在線熱處理AT鋼軌的跟端鍛壓段熱處理新工藝及新裝備

詹新偉 王樹青 杜吉康

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081

國內(nèi)道岔采用的AT鋼軌母材有熱軋AT鋼軌和在線熱處理AT鋼軌兩種，后者的應(yīng)用近幾年越來越廣泛。尖軌是道岔的主要部件，其跟端和普通鋼軌連接，須通過AT鋼軌熱鍛壓形成鋼軌斷面［1］。

尖軌的母材選用熱軋AT鋼軌時，主要生產(chǎn)工序為：跟端鍛壓→跟端鍛壓段正火→尖端機加工→尖軌全長軌頭連續(xù)電感應(yīng)熱處理［2-3］，可見其跟端鍛壓段的熱處理包括鍛壓段的正火熱處理和尖軌全長的軌頭感應(yīng)熱處理。選用在線熱處理AT鋼軌時，主要生產(chǎn)工序為：跟端鍛壓→跟端鍛壓段熱處理→尖端機加工，可見其跟端鍛壓段的熱處理為鍛壓段的局部熱處理。

對于母材選用AT鋼軌的道岔，通常采用熱模鍛對尖軌跟端進行鍛壓（圖1）［4］，采用3 000 t壓力機多次加熱鍛壓成型工藝或5 000 t壓力機一次加熱鍛壓成型工藝。由于鍛壓前需要加熱到1 100°C以上，在線熱處理AT鋼軌的硬度大幅降低，須進行局部熱處理以恢復(fù)鍛壓段的硬度和強度，否則使用中軌頭鍛壓段會出現(xiàn)低塌，影響軌道線路的平順性及安全性［5-7］。

圖1 熱模鍛后的AT鋼軌跟端

如果采用尖軌全長電感應(yīng)熱處理設(shè)備對在線熱處理AT鋼軌的跟端鍛壓段進行局部熱處理，在鍛壓段軌頭熱處理與母材交接的熱影響區(qū)中易出現(xiàn)異常馬氏體組織。曾發(fā)生過該部位因馬氏體組織導(dǎo)致的斷軌事件［8］，嚴(yán)重影響道岔的使用安全。

本文通過分析在線熱處理AT鋼軌的跟端鍛壓段熱處理中存在的問題，針對性地設(shè)計、制造了新的熱處理工藝和裝備，并進行工藝試驗及性能檢測。

1 性能要求

對于母材為在線熱處理AT鋼軌的道岔尖軌，跟端鍛壓后的性能要求按照TB/T 2344.3—2018《鋼軌第3部分：異型鋼軌》中的非對稱斷面異型軌執(zhí)行，主要針對與AT鋼軌母材的強度、硬度的匹配及整體的韌性恢復(fù)，包括以下幾個方面。

1）軌頭頂面硬度和軟化區(qū)寬度

TB/T 2344.3—2018規(guī)定了熱處理后軌頭頂面的硬度要求（表1），同時對軟化區(qū)的寬度進行了限定，要求熱影響區(qū)硬度低于硬度標(biāo)準(zhǔn)范圍下限Hn的測點數(shù)不超過5個（測點間距10 mm）。測點布置如圖2所示，熱影響區(qū)硬度及軟化區(qū)寬度如圖3所示，其中Hm為硬度最低值。

圖2 軌頂面硬度測點布置（單位：mm）

圖3 熱影響區(qū)硬度及軟化區(qū)寬度

表1 在線熱處理AT鋼軌的軌頭頂面及軌頭橫斷面硬度要求

2）軌頭橫斷面硬度和軌頭拉伸性能

在線熱處理AT鋼軌軌頭鍛壓段橫斷面硬度要求參見表1。橫斷面硬度測點布置如圖4所示。其中第1點（測點下標(biāo)1表示第1點，以此類推）距軌頭表面為3 mm，點間距3 mm。鍛壓段軌頭拉伸性能不低于相應(yīng)鋼軌原材的技術(shù)要求。

圖4 橫斷面硬度測點布置

3）脫碳層、顯微組織和晶粒度

脫碳層深度不應(yīng)大于0.5 mm；顯微組織與鋼軌母材一致，不應(yīng)出現(xiàn)高碳馬氏體、魏氏體等有害組織，不應(yīng)出現(xiàn)過燒；晶粒度不應(yīng)低于5級。

4）疲勞性能

經(jīng)2×106次循環(huán)載荷作用的實物疲勞試驗后，連續(xù)3根不斷為合格。

疲勞試驗條件：支距1.0 m；載荷系數(shù)γ=0.2。

試驗中施加的最小載荷（最大荷載）：60AT1和60AT2為78 kN（390 kN），60AT3為68 kN（340 kN），50AT1為61 kN（306 kN）。

