重載鐵路用高強耐磨合金護軌研究

梁　旭,周清躍,劉豐收,張銀花

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081)

大秦鐵路是我國重要的運煤通道，現(xiàn)已大量開行1萬，1.5萬和2萬t重載列車，并完成了牽引總重為3萬t的重載列車運行試驗，形成了大運量、高密度的重載鐵路運輸模式[1]。這種運輸模式加快了鋼軌、道岔及其部件的傷損，直接影響道岔護軌的使用壽命。

道岔護軌是固定式轍叉道岔的重要部件[2]。其主要作用是覆蓋轍叉的“有害空間”，減少岔心軌的磨耗和損傷，從而提高道岔的整體使用壽命。護軌工作面承受與車輪輪背的巨大摩擦力，主要傷損形式為工作面磨耗。因此，提高工作面的硬度對于延長護軌的使用壽命有顯著的作用[3]。

我國目前通常采用U75V鋼經軋制和軌頭熱處理后制成槽型護軌(簡稱淬火護軌)。在淬火護軌的生產和使用過程中存在的主要問題有：①非對稱異型斷面的淬火護軌在熱處理過程中易發(fā)生扭曲變形[4]；②各生產廠家離線熱處理工藝的設備和工藝存在差異，淬火護軌的質量穩(wěn)定性較差，甚至存在不合格產品上道使用；③采用不合格鋼坯軋制生產的槽型護軌經熱處理后，硬度常常偏低，導致耐磨性差而頻繁更換，增加了養(yǎng)護維修的工作量和成本。

為此，本文開展了免熱處理的高強耐磨合金護軌(簡稱合金護軌)用鋼的實驗室研究，經全尺寸試制后在大秦鐵路上道試鋪，并與淬火護軌對比研究其性能。

1　合金護軌用鋼的實驗室試制

為制造合金護軌用的鋼材料，根據(jù)多輪實驗室試制的結果，綜合考慮強硬度、塑韌性、合金成本等因素，設計了11#試驗鋼，其化學成分、力學性能和組織結構見表1，晶粒度、金相組織和珠光體片層精細組織結構如圖1所示，珠光體片層間距如圖2所示。

由實驗室測試的結果可見，11#試驗鋼的抗拉強度達到1 280 MPa級，布氏硬度在360 HB以上，同時其塑韌性與鋼軌用980 MPa級普通熱軋鋼基本相當[5]；珠光體片層間距和晶粒度都比較細，適當含量V元素的加入使珠光體片出現(xiàn)了破碎的情況，這在一定程度上也提高了材料的韌性；這些均說明，11#試驗鋼具備較佳的強韌性配合。

表1　11#試驗鋼的成分、力學性能和組織結構

圖1　11#試驗鋼的晶粒度、金相組織及珠光體片層精細組織

圖2　通過原子力顯微鏡測量11#試驗鋼的珠光體片層間距

2　合金護軌的全尺寸試制

在成功研制出11#試驗鋼的基礎上，開展合金護軌的全尺寸試制。采用非萬能孔型生產工藝軋制出定尺長度為12.5 m的槽型合金護軌，具體的生產工藝流程為：電爐冶煉→模鑄→鍛造開坯→方坯孔型軋制→矯直→探傷。

合金護軌的化學成分、力學性能和組織結構見表2，全斷面低倍檢驗和硬度及工作面金相組織如圖3所示。

由合金護軌的試制結果可見，其抗拉強度達1 298 MPa，工作面的洛氏硬度達40.5 HRC，布氏硬度達385 HB，且全斷面的硬度分布均勻，距工作面25 mm處的洛氏硬度在37.0 HRC以上；合金護軌的全斷面顯微組織均為細片狀的索氏體組織。

表2　合金護軌的成分、力學性能和組織結構

圖3合金護軌的全斷面低倍檢驗和硬度及工作面金相組織

將合金護軌與某局屬道岔廠及某橋梁廠送檢淬火護軌的硬度進行對比，結果如圖4所示。

由圖4可見，淬火護軌的工作面至心部的淬火硬化層洛氏硬度在22.6～37.5 HRC之間，距工作面25 mm處洛氏硬度在22.6～30.2 HRC之間，性能波動較大，硬度值存在不合格的情況；與之相比，合金護軌的硬度較高且分布均勻，力學性能穩(wěn)定，而鋼軌的耐磨性能主要取決于硬度，因此合金護軌比淬火護軌有更好的耐磨性能。

