CN100999781A

CN100999781A - 高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺

Info

Publication number: CN100999781A
Application number: CN 200710061422
Authority: CN
Inventors: 张福成; 吕博; 刘辉; 徐安友
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2007-01-13
Filing date: 2007-01-13
Publication date: 2007-07-18

Abstract

本发明公开一种高锰钢辙叉表面爆炸硬化处理工艺。其特征是：采用塑性片状炸药，其成分为RDX，环氧树脂为粘结剂，乙二胺为固化剂及邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂。高锰钢辙叉应采用先进的冶金铸造技术制造，并进行充分的固溶处理；塑性片状炸药的铺设厚度为3mm，塑性片状炸药的边缘要制成10－30°的角度，爆炸次数为2次。高锰钢辙叉爆炸硬化处理分为两部分：心轨(4)部分，炸药铺设始于心轨理论尖端前心轨宽度为20mm处，长度为700－1000mm的范围内；翼轨(1)部分，需要爆炸部分长度方向一侧为直线，另一侧为折线，长度分别为300－350mm和450－500mm。第两次爆炸在宽度方向两侧分别后移2mm，在长度方向分别后移20mm，高锰钢辙叉经爆炸硬化处理后表面硬度为350－380HB，硬化层深度为30mm以上。爆炸硬化处理使高锰钢辙叉的使用寿命提高30％以上。

Description

高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺

技术领域

本发明涉及一种铁路线路上使用的高锰钢辙叉表面爆炸预硬化处理工艺，它是利用高锰钢具有优异的冷作硬化特性，利用爆炸产生的强烈冲击波使辙叉表面瞬间产生强烈的塑性变形，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用寿命。

背景技术

高锰钢由于其优异的加工硬化性能、较高的强度和韧度，从20世纪30年代开始，就一直用于制造铁路道岔的关键部件一辙叉。目前，我国制造的普通高锰钢辙叉的使用寿命(以过载量计)为1.5亿吨，美国和俄罗斯制造的普通高锰钢辙叉的使用寿命在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。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。

发明内容

本发明目的在于提供一种高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺，该工艺利用RDX塑性片状炸药对高锰钢辙叉表面进行爆炸硬化处理，本发明可大大提高高锰钢辙叉的使用寿命。

本发明的技术方案是：炸药是塑性片状炸药，其主要成分为RDX，俗称黑索金，用环氧树脂为粘结剂，用乙二胺为固化剂，邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂。爆炸硬化处理的铸造高锰钢辙叉必须具有优异的冶金和铸造质量，具有纯净和高致密的内部组织。因此，应采用先进的冶金铸造技术制造，如利用炉外精炼技术进行冶炼，并且利用V法真空造型工艺，合理设置冒口和冷铁的位置进行铸造。高锰钢辙叉爆炸处理前要进行充分的固溶处理，以获得单相奥氏体组织。爆炸硬化处理使用的塑性片状RDX炸药的厚度为3mm，爆炸次数为2次。高锰钢辙叉爆炸硬化处理分为两部分，即心轨和翼轨。对于心轨，炸药铺设始于心轨理论尖端前叉芯宽度为20mm处，长度为700-1000mm的范围内；对于两翼轨，需要爆炸部分长度方向一侧为直线，另一侧为折线，长度分别为300-350mm和450-500mm。第二次爆炸，炸药铺设位置与第一次炸药铺设位置在宽度方向两侧分别后移2mm，在长度方向分别后移20mm；塑性片状炸药边缘要制成10-30°的角度，以保证硬化区与非硬化区硬度平缓过渡。

本发明以实际高锰钢辙叉作为研究对象，在系统的研究炸药种类、炸药用法用量、爆炸次数、爆炸方式等的基础上，优化出最佳的实际铁路用高锰钢辙叉爆炸硬化处理技术，同时，深入研究了爆炸硬化高锰钢辙叉的力学性能。

在确定了炸药种类的前提下，从高锰钢辙叉爆炸后外观质量角度分析，炸药厚度过厚(比如5mm)，爆炸时炸药对材料的冲击力太大，尽管高锰钢的韧性很高，材料表面也将出现微裂纹，其内部也会出现沿奥氏体晶界的微观裂纹。然而，炸药厚度也不能太薄(比如2mm)，在爆炸时冲击力不够充分，不至于获得足够的硬化效果，因此，炸药厚度应该适中。3mm厚的炸药在实际生产中能够获得满意的硬化效果，并且炸药易于生产加工，因此，确定炸药厚度为3mm。高锰钢辙叉爆炸硬化处理后的金相组织(见图3)。从爆炸次数方面分析，爆炸一次效果最明显，但获得的硬化表层硬度较低(见图4)，爆炸三次时，辙叉表面十分粗糙，辙叉后续的加工量加大，而且实际使用性能表明，与爆炸两次相比爆炸三次的辙叉使用寿命仅仅提高2.5％，见表1。高锰钢辙叉经3次爆炸加工硬化后表面硬度达到410HB以上，其韧度降低为60J/cm²，经2次爆炸硬化处理后表面硬度达到380HB，其韧度为70J/cm²(见图5)，我国铁路部对辙叉材料韧度标准要求是韧度大于75J/cm²。可见，高锰钢辙叉经过3次爆炸硬化处理，将有由于韧度的不足，而产生硬化层脆性剥落的可能。因此，从实际使用安全考虑，确定爆炸两次为实际生产爆炸次数。