2 存在的問題

一些道岔生產(chǎn)企業(yè)采用現(xiàn)有的尖軌全長電感應(yīng)熱處理設(shè)備對在線熱處理AT鋼軌跟端的鍛壓段進行連續(xù)熱處理，連續(xù)熱處理的區(qū)域覆蓋了跟端鍛壓段加熱區(qū)及熱影響區(qū)后停止加熱。由于冷鋼軌的強烈吸熱作用引起快速冷卻，在連續(xù)感應(yīng)加熱停止部位易產(chǎn)生異常的高碳馬氏體組織。如圖5（a）、圖5（b）所示，熱處理后的在線熱處理AT鋼軌跟端在使用中出現(xiàn)了斷裂。從該斷裂部位的顯微組織可以看到有大量的馬氏體組織出現(xiàn)，如圖5（c）所示。

圖5 局部連續(xù)熱處理后的在線熱處理AT鋼軌跟端斷裂

為明確連續(xù)熱處理停止對熱影響區(qū)硬度的影響，選取3根經(jīng)相同工藝進行熱處理后的在線熱處理AT鋼軌，母材為在線熱處理60AT1（U75V）鋼軌，檢測其軌頭硬度，測點如圖6所示，其中a為AT軌段的母材位置，b為連續(xù)熱處理的停止位置，c和d為連續(xù)熱處理的軌頭位置。根據(jù)檢測結(jié)果，3根鋼軌連續(xù)熱處理停止位置的硬度分別為566、552、542 HBW，平均硬度達(dá)553 HBW，證明該區(qū)域都出現(xiàn)了馬氏體組織。因此，采用現(xiàn)有的尖軌連續(xù)熱處理設(shè)備對在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段進行熱處理存在很大的安全隱患。

圖6 局部連續(xù)熱處理后的AT鋼軌跟端硬度測點布置

3 熱處理新工藝及新裝備

針對在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段熱處理存在的問題，有必要研究新的熱處理工藝和裝備，以保證鍛壓段的性能和安全使用，同時使熱處理后的在線熱處理AT鋼軌性能達(dá)到TB/T 2344.3—2018的要求。

3.1 新工藝原理及流程

在線熱處理AT鋼軌鍛壓段熱處理新工藝如圖7所示。由于電感應(yīng)加熱效率高，工藝易于控制，質(zhì)量穩(wěn)定，因此選用整體感應(yīng)加熱的加熱方式。由于壓縮空氣的冷卻均勻性好，不受鋼軌的表面狀態(tài)影響，熱處理質(zhì)量穩(wěn)定，因此選用軌頭噴風(fēng)冷卻、軌腰和軌底空冷的冷卻方式，使軌頭的硬度和強度得到恢復(fù)，實現(xiàn)與在線熱處理AT鋼軌母材的合理匹配。

圖7 在線熱處理AT鋼軌鍛壓段熱處理新工藝示意

如圖8所示，采用新工藝進行鍛壓段熱處理時，在線熱處理AT鋼軌采用倒立的方式走行，鋼軌穿過噴風(fēng)冷卻裝置伸入感應(yīng)加熱裝置感應(yīng)加熱，感應(yīng)加熱結(jié)束后退回到噴風(fēng)冷卻器對軌頭進行噴風(fēng)冷卻，最后由走行機構(gòu)退出鋼軌，結(jié)束熱處理過程［9］。

圖8 在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段熱處理新工藝流程

3.2 感應(yīng)加熱裝置

根據(jù)新工藝設(shè)計的跟端鍛壓段感應(yīng)加熱裝置由感應(yīng)加熱線圈和相應(yīng)的輔助機構(gòu)組成（圖9）。加熱線圈周圍配置了矽鋼片以提高加熱的效率，輔助機構(gòu)可進行水平方向和垂直方向的電動調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)不同類型AT鋼軌在加熱時的對中和上下位置調(diào)節(jié)。

圖9 感應(yīng)加熱裝置

3.3 噴風(fēng)冷卻裝置

根據(jù)新工藝設(shè)計的噴風(fēng)冷卻裝置可以實現(xiàn)開合動作，如圖10所示。閉合時進行軌頭頂面和側(cè)面的噴風(fēng)冷卻，噴風(fēng)結(jié)束后分開噴風(fēng)裝置，避免鋼軌走行中可能發(fā)生的磕碰。

圖10 噴風(fēng)冷卻裝置

3.4 在線熱處理AT鋼軌輸送裝置

為確保AT鋼軌的精準(zhǔn)走行和定位，根據(jù)新工藝設(shè)計的在線熱處理AT鋼軌輸送裝置采用氣動壓緊輥的電機輸送裝置。既可以保證跟端鍛壓段進入感應(yīng)加熱線圈的精準(zhǔn)位置和長度，也可以保證進入噴風(fēng)冷卻器的準(zhǔn)確位置，保證了熱處理的質(zhì)量穩(wěn)定性。

