高锰钢铁路辙叉热处理工艺的改进

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高锰钢辙叉是目前我国铁路运输中的主要工务部件，它型号繁多，铺设遍及全国。近几年来，铁路的几次大提速，对这种部件的使用性能与寿命提出了更高的要求，各生产厂家也在努力提高质量，以满足更高的要求。
3 k! B; w" d& f! {9 t' Q过去某厂在生产高锰钢辙叉过程中，由于没有充分认识到高锰钢的特性，没有真正搞清其导热等性能对这类件热处理过程的影响，长期以来制定的热处理工艺不合理，致使裂纹废品频繁发生，此项废品率达15％左右，给企业带来较大损失。
1.裂纹废品情况及初步分析
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产生裂纹的高锰钢辙叉数量与其在热处理窑中的摆放位置及排序(见图1)有关。我们选择有代表的10窑110件辙叉进行热处理后统计的废品情况见表1，共有14件裂纹废品，其废品率为12.7％。易发生裂纹废品的叉位集中在上部和边缘，因为这些叉位距火口近，受热义急又快，升温较快。
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裂纹产生的部位及其特性见表2。裂纹形状见图2。可以看出，产生的都是横裂纹。裂纹多发生在结构上应力集中处，裂纹的宽度和长度都比较接近，属同一类型，应属同一原因所致。从15～25mm不同的结构厚度中均产生相同裂纹，也可说明这些裂纹基本由同一原因引起。对产生裂纹的辙叉取样进行金相检验，其组织为奥氏体和极少量的碳化物，碳化物的数量与形状在国标允许的范围内。这说明裂纹并未产生在水淬阶段，而是产生在热处理的升温阶段。
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2.原热处理工艺
我厂过去对高锰钢辙叉进行热处理，根据热处理窑的冷热情况及水爆后辙叉的温度高低，同时执行三种工艺，现场操作者依据实际情况选择其中一种工艺来执行。三种工艺分别是热辙叉热窑(冷窑)工艺、冷辙叉热窑工艺和冷辙叉冷窑工艺。三种工艺的工艺曲线如图3所示。

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表3为原三种热处理工艺的废品分布。可见，根据炉况及辙叉的残留温度，所选择的热处理工艺应用后都不同程度地产生了裂纹废品，尤其是冷辙叉热窑工艺废品率更高。

3.产生裂纹原因分析
' C& T/ {! A% d& @) J与碳钢件相比，高锰钢件的导热能力很差，其导热系数仅为碳钢的1/4～1/6，导致其在热处理的加热或冷却过程中不同部位大的温差，这样会在件内产生巨大的热应力。
装炉时炉温与铸件的温差是影响裂纹产生的一个重要因素。因铸态的铸件内部存在着较大的内应力，如果因温差造成的热应力和内应力相加大于铸件在这个温度的强度时，铸件就会开裂。因高锰钢在加热和冷却过程，辛存在较大的热应力，加大了开裂的几率。
对于原热处理中的热辙叉热窑(冷窑)工艺，如果装入同一窑的所有辙叉的装窑温度基本与窑温一致，则这种工艺可以节约能源，提高效率。但实际生产中这些辙叉的装窑温度并不与窑温一致，而且相差较大，这主要是因为：
(1)不同炉次的辙叉，开箱水爆后要装到同一窑中进行热处理。由于两炉间隔至少3h，所以装在同一窑中的辙叉的初始温度不同。
/ S! g) d. m) Q(2)由于连续生产，偶然事件义很多，每天热处理窑的温度也不尽相同。
(3)季节性的温度变化，导致辙叉与热处理窑的温度变化较大。
9 b+ L9 P1 o- r# {(4)因在窑内的排序不同，辙叉离火口远近不同造成一定的温差。这样使得同一窑的辙叉与炉窑存在较大温差，加之加热时升温速度较大，高锰钢件导热性能差，致使辙叉内部产生较大的热应力，在随后的水韧处理的急剧冷却中或前期升温时发生开裂，产生厂较多的裂纹废品(见表3)。
( U+ [# q* `0 S/ ]3 ]/ V6 l冷辙叉热窑工艺和冷辙叉冷窑工艺装窑时，辙叉温度较低(常温)，针对这样常温辙叉采用的两种工艺仍存在前期均温不够、保温时间短、升温起点高(分别是400℃和200℃)、升温快(分别是每小时160℃和90℃)，辙叉仍处于急热状态，即升温曲线起点与辙叉和炉窑起始温度存在较大温差的实际情况仍显较高，水韧处理后造成了一定数量的裂纹废品(见表3)。
& I. j% u& v8 O4 J: J) X$ K4.改进后的热处理工艺与效果
1 q5 s4 Y7 v  c+ m8 a4 F改进后的热处理工艺曲线见图4。新工艺分为两种：冷辙叉处理和热辙叉处理。冷辙叉装窑温度降至室温，热辙又装窑温度降至150℃。而且这两种工艺辙叉入炉后都要闲置均温1.0～1.5h后再升温，在650℃以下升温速度限制在100℃/h以下。这样做的目的就是为了减小辙叉与炉窑在装窑时以及随后加热过程中的温差，避免在内部产生较大的热应力，及由此造成的开裂现象的发生。

  I. v  w6 h: z" ~) l8 [8 U2 R改进后的辙叉热处理工艺，分步骤进行了连续性生产试验，每一步两窑，视结果好坏来调整下一窑是否调整工艺。共连续试验了14窑次，其中热辙叉B起点12窑次，生产辙叉132件，合格品132件，废品0件；冷辙叉A起点2窑次，生产辙叉22件，合格品22件，废品0件。根据生产的实际情况，以辙叉为主体的A、B两起点热处理工艺的试应用均获得100％，的成功。即使仍存在辙叉离火口远近不同造成一定温差的现象，但并未发现裂纹废品。在后来的实际生产中，执行了新的热处理工艺，未在发生上述的裂纹废品，从而提高了产品合格率，降低了生产成本，同时也提高了生产效率。
5.结语
针对高锰钢辙叉导热性能差、加热过程中易产生较大的热应力和实际生产中辙又与炉窑的起始温度不同一(不同温辙叉的混装等)等现象，降低了水韧处理加热的起始温度和升温速度，并在入炉时保温一定时间，消除了辙叉裂纹废品。