通過對某局送檢淬火護軌化學成分與微觀金相組織的分析可見：淬火護軌中碳元素含量0.661%，低于TB/T 2344—2012《43～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件》規(guī)定的0.71%～0.80%。如此低的碳含量導致大量的先共析鐵素體從晶界處析出，如圖5所示。呈網(wǎng)狀析出的較軟的鐵素體相，破壞了基體的組織連續(xù)性，大大降低了淬火護軌的整體機械強度，導致其抗拉強度(1 108 MPa)、工作面布氏硬度(322 HB)、硬化層硬度均未達到標準TB/T 3110—2005《133 kg/m護軌用槽型鋼》的要求。

圖4　合金護軌與淬火護軌的硬化層洛氏硬度對比情況

圖5　某局送檢淬火護軌的金相組織(放大100倍)

3　合金護軌的試鋪情況

3.1　上道使用跟蹤

前期研究結果表明，合金護軌的力學性能優(yōu)異，強韌性配合良好，達到了預期目標。2013年8月召開的“道岔用熱軋槽型護軌”審查會審查意見認為，合金護軌的生產工藝成熟，力學性能穩(wěn)定，可以開展上道試鋪試驗研究。2013年10月9日，合金護軌試鋪在大秦重載鐵路延慶北站站內的10#道岔上，該處道岔原來使用淬火護軌時由于磨耗到限每年約更換3～4根淬火護軌(榆次工務器材廠生產)。10#道岔處護軌的鋪設情況如圖6所示。

圖6大秦重載鐵路延慶北站站內10#道岔合金護軌使用情況(箭頭方向為行車方向)

將10#道岔直向的合金護軌一年半的使用情況與8#道岔直向的淬火護軌(前后2支)和2#道岔直向替換上道的淬火護軌(1支)進行對比，結果見表3和圖7。

表3大秦重載鐵路合金護軌與淬火護軌使用情況的對比

觀測日期10#道岔合金護軌8#道岔淬火護軌2#道岔淬火護軌服役時間/d最大磨耗量/mm服役時間/d最大磨耗量/mm服役時間/d最大磨耗量/mm2013100900002013112648102014031015230152133201404300(換新軌)0201405292345030330(換新軌)020140926352801186820150207486124

由圖7可見，達到相同的磨耗量時，合金護軌的服役時間是淬火護軌的3.35倍；在相同的服役時間內，淬火護軌的磨耗量是合金護軌的3.67倍，表明合金護軌的使用壽命是淬火護軌的3倍以上。

圖7大秦重載鐵路合金護軌與淬火護軌(統(tǒng)計3支)的磨耗情況對比

3.2　下道性能分析

2015年2月7日，鋪設在10#道岔直向的合金護軌因磨耗到限而下道，對下道合金護軌的有效工作區(qū)段寬度每隔25 cm長進行1次測量，由于工作面是斜面，將上部有效寬度記為A，將下部有效寬度記為B。工作面的宏觀金相及磨耗量情況如圖8所示。圖中：數(shù)字1—3表示金相觀察位置。

圖8　下道合金護軌工作邊的寬度測量位置和磨耗量

由圖8可見，合金護軌的最大磨耗量為11 mm，出現(xiàn)在距其南端2.5～3.0 m的區(qū)域內，即轍岔“咽喉”位置偏向行車方向。

下道合金護軌工作邊流變層的微觀金相和加工硬化情況如圖9所示。

由圖9可見，合金護軌工作邊的表面出現(xiàn)了明顯的“飛邊”，金屬表面由于摩擦而產生了流變，其維氏硬度達到400 HV以上(為41.0 HRC左右)。

工作邊流變層硬度梯度如圖10所示。由圖10可見，流變層深度在0.55 mm左右。

圖9工作區(qū)段流變層不同位置處的金相組織和加工硬化情況

圖10　流變層硬度梯度

4　結　論

(1)通過實驗室試制出適合重載鐵路服役條件的11#試驗鋼，其抗拉強度達到1 280 MPa，布氏硬度高于360 HB，且具有良好的強韌性配合。

(2)試制的全尺寸合金護軌，其抗拉強度達1 298 MPa，工作面布氏硬度達385 HB，斷后伸長率為9.5%。

(3)與2個廠家生產的淬火護軌相比，合金護軌的硬度較高，力學性能穩(wěn)定，可以有效解決由于原料成分波動、熱處理設備和工藝差異造成的護軌性能波動。

(4)試鋪應用表明，合金護軌的使用壽命是淬火護軌(榆次廠生產)的3倍以上。合金護軌的強度較高，耐磨性能優(yōu)異，使用壽命大幅提高，大大減輕了工務部門的道岔養(yǎng)護維修工作量及成本。

[1]WANG Xurong, ZHANG Jianfeng. Research on Service Life Extending Technology of Rail in Datong-Qinhuangdao Railway[C]//10th International Heavy Haul Association Conference. New Delhi:International Heavy Haul Association, 2013: 215-221.

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