3.5 控制系統(tǒng)

在線熱處理AT鋼軌跟端熱處理的整個控制過程在數(shù)控操作臺上實現(xiàn)，包括在線熱處理AT鋼軌的走行到位、感應(yīng)加熱的啟動和停止、噴風(fēng)冷卻的開合、熱處理數(shù)據(jù)的記錄和存儲等。目前通過數(shù)控操作臺已經(jīng)實現(xiàn)了鋼軌的自動走行到位和感應(yīng)加熱、噴風(fēng)冷卻的自動啟動和停止，大幅減少了人為干預(yù)，保證了熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

4 性能檢測

按照TB 2344.3—2018的要求，對采用熱處理新工藝和新裝備處理后的在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段進行性能檢測。選用母材為U75V在線熱處理AT鋼軌（鋼軌強度等級1 180 MPa級）進行測試，測試結(jié)果可類推于U71Mn在線熱處理AT鋼軌。

4.1 軌頂面硬度

選取1根采用熱處理新工藝和新裝備處理后的在線熱處理AT鋼軌，測試其軌頂面硬度。測試結(jié)果見圖11?？芍?，成型段的軌頂面硬度均勻，滿足TB/T 2344.3—2018中軌頂面硬度在340~420 HBW的要求；熱影響區(qū)（含S區(qū)）低于Hn（340 HBW）的點有3個，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求小于5個點的要求。

圖11 在線熱處理AT鋼軌頂面硬度

4.2 橫斷面硬度

選取1根采用熱處理新工藝和新裝備處理后的在線熱處理AT鋼軌，測試其橫斷面硬度，結(jié)果見表2。

表2 在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段橫斷面硬度

由表2可知，滿足TB/T 2344.3—2018對橫斷面硬度的要求，成型段、過渡段軌頭與在線熱處理AT鋼軌母材接近，匹配較好。

4.3 拉伸性能

U75V在線熱處理鋼軌（鋼軌強度等級1 180 MPa級）的抗拉強度不小于1 180 MPa，延伸率不小于10%。選取采用熱處理新工藝和新裝備處理后的在線熱處理AT鋼軌的2根成型段試樣，進行跟端鍛壓段的軌頭拉伸性能檢測。結(jié)果表明，其抗拉強度分別為1 285、1 284 MPa，延伸率分別為13%、12%，均不低于相應(yīng)的鋼軌原材，滿足TB/T 2344.3—2018對拉伸性能的要求。

4.4 顯微組織、晶粒度、脫碳層和疲勞性能

在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段的顯微組織如圖12所示，為珠光體組織，未見馬氏體組織。軌頭、軌腰、軌底的晶粒度分別為9.0、8.5、8.0級，滿足不低于5級的要求。按照TB/T 2344.3—2018進行脫碳層、疲勞性能檢測，結(jié)果也都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 在線熱處理AT鋼軌鍛壓段熱處理后的顯微組織

5 結(jié)語

采用尖軌全長感應(yīng)熱處理設(shè)備對在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段進行局部連續(xù)熱處理時，易產(chǎn)生馬氏體異常組織，導(dǎo)致在線熱處理AT鋼軌跟端在使用中出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險。針對這一問題，設(shè)計了采用跟端鍛壓段全斷面整體感應(yīng)加熱和鍛壓段軌頭噴風(fēng)冷卻的熱處理新工藝。熱處理新裝備采用氣動壓緊輥的電機輸送方式、采用帶矽鋼片的感應(yīng)加熱線圈和可開合的噴風(fēng)冷卻裝置，在數(shù)控操作臺實現(xiàn)了鋼軌走行的自動精準(zhǔn)定位、感應(yīng)加熱和噴風(fēng)冷卻的自動啟動和停止，保證了熱處理的質(zhì)量穩(wěn)定性。經(jīng)檢測，采用新工藝和新裝備進行熱處理的在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段的各項性能滿足TB/T 2344.3—2018的要求。

在線熱處理AT鋼軌鍛壓段熱處理新工藝和新裝備目前已在鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司、山西備制造集團軌道交通公司、鄭州鐵路裝備制造有公司、湖北武鐵山橋軌道裝備有限公司、淄博濟鐵工務(wù)軌道裝備制造有限公司獲得了應(yīng)用。其中武鐵山橋軌道裝備公司根據(jù)跟端鍛壓裝備的送軌裝置配套的需要，在線熱處理AT鋼軌跟端熱處理采用了直立走行的送軌裝置和相應(yīng)的感應(yīng)加熱和噴風(fēng)冷卻機構(gòu)。這些道岔企業(yè)采用新型AT鋼軌鍛壓段熱處理裝備生產(chǎn)的在線熱處理AT鋼軌跟端鍛壓段各項性能都達(dá)到TB/T 2344.3—2018的要求，尤其是軌頂面硬度以及軟化區(qū)的寬度。