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】
[0001] 本发明技术属于材料科学与工程技术领域，特别设及一种徹叉的制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。 铁路徹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，美国全境的铁路徹叉均采用高儘钢制造，我国也有大约Ξ分之二采用高儘 钢。但是，普通成分的高儘钢经水初处理后基体硬度值仅有皿210左右，因此在徹叉的初始 服役阶段，高儘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，高速重载铁路对徹叉材料的强度和初始硬度提出更高的要求。
[0003] 自化壯ield发明的高儘钢被用于电车徹叉W来，为满足不同的使用需求，各国的 材料科学工作者对高儘钢的再合金化进行了大量的研究。例如，美国在普通高儘钢的基础 上添加4%化、3.6%Ni和0.4%V，并将钢中的C含量降低至0.85%，经试验，该成分的高儘钢 徹叉的使用寿命较普通高儘钢徹叉有了大幅提高，然而运种高儘钢中含有大量的贵重金属 Μ和V，大大提高了高儘钢徹叉的生产成本;加拿大利用合金元素 V对高儘钢进行再合金化 处理，发现当高儘钢中添加2%的V元素时，其耐磨性能最佳，可W达到普通高儘钢耐磨性的 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，从而破坏高儘钢的综合力学性能;法国利用1.0-1.8%的Mo对高儘钢进行再 合金化处理，结果显示，处理后高儘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徹叉专用高儘钢，其 化学成分为wt%:C 1.0-1.2，Mn 11-13，N 0.04-0.08，Cr 1.5-2.5，Cu 0.8-1.0，Re 0.Ι? ο.3。热处理工艺为，加热到1000-1100°C 保溫后水泽，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。
[0004] 高儘钢徹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。高儘 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徹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 铁路徹叉的初期抗磨和抗变形能力，人们开始研究对高儘钢徹叉的使用表面，尤其是屯、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 丸和键击使高儘钢的硬化层较浅其效果不明显，满足不了铁路徹叉的使用要求，所W对于 高儘钢徹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。
[0005] 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 获得运方面的第一个专利化S2703297)，很快运个研究成果于上世纪60年代被应用于实际 铁路徹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运方面的研 究，并且开发了几项专利技术，如GB2172234、GB910076、肝61157657和CN85103847等。爆炸 硬化是快速实现高儘钢徹叉表面硬化效率最高的工艺手段。高儘钢徹叉表面的爆炸硬化处 理可W提高徹叉表面的硬度，减少服役初期阶段的磨损量，大大提高高儘钢徹叉的使用寿 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溫度对硬化效果的影响研究较少。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种生产成本低、易于生产、能够提高高儘钢表面强度，增 强耐磨性的含氮高儘钢高速重载铁路徹叉的爆炸硬化处理方法。本发明只有是对传统高儘 钢进行化、N再合金化，适当降低高儘钢中的C含量，利用固溶强化和细晶强化效应提高高儘 钢徹叉的初始强度，和加工硬化能力，再对含氮高儘钢徹叉表面进行两次爆炸硬化处理，使 高儘钢徹叉获得了更高的表面硬度和更深的硬化层。
[0007] 本发明的高速重载铁路徹叉用含氮高儘钢，它的化学成分重量百分比为:。0.75- 0.95、Mn: 11.0-13.0、吐：1.0-1.4、N:0.04-0.07、A1:0.2-0.5、Si:0.1-0.5、P: ^0.02、S: ^ 0.02,其余为化。
[0008] 含氮高儘钢高速重载铁路徹叉的爆炸硬化处理方法：
[0009] (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铭 铁对高儘钢中的Cr和N元素含量进行控制，并且，钢中氮与儘、铭含量之间的关系必须满足 [%N]<〇.021 ([%Cr]+0.9[%Mn] )-0.204关系公式；
[0010] (2)用脂硬化造型工艺制造高儘钢徹叉铸造型腔，利用常规高儘钢徹叉诱注工艺 铸造成含氮高儘钢徹叉；
[0011] (3)将含氮高儘钢徹叉加热到1100-115(TC保溫2-地后进行固溶处理，再将铸造高 儘钢徹叉加热到200-250°C保溫3-化进行时效处理；
[001^ (4)将含氮高儘钢徹叉屯、轨上宽15-80mmW及翼轨上车轮跨越屯、轨段、长度为0.8- 1.2米徹叉的顶面打磨光亮，采用厚度为2.5mm的常规成分黑索金(RDX)塑性片状炸药对徹 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儘钢徹叉加热到70°C保溫化W 上，然后进行爆炸硬化处理;第二次爆炸前将高儘钢徹叉冷却到-30°C保溫化W上，然后进 行爆炸硬化处理。
[0013] (5)对爆炸硬化处理后的含氮高儘钢徹叉加热到180-220°c保溫2-4h后空冷到室 溫W达到去除应力的目的。
[0014] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0015] 1、本发明中高儘钢的初始硬度和加工硬化能力较普通高儘钢有了很大程度的提 局；
[0016] 2、钢中不包含贵重金属元素，生产成本低；
[0017] 3、该含氮高儘钢系常压条件下冶炼，实际生产中更容易实现；
[0018] 4、含氮高儘钢徹叉加热至70°C后进行爆炸硬化，可促进位错运动，获得较深的硬 化层，含氮高儘钢徹叉冷却至-30°C进行爆炸硬化，易于在表面形成超细李晶，提高高儘钢 表面强度，增强耐磨性。
[0019] 5、爆炸硬化含氮高儘钢徹叉表面硬度为380-400皿，硬化层深度为30mmW上;其使 用寿命比普通铸造高儘钢徹叉提高2倍W上，平均过载量达到3.8亿吨W上。
【附图说明】
[0020] 图1是本发