关于炸药铺设结构设计，为了使硬化与非硬化过渡区材料的硬度和组织结构均匀平缓过渡，避免梯度过大，造成辙叉在使用过程中出现过渡区的压溃下榻现象，甚至在此处由于变形的强烈不谐调而产生裂纹，将炸药的边缘加工成20°的角度(见图2)。同时，两次爆炸的炸药长度方向的设置要错位20mm，从而获得爆炸硬化过渡区硬度较为平缓过渡的硬度分布。

可以看出高锰钢辙叉经过爆炸硬化处理以后，获得较高的表面硬度和较深的硬化层，硬化层深度达到30mm以上(见图4)，这就提高了高锰钢辙叉抵抗车轮的摩擦磨损能力，降低了使用过程中的初期磨耗。同时，高锰钢辙叉爆炸硬化层强度大幅度提高，从没有爆炸硬化的高锰钢基体的屈服强度415MPa提高到780MPa，提高了88％。从而提高了材料的抗变形能力，同时，在硬化层30mm深度范围内材料的强度都得以提高，并呈梯度缓慢降低，从而避免了辙叉受重载车轮冲击和碾压而产生的塑性变形下榻现象的出现(见表1)。同时，由于硬化层有很好的韧性，辙叉表层材料基本达到了铁路标准规定的辙叉材料最低韧性的要求，内层有高韧性材料支撑和谐调(见图5)，保证了心轨具有足够的抵抗高速车轮的强烈冲击的作用，在使用中不会产生表层的脆性剥落现象。

高锰钢辙叉在使用过程中的失效形式是，初期的磨损和塑性变形以及后期的疲劳和剥落。因为，辙叉是受高速运转的车轮的反复碾压作用，其表层会产生滚动接触疲劳现象。我国生产的普通铸态高锰钢辙叉通常在过载量为8千万吨以后便开始产生疲劳剥落现象，剥落数量达到一定程度以后，要对高锰钢辙叉表面进行堆焊修复。众所周知，材料的疲劳强度与抗拉强度之间的关系是σ_-1＝0.35σ_b+12.2，可见提高材料的强度是提高其抗疲劳性能的最有效的方法，由于爆炸硬化大幅度提高了高锰钢辙叉亚表层的强度，因此，爆炸硬化提高了高锰钢辙叉的抗滚动接触疲劳寿命。

本发明的有益效果是，高锰钢辙叉经过爆炸硬化处理后表面硬度为350-380HB，硬化层深度为30mm以上。爆炸硬化处理使高锰钢辙叉的使用寿命提高30％以上。

附图说明

图1是高锰钢辙叉爆炸硬化处理炸药铺设位置示意图；

图2是高锰钢辙叉横截面炸药铺设位置示意图；

图3是爆炸硬化后高锰钢辙叉表面的显微组织；

图4是高锰钢辙叉爆炸硬化处理后亚表层硬度分布图；

图5是高锰钢辙叉爆炸硬化处理后硬化层硬度与韧度的关系曲线。

在图2中，1.翼轨，2.翼轨炸药层，3.心轨炸药层，4.心轨。

具体实施方式

实施例1

爆炸硬化处理高锰钢辙叉的具体化学成分为(wt-％)：C 1.21，Mn 12.3，Cu 1.5，V 0.11，N 0.058，Si 0.51，P 0.02；S 0.02，其余为Fe。为获得内部组织致密的铸造高锰钢辙叉，采用了新型冶炼铸造技术，获得冶金和铸造质量优异的高锰钢辙叉。高锰钢辙叉内不存在铸造宏观缺陷和夹杂，微观缺陷的水平应为1级辙叉的水平，硫化物和氧化物的等级标准高于4A和4B的水平。因为，前期初步试验结果表明，如果高锰钢辙叉内部，尤其是心轨4等需要爆炸硬化部分存在微气孔和夹杂等铸造缺陷，爆炸硬化处理后，这些铸造微观缺陷就会被显现出来，成为表面塌陷或者微观裂纹源，将严重影响辙叉的实际使用，严重的将使辙叉报废。为此，高锰钢辙叉的冶炼采用炉外精炼技术进行冶炼，它可使钢液中的氢含量降低40％，氧含量降低60％，从而减少铸造气孔和非金属夹杂物的含量，提高了铸件的致密性。利用V法真空造型工艺，合理设置冒口、冷铁的位置，改善了高锰钢辙叉的凝固组织。高锰钢辙叉的固溶处理为加热到1080℃保温3小时水淬，获得单相奥氏体组织。固溶处理后得到奥氏体组织为平均晶粒尺寸为0.23mm均匀的等轴晶，并且奥氏体晶界及晶内不存在未溶碳化物。

