淬火引軌早期失效分析和預防對策

趙鵬飛，汪廣志

道岔鋼軌全長表面感應淬火時，為了保證軌件兩端頭鋼軌淬火質量，需要在淬火鋼軌兩端加一個淬火引軌工裝，感應加熱器、噴霧盒、行走裝置必須走過引軌長度。淬火引軌主要由手柄、夾板、引軌頭等零件組成，如圖1所示。

引軌在使用中存在使用壽命短，使用850～900次后淬火引軌端頭便燒損腫脹的十分厲害，影響行走裝置順利前進和軌件結束端淬火質量等弊端。引軌平均月消耗8臺，年工裝制造費高達8萬～9萬元，造成公司道岔產品生產成本居高不下。

引軌使用壽命短成為制約公司道岔熱處理生產發展和難以降低成本的一大頑疾。鋼軌淬火引軌早期失效報廢有引軌頭燒腫龜裂和夾板脫焊兩種形式。

為此，本文對淬火引軌早期失效原因進行了分析，并對引軌工裝進行了設計結構和材料改進。

1. 淬火引軌早期失效原因分析

引軌使用壽命與引軌頭的材質結構和現場使用維護等因素有關。

（1）引軌頭燒腫龜裂 引軌的引軌頭一般由U71Mn軌道鋼制作，有效工作長度范圍為600mm，其中易燒損腫脹和產生網狀龜裂在軌頂面部位，長度約160mm，如圖2所示。

原因分析：U71Mn軌道鋼材料的主要化學成分：wC=0.65%～0.76%，wMn=0.65%～0.76%，wSi=0.11%～0.58%。

可以看出，C、Mn等易氧化元素較多，導致引軌頭高溫穩定性和熱循環性能不良，高溫抗氧化性能低。在鋼軌加熱冷卻過程中，引軌頭上軌頂面160mm長位置反復承受20℃→980℃→20℃→980℃循環熱冷作用，引軌頭軌頂面發生嚴重的氧化脫碳現象，表層為脫碳后的鐵素體，基體為珠光體。

發生熱疲勞龜裂的裂紋源首先從滲碳體尖端處的基體上產生，并向附近的基體不斷生長擴散成為裂紋。由于裂紋在鐵素體中抵抗裂紋擴展的能力比在珠光體中低的多，且裂紋在鐵素體中擴展傳播的速度也比在珠光體中快得多，因此導致引軌頭表面形成龜裂。

引軌頭腫脹的主要原因是組織變化引起的。受冷熱交替作用，引軌頭的橫斷面上形成溫度梯度，在同一界面上會同時存在奧氏體、珠光體和鐵素體區域。由于各相的密度不同，在整個軌頭斷面上產生很大的熱應力和組織應力。在奧氏體 鐵素體、奧氏體 珠光體轉變過程中，在基體周圍積累的微裂紋縫隙數目不斷增加，潮濕空氣中的氧順著微觀裂縫及缺陷向軌頭內部不斷擴散，氧化生長伴隨著產生不可逆的體積膨脹，使軌頭表面成為疏松組織體，嚴重的腫脹變形導致引軌頭幾何尺寸發生超差，車輪無法順利通過。

（2）夾板易脫落 夾板易脫落主要是由于引軌在加工制造過程中存在焊接不牢固、虛焊等缺陷引起的。

原因分析：長鋼軌淬火移動期間，鋼軌彎曲變形嚴重，重心偏移傾倒，導致夾板頭部承受巨大的側向扭力，撕裂夾板與引軌頭上下顎的焊縫。另外，在引軌使用中，由于固定軸兩端螺栓松動嚴重、擋套間隙過大等因素也會導致引軌頭失穩傾斜，夾板受力不均被拉裂。

2. 預防措施

針對上述問題，制定了以下預防措施。

（1）改進軌頭結構形式和材料 在道岔熱處理生產中，夾具工裝追求的不僅僅是滿足設備工藝要求，而且還有經濟性，也就是淬火引軌應該價格低廉且具備較高的使用壽命。

制作引軌頭的材料需要良好的高溫穩定性和熱循環性能，其中最重要的就是高溫氧化性能。1Cr18Ni9Ti鋼具有上述特點，因此用1Cr18Ni9Ti鋼替代U71Mn鋼制作引軌頭。

具體做法：在引軌900mm長的引軌頭軌頂面鑲入160mm×70mm×30mm活塊，活塊采用1Cr18Ni9Ti耐熱鋼制作，如圖3所示，其他零件不變。

改進型鑲嵌引軌生產制作工藝流程如下。

引軌頭：下料→鋸切→切割→銑臺→鉆孔→鑲嵌耐鋼熱活塊→調整。

夾板：下料→切割→刨切→拼裝焊接。

扶手：下料→切割→熱彎→拼裝焊接。

耐熱活塊：下料→鍛造→劃線→刨削→鉆孔→拼裝。

（2）加強現場工裝管理 使用中發現夾板焊縫開裂要及時修補，軌頭燒腫后要及時磨修，定期檢修引軌座。

3. 效果

2014年6～9月，我們將改進型鑲嵌結構淬火引軌安裝在淬火機床上，進行使用壽命測試，并與原引軌使用情況相比對，測試結果見附表。

由表中對比結果可以看出，改進型鑲嵌引軌比原先U71Mn引軌使用壽命多9～10倍。主要原因是：U71Mn引軌頭的高溫氧化為直線氧化曲線，表面的氧化膜不能完全覆蓋金屬表面，進一步氧化能夠繼續進行。

而1Cr18Ni9Ti引軌頭的高溫氧化為拋物線氧化曲線，氧化膜致密覆蓋金屬表面且未因內應力過大而開裂，此時氧化膜能將金屬基體與霧狀空氣隔開，使得進一步的氧化反應需要經膜擴散才能進行。

雖然改進型鑲嵌引軌采用耐熱鋼制作引軌頭活塊比原先要增加150元的投入，但耐熱活塊引軌頭燒壞后可以制作新的予以更新，不必報廢整體引軌重新制作，總體對比還是十分經濟的，且每年節省的引軌夾具制造費用十分可觀。

4. 結語

（1）引軌頭易燒腫龜裂和夾板脫落是鋼軌淬火引軌早期失效的主要方式。

（2）改進型鑲嵌淬火引軌結構設計選材合理，1Cr18Ni9Ti耐熱鋼代替U71Mn軌道鋼引軌頭，使用壽命提高超過10倍。

（3）每年可為公司節省6萬元淬火夾具制造費，效果顯著。

圖1 鋼軌淬火引軌結構示意

圖2 燒損腫脹龜裂的引軌頭

圖3 嵌入耐熱活塊引軌頭結構示意

不同引軌工裝使用壽命表