具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

根据背景技术所述，现有的预硬化方法如爆炸硬化处理、机械冲击硬化处理等，工艺过程不易控制，极易对钢制工件造成损伤，且不能处理表面形状复杂的钢制工件，如具有曲面、内孔等结构的钢制工件。

有鉴于此，本发明实施例中提供了一种钢的高效预硬化方法及钢制工件，所述方法包括：获取待处理钢制工件；对所述待处理钢制工件进行第一阶热处理，将所述待处理钢制工件加热至第一硬化温度，以使所述待处理钢制工件基于膨胀应变梯度产生应变硬化；对第一硬化温度下的待处理钢制工件进行第二阶热处理，将所述待处理钢制工件快速降温至第二硬化温度，以使所述待处理钢制工件基于收缩应变梯度产生应变硬化。

可以看出，通过热处理的方式实现钢制工件的预硬化，在提高钢制工件的初始硬度的同时，能够降低对钢制工件的损伤，且能够适应表面形状复杂的钢制工件。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种钢的高效预硬化方法，参考图1所示的一种钢的高效预硬化方法的可选流程图，所述方法包括：

步骤S10：获取待处理钢制工件；

其中，所述待处理钢制工件可以为铁路辙叉、板锤、斗齿、衬板等。所述待处理钢制工件的材料为高锰奥氏体钢，也可以为其他材料，例如含高锰奥氏体钢的复合钢等，需要说明的是，所述待处理钢制工件的材料具有高的应变硬化特性，从而可以基于该待处理钢制工件在升温或降温过程中产生的应变梯度，进一步产生应变硬化，进而使得待处理钢制工件的硬度得到提高。

在一个可选的示例中，所述待处理钢制工件的材料为高锰奥氏体钢，所述高锰奥氏体钢的初始组织中的奥氏体含量大于或等于50％。

可以理解的是，在钢制工件出厂前，或钢制工件出厂后且使用前，需要进行钢制工件的预硬化处理。

步骤S11：对所述待处理钢制工件进行第一阶热处理，将所述待处理钢制工件加热至第一硬化温度；

其中，在加热至所述第一硬化温度的过程中，所述待处理钢制工件产生膨胀应变梯度，并基于所述膨胀应变梯度，产生应变硬化。

具体的，在将所述待处理钢制工件加热至第一硬化温度的过程中，由于待处理钢制工件内外温度差，在待处理钢制工件的内部会产生相应的热应力，从而产生膨胀应变梯度，基于所述待处理钢制工件的材料具有高应变硬化特性，使得待处理钢制工件内部能够在该膨胀应变梯度下产生微变形，从而形成多种晶格缺陷，例如位错等，进而产生应变硬化现象。

其中，在第一阶热处理的过程中，升温速度越快，产生的热应力越大，相应的应变硬化现象越突出，待处理钢制工件的硬度提升越快。在本发明实施例中，所述升温速度可以大于或等于3℃/s。

在待处理钢制工件的材料为高锰奥氏体钢时，基于高锰奥氏体钢热导率低，膨胀系数高。在快速加热的过程中，钢制工件的表层和心部会产生较大温差，进而可以在钢制工件的内部进一步产生较大的热应力，而基于高锰奥氏体钢的优异的应变硬化能力，可以进一步产生更加突出的应变硬化现象，进而形成更好的钢制工件的预硬化效果。

可以理解的是，形成钢制工件的材料中，通常含有一定量的碳，在高于一定温度时，钢制工件中的碳会以碳化物形式析出，该温度可以称为碳化物析出温度。在高于碳化物析出温度时，钢制工件中会逐渐析出碳化物，从而显著降低钢制工件的特性，如塑性、韧性。

发明人发现，钢制工件在温度高于碳化物析出温度时，才会产生显著的应变硬化。然而，在本发明实施例中，所述待处理钢制工件的材料中同样包含碳，且在温度高于碳化物析出温度时也会产生碳化物析出现象。发明人进一步分析后认为，快速升温能够在较短时间内产生足够的热应力，保证待处理钢制工件产生应变硬化，同时可以避免出现碳化物析出现象。