使用塑性片状炸药，其主要成分为RDX(俗称黑索金)，环氧树脂为粘结剂，乙二胺为固化剂及邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂。炸药的爆速为7600m/s，用电雷管引爆。辙叉铺设炸药前表面需经过打磨或抛光。炸药的厚度为3mm，爆炸次数为2次。辙叉的工作表面分为两部分，即心轨4和翼轨1，所以这两部分都需要进行爆炸硬化处理。考虑到辙叉的实际使用情况，试验时炸药的设置为：对于心轨4，炸药铺设始于心轨理论尖端前叉芯宽度为20mm处，长度为742的范围内，炸药宽度已包含心轨4两侧圆弧长度。第一次炸药铺设延伸至圆弧根部，再次起爆宽度尺寸在前一次爆炸硬化的基础上宽度方向两侧分别后移2mm，长度方向分别后移20mm。对于两翼轨1，长度方向一侧为直线，第一次炸药长度770mm，另一侧为折线，长度分别为318和452mm，炸药制成为一整体，只是中间有一个折点，两端均留有过渡段，非工作边侧炸药铺设至加工面边缘(见图1、图2)。

经此爆炸的高锰钢辙叉的表面硬度为380HB，硬化层深度为35mm，爆炸后辙叉表面比较平整，没有局部下榻的现象，实际在铁路线路上使用，过载量达2.2亿吨。

实施例2

爆炸硬化处理高锰钢辙叉的具体化学成分为(wt-％)：C 1.23，Mn 13.5，Si 0.56，P 0.023，S 0.008，其余为Fe。所采用的冶炼铸造技术同实施例1。辙叉的热处理工艺为加热到1050℃保温3小时水淬，获得单相奥氏体组织。所采用的炸药及其设置方式也同实施例1。经此爆炸的高锰钢辙叉的表面硬度为370HB，硬化层深度为33mm，爆炸后辙叉表面比较平整，没有局部下榻的现象，实际在铁路线路上使用，过载量达2.亿吨。

表1高锰钢辙叉爆炸硬化处理后实际使用情况

爆炸次数	不同过载量时辙叉表面下榻量(mm)			使用寿命(×10⁹t)
	不同过载量时辙叉表面下榻量(mm)				1千万吨	5千万吨	10千万吨
	0	2.6	3.8		1千万吨	5千万吨	10千万吨	4.8	1.45
1	0	2.6	3.8	0.9	2.0	2.9	1.85	4.8	1.45
1	2	0.7	1.5	0.9	2.0	2.9	1.85	2.0	2.00
3	2	0.7	1.5	0.7	1.4	2.0	2.05	2.0	2.00

Claims

1.一种高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺，其特征是：该工艺的步骤如下：

a.采用塑性片状炸药，其主要成分为RDX，俗称黑索金；环氧树脂为粘结剂，乙二胺为固化剂，邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂；

b.选用获得冶金和铸造质量优异的高锰钢辙叉，处理前高锰钢辙叉进行固溶处理；

c.爆炸硬化处理选取的塑性片状炸药的厚度为3mm，塑性片状炸药铺设边缘与高锰钢辙叉表面的角度α＝10-30°，非工作边侧炸药铺设至加工面边缘，爆炸硬化处理次数为2次；

(1)第一次爆炸硬化处理，高锰钢辙叉爆炸硬化处理分为心轨(4)和翼轨(1)两部分，心轨(4)部分，塑性片状炸药铺设始于心轨理论尖端前心轨宽度为20mm处，长度为700-1000mm的范围内；两翼轨(1)部分，需要爆炸部分长度方向一侧为直线，另一侧为折线，长度分别为300-350mm和450-500mm；

(2)第二次爆炸硬化处理，塑性片状炸药铺设位置与第一次炸药铺设位置在宽度方向两侧分别后移2mm，在长度方向分别后移20mm；

d.高锰钢辙叉经过爆炸硬化处理后表面硬度为350-380HB，硬化层深度为30mm以上，爆炸硬化处理使高锰钢辙叉的使用寿命提高30％以上。

2.根据权利要求1所述的高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺，其特征是：所述固溶处理，是高锰钢辙叉经过固溶处理后得到奥氏体组织为平均晶粒尺寸小于0.25mm均匀的等轴晶，即奥氏体晶粒等级小于等于1级，并且奥氏体晶界及晶内不存在未溶碳化物。

3.根据权利要求1所述的高锰钢辙叉表面爆炸硬化工艺，其特征是：所述获得冶金和铸造质量优异的高锰钢辙叉，是高锰钢中的有害元素P＜0.04％，S＜0.03％；铸件内不存在铸造宏观缺陷和夹杂，微观缺陷的水平应为1级辙叉的水平，硫化物和氧化物的等级标准高于4A和4B的水平。