙叉在冲击处理前要进行固溶处理，即加热到1050 110(TC、保温2 4h后水淬，以获得单相奥氏体组织。 2、表面热处理利用中频或者火焰加热方法，将高锰钢辙叉表面加热到280 32(TC，其可有效保证获得表面硬度适中、硬化深度较深的理想硬化效果。冲击硬化处理后 高锰钢辙叉在空气中自然冷却。 3、冲击处理采用风镐冲击上述高锰钢辙叉工作表面，其中包括心轨和翼轨部分 位置，其硬化处理面积根据需要确定，通常情况下冲击硬化处理位置如图1所示的深色区 域。机械冲击处理时，风镐的冲击能量为50 IOOJ，冲击频率为15 20HZ，冲击头与辙叉 表面的压应力为5 lOMPa，每个处理点的冲击硬化处理时间为10 30s。每个冲击硬化 点的形状可以是各种各样的，如圆形、方形或多边形，但每个硬化点区的边缘的距离应小于 5mm。 本发明是借助高锰钢具有优异的冷作硬化特性，利用冲击产生的能量使辙叉表面 产生塑性变形，从而获得使用部分表层具有较高硬度，同时具有较大硬化层深度的高锰钢 辙叉，以提高高锰钢辙叉的初始抗磨损能力和抗塑性变形能力，从而提高高锰钢辙叉的使
3用寿命。
本发明与现有技术相比具有如下优点 1、高锰钢辙叉经过冲击硬化处理后表面亚表层组织产生明显的塑性变形，如图2 所示，从而产生明显的加工硬化效果，辙叉工作表面硬度达到470-520HB、硬化层深度达到 10mm以上的满足铁路辙叉使用条件的理想的硬化效果，如图3所示。 2、机械冲击硬化处理使高锰钢辙叉的使用寿命提高60%以上，使用寿命的提高幅 度高于目前广泛使用的高锰钢辙叉爆炸硬化技术所能达到的。 3、这种高锰钢辙叉硬化技术，硬化效果好、工艺简单、生产安全、成本极低(几乎 零成本)，这是任何其他高锰钢辙叉硬化技术所不及的。
图1是高锰钢辙叉机械冲击硬化处理位置示意图；
图2是机械冲击硬化后高锰钢辙叉表面亚表层的显微组织；
图3是高锰钢辙叉机械冲击硬化处理后亚表层硬度分布图。
图1中，l-心轨，2-翼轨。 图2中，奥氏体晶粒内部的黑色条状物为变形滑移带，说明经过机械冲击高锰钢 奥氏体组织产生明显的塑性变形。
具体实施方式
实施例1 —个待冲击硬化处理高锰钢的具体化学成分为(wt-%) :C 1.21，Mn 13.4， Si 0. 51，P 0. 042;S 0. 033，其余为Fe。高锰钢试件的尺寸是厚度为30mm、面积为200X 200mm 的钢板，其固溶处理为加热到105(TC保温2h后水淬，获得单相奥氏体组织。将高锰钢试样 表面加热到290°C ，采用风镐冲击上述高锰钢试件表面，机械冲击处理时，冲击头与高锰钢 表面的压力为6MPa，风镐的冲击能量为60J，冲击频率为19HZ，每个处理对象点的冲击硬化 处理时间为15s，每个硬化点边缘距离为2mm。冲击硬化处理后高锰钢辙叉在空气中自然冷 却。经此处理的高锰钢辙叉的表面硬度为490HB，硬化层深度为12mm。冲击后试样表面比 较平整，没有局部下榻的现象，表面最高点与最低点的高度差为0. 5mm。
实施例2 —个被冲击硬化处理的高锰钢辙叉的具体化学成分为(wt-% ) :C 1. 13， Mnl3. 1， Si 0. 51，P 0.043，S 0.028，其余为Fe。该高锰钢辙叉的固溶热处理为加热到108(TC保温 4h后水淬，获得单相奥氏体组织。将高锰钢辙叉硬化表面加热到31(TC，采用风镐冲击上 述高锰钢试件表面，机械冲击处理时，冲击头与辙叉表面的压力为9MPa，风镐的冲击能量为 90J，冲击频率为19HZ，每个处理对象点的冲击硬化处理时间为20s，每个硬化边缘的距离 为4mm，冲击硬化处理后高锰钢辙叉在空气中自然冷却。经此冲击的高锰钢辙叉的表面硬度 为510HB，硬化层深度为18mm，冲击后辙叉表面比较平整，没有明显局部下榻的现象。这棵 高锰钢辙叉在铁路线路上进行实际试用，并且在运行过程中进行了跟踪测试，经过测试分 析这棵辙叉的使用寿命预计可以达到2. 6亿吨总过载量，比未经过机械冲击硬化的同质量 高锰钢辙叉的使用寿命可提高60%以上。
权利要求
一种高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法，其特征是(1)将高锰钢辙叉加热到1050～1100℃、保温2～4h后水淬，(2)将高锰钢辙叉表面加热到280～320℃，(3)采用风镐冲击上述高锰钢辙叉工作表面，风镐的冲击能量为50～100J，冲击频率为15～20HZ，冲击头与辙叉表面的压应力为5～10MPa，每个处理点的冲击硬化处理时间为10～30s。
2. 根据权利要求1所述的高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法，其特征是高锰钢辙叉 工作表面硬化区域每个冲击硬化点的形状可以是各种各样的。
3. 根据权利要求1或2所述的高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法，其特征是每个冲击硬化点区的边缘的距离小于5mm。
全文摘要
一种高锰钢辙叉机械冲击硬化加工方法，其主要是将高锰钢辙叉加热到1050～1100℃、保温2～4h后水淬，将高锰钢辙叉表面加热到280～320℃，采用风镐冲击上述高锰钢辙叉工作表面，风镐的冲击能量为50～100J，冲击频率为15～20Hz，冲击头与辙叉表面的压应力为5～10MPa，每个处理点的冲击硬化处理时间为10～30s。每个冲击硬化点区的边缘的距离小于5mm。高锰钢辙叉经过这种机械冲击硬化处理后表面硬度为470-520HB，硬化层深度为10mm以上，可使高锰钢辙叉的使用寿命提高60％以上，并且工艺简单、生产安全、成本极低。
文档编号C21D8/00GK101717847SQ200910227860
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者吕博, 张明, 张福成, 杨志南, 王天生, 钱立和 申请人:燕山大学