具体的，在执行所述第一阶热处理的过程中，所述第一硬化温度可以大于或等于所述待处理钢制工件的碳化物析出温度，同时，所述第一阶热处理过程中，升温速度大于或等于3℃/s。可选的，所述升温速度可以进一步大于或等于50℃/s、100℃/s、150℃/s、200℃/s或300℃/s。

在一个具体的示例中，所述第一硬化温度可以为300℃～900℃，包括端点值，例如500℃、700℃；所述升温速度为3℃/s～500℃/s，包括端点值，例如，所述升温速度可以为250℃/s、400℃/s。

所述第一阶热处理对所述待处理钢制工件的加热深度可以大于或等于0.1mm，所述加热深度，指的是沿钢制工件表面至钢制工件内部方向的加热距离。其中，待处理钢制工件的加热深度可以限制在一定的范围内，例如0.5mm、1mm等，也可以将待处理钢制工件整体完全加热。

所述第一阶热处理的加热工艺为感应热工艺、直流电加热工艺或火焰加热工艺，本发明在此不做具体的限定。

步骤S12：对第一硬化温度下的待处理钢制工件进行第二阶热处理，将所述待处理钢制工件降温至第二硬化温度；

在降温至所述第二硬化温度的过程中，所述待处理钢制工件产生收缩应变梯度，并基于所产生的收缩应变梯度，产生应变硬化；

在将所述待处理钢制工件降温至第二硬化温度的过程中，由于待处理钢制工件内外温度差，待处理钢制工件的内部会产生相应的热应力，从而产生收缩应变梯度，基于所述待处理钢制工件的材料具有高应变硬化特性，使得待处理钢制工件内部能够在该收缩应变梯度下产生微小变形，从而形成多种晶格缺陷，例如位错等，进而产生应变硬化现象。

其中，在第二阶热处理的过程中，降温速度越快，产生的热应力越大，相应的硬化现象越突出，待处理钢制工件的硬度提升越高。在本发明实施例中，所述降温速度可以大于或等于5℃/s。

在待处理钢制工件的材料为高锰奥氏体钢时，基于高锰奥氏体钢热导率低，膨胀系数高。在快速冷却的过程中，钢制工件的表层和心部会产生较大温差，进而可以在钢制工件的内部进一步产生较大的热应力，而基于高锰奥氏体钢的优异的应变硬化能力，可以进一步产生更加突出的应变硬化现象，进而形成更好的钢制工件的预硬化效果。

具体的，在执行所述第二阶热处理的过程中的降温速度大于或等于5℃/s。可选的，所述降温速度可以大于或等于50℃/s、100℃/s、150℃/s或200℃/s。

需要说明的是，在快速降温的过程，要考虑钢制工件的马氏体相变。为避免待处理钢制工件的材料产生马氏体相变，降低材料韧性，所述第二硬化温度可以大于或等于所述待处理钢制工件的马氏体相变温度。在一个具体的示例中，所述第二硬化温度可以为-150℃～250℃，包括端点值，例如-100℃、-50℃、0℃、100℃、200℃等。

可以看出，本发明实施例通过热处理的方式实现钢制工件的预硬化，工艺过程易于控制，从而能够在提高钢制工件的初始硬度的同时，避免对钢制工件造成损伤。

需要说明的是，在本发明实施例提供的预硬化方法中，在提高了钢制工件的初始硬度的同时，并未损伤钢制工件的塑性和韧性。这主要是由于硬化主要是在高温段产生，高温下生成的位错具有更高的可动性，在提高强度的同时，并未造成塑性和韧性的降低。

在本发明的实施例中，参考图2所示的另一钢的高效预硬化方法的可选流程图，所述预硬化方法还可以进一步包括：

步骤S13：循环执行所述第一阶热处理和所述第二阶热处理，直至所述待处理钢制工件的初始硬度达到预设值。

通过多次循环执行第一阶热处理和第二阶热处理，逐步增大待处理钢制工件的初始硬度，直至待处理钢制工件的初始硬度达到预设值。

需要说明的是，在多次循环的过程中，前一循环的应变硬化会被后一循环的快速加热过程所影响。具体的，后一循环的快速加热过程可能会使得前一循环产生的缺陷(例如位错)产生回复行为，同时，也可能会使得前一循环产生的缺陷产生增殖行为。因此，在确定具体的循环次数时，要根据初始硬度的变化趋势确定。

