U71Mn鋼軌端部淬火工藝研究

任安超，周劍華，朱　敏，費俊杰，鄭建國，張銀花，董茂松（.武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢430080；.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京0008）

U71Mn鋼軌端部淬火工藝研究

任安超1，周劍華1，朱敏1，費俊杰1，鄭建國1，張銀花2，董茂松1
（1.武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢430080；
2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081）

[摘要]采用CFD軟件建立噴風冷卻流場模型，模擬噴嘴與鋼軌之間不同距離時流場的速度分布,利用Olympus PME3顯微鏡觀察淬火低倍組織形貌，同時觀察鋼軌縱斷面硬化區、過渡區以及軟化區的組織，通過MVK- E型顯微Vickers硬度計測量淬火區硬度。結果表明：模擬出噴嘴與鋼軌之間的距離在15～20 mm范圍時冷卻效果最好。通過應用實踐，淬火帽形、穩定硬化區、過渡區以及軟化區硬度和組織，均滿足了TB/T 2344標準要求，驗證了模擬分析結果的正確性。

1　引言

鐵路是世界各國經濟的大動脈，其安全運輸非常重要。鋼軌在無焊接時使用，鋼軌之間銜接通過接板連接，當列車運行到接縫處時，車輪必然壓過鋼軌之間銜接縫，鋼軌端部往往被壓扁或壓潰，這時鋼軌端部高度會低于軌身，列車行進在銜接縫處時，由于不平順導致鋼軌端部受力復雜且嚴重，通常會磨耗，嚴重時會發生鋼軌斷裂[1-4]。通常鋼軌的端部要比軌身磨耗快3~5倍，有時達7倍，增加鋼軌端部使用周期的有效方法即進行端部淬火。一般情況下，溫度和冷卻時間是影響鋼軌淬火效果的主要參數，冷卻時間由冷速決定，而冷速又取決于冷卻介質性質和大小；溫度則由淬火機的電壓、功率、電流、鋼軌與感應加熱器之間的距離而定。其中任何一個因素如果發生變化，淬火參數也會隨之發生相應的變化[5-7]。本文借助實踐應用和數值模擬對鋼軌端部淬火工藝參數設定開展了理論研究。基于理論的分析，經國內鋼廠生產應用，經檢驗，其相關指標達到國家標準要求。

2　試驗

2.1材料

試驗所用材料為U71Mn 50 kg/m重軌。該重軌生產工藝流程如下：鐵水脫硫→LF爐冶煉→LF爐精煉→RH（VD）精煉→大方坯連鑄→堆垛→緩冷→萬能機軋制→平立復合矯直→探傷→端部淬火→檢查→入庫。

用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析。結果見表1。由表1可以看出，樣品成分均符合TB／T 2344標準要求。

表1　 U71Mn鋼軌成分ω/%

2.2方法

采用CFD軟件建立噴風冷卻流場模型，模擬噴嘴與鋼軌之間不同距離時流場的速度分布。將淬火后的鋼軌橫向截取15 mm厚斷面，軋向截取300 mm長，并沿軋向中間剖開，經1：1鹽酸水溶液熱浸蝕后做橫向和縱向低倍檢驗。利用Olympus PME3顯微鏡觀察淬火低倍形貌，同時觀察鋼軌縱斷面硬化區、過渡區以及軟化區的組織，通過MVK-E型顯微Vickers硬度（載荷0.098 N）計測量淬火區硬度。

3　實驗結果與分析

3.1模擬分析

根據工作實際采用噴風冷卻，噴嘴按照如圖1所示進行布置。依據拉瓦爾式結構設計噴嘴，如圖2所示，設定單個噴嘴與重軌頭部形成簡化的流場模型，在噴嘴的入口處，空氣開始速度定為5 m/s。重軌頭部與噴嘴之間的距離可以調節，分別設定為12，17，22，32 mm。

在保證相關噴風工藝參數不變的情況下，對所設定的4種噴嘴與重軌之間距離技術方案進行模擬，對鋼軌表面的空氣速度進行分析，具體對比結果見表2所示，圖3為速度分布圖。

圖1　噴嘴與鋼軌布置示意圖

圖2　噴風冷卻流場模型

表2　重軌表面空氣速度

由表2可以看出，除噴嘴與重軌之間的距離外，其它條件相同的情況下，當距離為17～22 mm時，重軌表面空氣的速度最大，按照流體力學的說法，當速度越大，帶走的熱量應該越多，所以重軌的冷卻速度就越快。當距離為12 mm時，重軌表面的空氣速度僅為8.31 m/s，這表明當噴嘴距離過小時，從噴嘴噴出來的空氣還未來得及充分擴散。當距離為32 mm時，重軌表面的空氣速度達到4.35 m/s，這表明當噴嘴和重軌表面之間的距離過大，空氣從噴嘴噴出時，因為傳輸距離太長，速度下降較明顯。

因此，要達到最好的冷卻效果，噴嘴和重軌之間的距離應設定在17～22 mm。

3.2工藝實踐

采用帽形感應加熱裝置對U71Mn鋼軌頭部進行加熱，在50～90 s內將鋼軌的頭部表面溫度加熱到800～1 000℃，保溫15～25 s；再將鋼軌頭部移到噴風裝置中，噴嘴與鋼軌之間的距離以及噴風速度分別按照表2中的方案1和方案3設置，通過該系統中的PLC控制器使冷凍式壓縮空氣干燥機的空氣冷卻到5～10℃，預先設定的空氣速度將鋼軌頭部的表面溫度冷卻到400～600℃，然后進行自然冷卻。