在一个可选的示例中，循环执行所述第一阶热处理和所述第二阶热处理的次数可以通过试验确定。具体的，可以首先基于待处理钢制工件样品进行试验，并测试每次循环后的所述待处理钢制工件的初始硬度，从而可以得到初始硬度的变化曲线，进而基于该变化曲线和预期的预设值确定循环次数。

为提高循环过程中待处理钢制工件的初始硬度具有较高的增长趋势，本发明实施例中还可以进一步设置前一循环的降温速度小于或等于后一循环的降温速度。

所述预设值可以根据实际的应用需求进行设定，例如表面硬度大于或等于250HV，或者大于或等于300HV等，本发明在此不做具体的限定。

需要说明的是，在本发明实施例中的温度，如无特别说明，均指表面温度。例如，所述第一硬化温度、第二硬化温度，均指待处理钢制工件的表面温度。

本发明实施例通过热处理的方式实现钢制工件的预硬化，在提高钢制工件的初始硬度的同时，能够降低对钢制工件的损伤，且能够适应表面形状复杂的钢制工件。

可以看出，本发明实施例通过循环的方式多次执行钢制工件的预硬化工艺，能够进一步强化待处理钢制工件的初始硬度，以使的待处理钢制工件的初始硬度达到要求。

本发明实施例还提供了一种预硬化方法，参考图3所示的又一钢的高效预硬化方法的可选流程图，所述方法包括：

步骤S20：获取待处理钢制工件；

步骤S20的具体说明请参考图1所示的步骤S10关于获取待处理钢制工件的描述，在此不再赘述。

步骤S21：对所述待处理钢制工件进行水韧处理；

通过对所述待处理钢制工件进行水韧处理，以使待处理钢制工件的组织转变为单一的奥氏体组织，保证待处理钢制工件具有高的韧性。

所述水韧处理的具体过程可以包括：将处理钢制工件加热至所述处理钢制工件的奥氏体区温度，保温之后，水淬处理降温至室温。其中，所述奥氏体区温度可以为1000℃～1150℃，包括端点值。

步骤S22：对所述待处理钢制工件进行第一阶热处理，将所述待处理钢制工件加热至第一硬化温度；

在加热至所述第一硬化温度的过程中，所述待处理钢制工件产生膨胀应变梯度，并基于所述膨胀应变梯度，产生应变硬化；

步骤S22的具体说明请参考图1所示的步骤S11关于对所述待处理钢制工件进行第一阶热处理的描述，在此不再赘述。

步骤S23：对所述待处理钢制工件进行保温处理，使所述待处理钢制工件在第一硬化温度下保持预设时间，以强化所述应变硬化。

其中，通过在第一硬化温度下保持预设时间，可以使得热应力产生的硬化更加充分，提高硬化深度，并进一步提高待处理钢制工件的初始硬度。

需要说明的是，在第一硬化温度高于碳化物析出温度时，温度越高，越容易产生碳化物析出，因此，本步骤中的预设时间通常较短。在一个可选的实现中，预设时间可以小于或等于120s。

在一个可选的示例中，可以设置所述第一硬化温度为400℃～700℃，包括端点值，相应的，所述预设时间为1s～15s，包括端点值。

步骤S24：对第一硬化温度下的待处理钢制工件进行第二阶热处理，将所述待处理钢制工件降温至第二硬化温度；

在降温至所述第二硬化温度的过程中，所述待处理钢制工件产生收缩应变梯度，并基于所述收缩应变梯度，产生硬化；

步骤S24的具体说明请参考图1所示的步骤S12关于对第一硬化温度下的待处理钢制工件进行第二阶热处理的描述，在此不再赘述。

步骤S25：循环执行所述第一阶热处理和所述第二阶热处理，直至所述待处理钢制工件的初始硬度达到预设值；

其中，在本步骤中，还在所述第一阶热处理和所述第二阶热处理之间执行所述保温处理步骤，即，循环执行步骤S22～S24，直至所述待处理钢制工件的初始硬度达到预设值。

并且，为提高循环过程中待处理钢制工件的初始硬度具有较高的增长趋势，本法实施例中所述循环执行步骤S22～S24的过程中，前一循环的保温处理的预设时间大于或等于后一循环的保温处理的预设时间。

在一个可选的示例中，步骤S25中的循环次数可以为1～4次，例如，循环2次。

在本发明实施例中，通过在第一硬化温度下保持预设时间，以使得热应变产生的应变硬化更加充分，进一步提高了待处理钢制工件的初始硬度。

在本发明实施例中，进一步给出了3个具体的示例：

示例1：

在本示例中，待处理钢制工件采用普通高锰奥氏体钢材料，主要化学成分(wt.％)为C：1.05、Si：0.30、Mn：13.05，其余为铁及其他杂质。首先，对待处理钢制工件进行常规水韧工艺处理：加热至1050℃后，水冷降温至室温。此时高锰钢的硬度为220HV，基体抗拉强度820MPa，延伸率42％。接着，采用感应热处理方式，以35℃/s的加热速度将待处理钢制工件表面加热至500℃，保温3s，之后，水冷至室温，平均降温速度为80℃/s。之后，循环执行一次加热和降温处理：将待处理钢制工件进行加热，直至表面温度到达500℃，保温1s，然后水冷至室温，平均降温速度为90℃/s。经过上述工艺处理后，参考图4所示的待处理钢制工件的显微硬度曲线，待处理钢制工件表面硬度为305HV，表面以下15mm的硬度为260HV，18mm位置硬度降至基体硬度220HV，表层硬化层的抗拉强度为980MPa，延伸率48％。

可以看出，经过本发明实施例中的预硬化处理后，待处理钢制工件的表面硬度得到加强，表面抗拉强度和延伸率也得到提升。

示例2：

在本示例中，待处理钢制工件采用普通高锰奥氏体钢材料，主要化学成分(wt.％)为C：1.05、Si：0.30、Mn：13.05，其余为铁及其他杂质。首先，对待处理钢制工件进行常规水韧工艺处理：加热至1050℃，水冷降温至室温。此时高锰钢的硬度为220HV，基体抗拉强度820MPa，延伸率42％。采用直流电加热方式，以80℃/s的加热速度将待处理钢制工件表面加热至700℃，保温3s，然后吹氦气冷却至室温，平均降温速度为50℃/s。之后，循环执行一次加热和降温处理：将待处理钢制工件进行加热，直至表面温度达550℃，保温1s，然后水冷至室温，平均降温速度为200℃/s。经过上述工艺处理后，待处理钢制工件表面硬度为330HV，表面以下10mm的硬度为280HV，21mm位置硬度降至基体硬度220HV，表层硬化层的抗拉强度为1010MPa，延伸率43％。

同样的，经过本发明实施例中的预硬化处理后，待处理钢制工件的表面硬度得到加强，表面抗拉强度和延伸率也得到提升。

示例3：

在本示例中，待处理钢制工件采用合金化高锰奥氏体钢材料，主要化学成分(wt.％)为C：1.15、Si：0.44、Mn：11.8％、Cr：0.6，其余为铁及其他杂质。首先，对待处理钢制工件进行常规水韧工艺处理，加热至1080℃后，水冷降温至室温。此时高锰钢的硬度为240HV，基体抗拉强度855MPa，延伸率38％。接着，采用火焰加热方式，以110℃/s的加热速度将待处理钢制工件表面加热至450℃，保温10s，之后，冰水冷却至室温，平均降温速度为130℃/s。经过上述工艺处理后，参考图5所示的待处理钢制工件的显微硬度曲线，待处理钢制工件表面硬度为290HV，表面以下10mm的硬度为265HV，16mm位置硬度降至基体硬度240HV，表层硬化层的抗拉强度为930MPa，延伸率41％。

可以看出，经过本发明实施例中的预硬化处理后，待处理钢制工件的表面硬度得到加强，表面抗拉强度和延伸率也得到提升。

在本发明实施例中，所述预硬化方法工艺简单、安全、快捷、高效，且相比于爆炸硬化处理、机械冲击硬化处理，本发明实施例的预硬化方法成本更低，且绿色环保，且不受零钢制工件硬化面形状限制。

在本发明的一个实施例中，还进一步提供了一种钢制工件，所述钢制工件采用上述预硬化方法制作得到。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。