圖3　噴嘴與鋼軌之間不同距離時流場的速度分布圖

按照方案1淬火工藝可以看出，其橫斷面右上角淬火帽形明顯不完整，見圖4（a），縱斷面淬火形貌長度，見圖4（b），明顯低于標準規定的120 mm長，見圖6（b）。按照方案2工藝淬火后其橫斷面淬火帽形完整，見圖5（a），且縱斷面淬火形貌長度，見圖5（b），達148 mm，明顯大于標準規定的120 mm長，見圖6（b）。

按照圖6（a）和圖6（b）所示，分別對方案2淬火工藝后的橫斷面和縱斷面淬火區域內測量其維氏硬度。從圖7可以看出，距踏面中心深7 mm處硬度達到337.8HV，遠超過TB/T 2344所規定的距踏面中心深7 mm處硬度值應大于或等于280HV。

圖5　方案2低倍形貌

圖6　橫斷面及縱斷面硬化層硬度分布測定位置

從圖8、表3可以看出，在淬火區120 mm內，距踏面1~16 mm處和距端部20 mm處穩定硬化區硬度從344.6HV降到306.4HV，距端部75 mm處穩定硬化區硬度從314.3HV降到281.6HV，滿足了穩定硬化區的硬度應由鋼軌表面向內部緩慢降低，不應有急劇變化的標準要求，同時過渡區（硬化深度及硬度遞減部分）的硬度也滿足標準規定的隨硬化層深度的減小而緩慢降低的要求。

通過檢驗縱斷面試樣上的穩定硬化區、過渡區以及軟化區部位顯微組織可知，此三區域均為珠光體+少量鐵素體顯微組織，達到硬化區應為細片狀珠光體（允許有少量鐵素體），不應有馬氏體、貝氏體等組織的要求。

4　結論

圖7　鋼軌橫斷面硬度分布（HV）

圖8　鋼軌不同區域顯微組織

表3　不同區域顯微硬度（HV）

借助CFD軟件建立了噴風冷卻流場模型，模擬噴嘴與鋼軌之間不同距離時流場的速度分布，模擬出噴嘴與鋼軌之間的距離應保證在15～20 mm范圍時的冷卻效果最好。通過應用實踐，淬火帽形、穩定硬化區、過渡區以及軟化區硬度和組織，均滿足了TB/T 2344標準要求，從而驗證了前期模擬分析結果的正確性。

參考文獻

[1] Hou K, Kalousek J, Lamba H, et al. Thermal effect on adhesion in wheel/rail [C]//Proceeding of the 5th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Wheel/Rail System. Japan，2000: 239- 244.

[2] Sun J, Sawly K J, Stone D H, Teter D F. Progress in the reduction of wheel spalling[C]//Proceeding of the 12th International Congress on Wheelset. China，1998: 18- 29.

[3] Marais J J. Wheel failures on heavy haul fright wheels due to subsurface defect[C]//Proceeding of the 12th International Congress on Wheelset. China，1998: 306- 314.

[4] Igwemezie J O,Kennedy S L,Gore N R. Residual stresses and catastrophic rail failure[C]//Proceeding of the International Conference on Rail Quality and Maintenance for Modern Railway Operation. The Netherlands，1992: 325- 336.

[5]段金良，劉宇燕，陳林.重軌淬火過程溫度數值模擬分析[J].內蒙古科技大學學報，2011，30（4）：333- 335.

[6]李欣燦.重軌淬火溫度場數值模擬軟件開發[J].長江大學學報（自然版），2014，11（1）：59- 62.

[7]張敏,趙剛,胡瑞海，等.重軌端部淬火溫度場與相變的計算機模擬[J].特殊鋼，2010，31（5）：14- 17.

[關鍵詞]鋼軌；淬火；低倍組織；硬度；模擬

Study on End Quenching Process for U71Mn Rail

REN An-chao1, ZHOU Jian-hua1, ZHU Min1, FEI Jun-jie1, ZHENG Jian-guo1, ZHANG Yin-hua2and DONG Mao-song1
(1.Research Institute of Wuhan Iron and Steel [Group], Wuhan, Hubei Province 430080, China;
2.Metals and Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

AbstractCFD software was adopted to establish a model for the flow field of air cooling to simulate the distribution of the velocity of flow field between nozzle and rail at different distances. Olympus PME3 microscope was utilized to observe the macrostructure of quenching and the structures of the hardened zone, transition zone and softened zone of rail longitudinal section. MVK-E type micro Vickers durometer was used for measuring the hardness at quenching area. Simulation results showed that the best cooing effect was given when the distance between nozzle and rail was within the range of 15～20 mm. In practice, quenching cap profile and the hardness and structure of stable hardened zone, transition zone and softened zone all meet the requirement by TB／T 2344 Standard and the correctness of simulation and analysis were proved.

Key wordssteel rail; quenching; macrostructure; hardness; simulate

作者簡介：任安超（1976—），男，博士研究生，高級工程師，主要從事型、線、棒新產品開發工作。

基金項目：武漢市科技計劃資助項目（2013011403010505）

收稿日期：2014- 11- 05修回日期：2014- 11- 25

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.002