AT尖軌跟端鍛壓段正火噴風(fēng)工藝研究

馬 菲

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司 湖南株洲 412005）

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AT尖軌跟端鍛壓段正火噴風(fēng)工藝研究

馬 菲

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司 湖南株洲 412005）

摘要：AT尖軌跟端鍛壓成型后采用電阻爐加熱保溫、三面噴風(fēng)器完全噴風(fēng)連續(xù)冷卻快速正火工藝，通過(guò)控制冷卻速度提升AT尖軌鍛壓段硬度、強(qiáng)度及韌性，使跟端鍛壓段性能均勻化。試驗(yàn)結(jié)果表明，AT尖軌跟端鍛壓段經(jīng)正火噴風(fēng)冷卻工藝后表面硬度平均值340 HBW，最大波動(dòng)值27 HBW，踏面第3點(diǎn)HRC硬度≥32.0，抗拉強(qiáng)度Rm≥1 160 MPa，延伸率A≥12.5 %，低倍腐蝕、金相組織及疲勞壽命均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。建議對(duì)目前尖軌跟端鍛壓段正火后離線熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，利用正火溫度進(jìn)行在線噴風(fēng)冷卻工藝，提高了跟端性能均勻性，節(jié)約了能源、人工成本，提升尖軌的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：AT尖軌 跟端鍛壓段 正火噴風(fēng) 均勻性 工藝改進(jìn)

目前，國(guó)內(nèi)高速、提速和大多數(shù)普速鐵路道岔尖軌均采用AT鋼軌制造，與鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)軌連接就要求連接段加工成標(biāo)準(zhǔn)軌型［1］，于是產(chǎn)生了AT鋼軌熱模鍛壓尖軌。AT尖軌類(lèi)產(chǎn)品跟端壓型采用一次加熱三次成型的熱加工工藝。成型后對(duì)鍛壓跟端通過(guò)正火處理，來(lái)消除鍛壓段內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒。尖軌跟端鍛壓段正火后，由于跟端表面硬度分布較離散，特別是鍛壓產(chǎn)生的熱影響區(qū)比成型段最大表面硬度低70HBW，故廠內(nèi)還需對(duì)尖軌跟端進(jìn)行離線熱處理，來(lái)提高鍛壓段硬度并滿足整體性能的均勻性。本文從工藝改進(jìn)著手，設(shè)計(jì)三面噴風(fēng)冷卻器，利用正火溫度實(shí)現(xiàn)在線噴風(fēng)冷卻的熱處理工藝［2］。

圖1　三面噴風(fēng)器實(shí)物圖與剖面示意圖

1　三面噴風(fēng)器設(shè)計(jì)

由于鐵標(biāo)TB/T3109-2013《鐵路道岔用非對(duì)稱(chēng)斷面鋼軌》

［3］

及TB/T2344-2012《43kg/m～75kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件》

［4］

中要求非對(duì)稱(chēng)斷面鋼軌及標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭下顎進(jìn)行斷面HRC值測(cè)試，見(jiàn)圖3。為了驗(yàn)證此次工藝研究能否滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求，在淬火工序軌頂面噴風(fēng)器基礎(chǔ)上，增設(shè)兩側(cè)面噴風(fēng)器，進(jìn)行了三面噴風(fēng)器的研究設(shè)計(jì)。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：三面噴風(fēng)器共分為2節(jié)，每節(jié)有1個(gè)踏面噴風(fēng)器和2個(gè)側(cè)面噴風(fēng)器組成，每個(gè)噴風(fēng)器構(gòu)件都有2個(gè)進(jìn)風(fēng)口，共12個(gè)。踏面噴風(fēng)器與兩側(cè)噴風(fēng)器通過(guò)“U”型板焊接而成一體，由螺栓連接固定在安裝架上。噴風(fēng)器構(gòu)件不可拆卸；設(shè)計(jì)428個(gè)流線型噴風(fēng)嘴，噴風(fēng)嘴平面設(shè)計(jì)擋鐵，防止其斷裂，噴風(fēng)嘴可更換。三面噴風(fēng)器實(shí)物圖與剖面示意圖見(jiàn)圖1。

2　試驗(yàn)材料及技術(shù)要求

2.1試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料選取材質(zhì)為U75V的60AT鋼軌，主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.71～0.80C，0.50～0.80Si，0.75～1.05Mn，≤0.030P，≤0.025S，0.04～0.12V。

表面硬度試樣取自鋼軌軌頭表面，長(zhǎng)度尺寸200 mm，厚度25 mm，表面粗糙度Ra=0.8；斷面硬度試樣尺寸高度50 mm左右，厚度15mm～20mm，斷面粗糙度Ra=0.8；拉伸試樣直徑d0=10 mm，標(biāo)距L0=5d0，標(biāo)距及圓角部分Ra=0.8；低倍腐蝕試樣，鋼軌全斷面，厚度8～10 mm，一面粗糙度Ra=0.8，金相試樣直徑?=15 mm，高度15 mm，粗糙度Ra=0.4。

2.2技術(shù)要求

目前廠內(nèi)道岔鋼軌件熱處理采用TB/T1779-93《道岔鋼軌件淬火技術(shù)條件》［5］的規(guī)定，結(jié)合上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具體要求以及廠內(nèi)實(shí)際情況，制定了尖軌鍛壓段正火噴風(fēng)工藝的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)要求如下：鋼軌斷面第3點(diǎn)（踏面起15 mm處）洛氏硬度≥32.0HRC，測(cè)點(diǎn)間距5 mm；表面硬度298 HBW ～380HBW，最大波動(dòng)值≯30HBW；抗拉強(qiáng)度Rm≥1080MPa，延伸率A≥10%；低倍腐蝕無(wú)缺陷；淬火層金相組織為細(xì)片狀珠光體，允許有少量鐵素體組織；疲勞壽命2×106次不斷裂。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1化學(xué)成分

(1)進(jìn)一步規(guī)范體育基金會(huì)內(nèi)部管理，完成體育基金會(huì)評(píng)估工作，獲得評(píng)估等級(jí)，優(yōu)先購(gòu)買(mǎi)政府服務(wù)。政府對(duì)基金會(huì)的資金支持一方面是政府職能轉(zhuǎn)變的需要，另一方面也能有效補(bǔ)充社會(huì)對(duì)公共服務(wù)的需求。目前，政府對(duì)基金會(huì)的支持已經(jīng)從直接撥款變?yōu)橘?gòu)買(mǎi)項(xiàng)目或公共服務(wù)外包，最終形成全社會(huì)共同參與、共建共享的發(fā)展局面。因此，體育基金會(huì)要積極完成評(píng)估并獲得3A以上評(píng)估等級(jí)，同等條件下可優(yōu)先購(gòu)買(mǎi)政府服務(wù)。

試驗(yàn)鋼軌的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.78C，0.68Si，0.87Mn，0.027P，0.013S，0.048V，余量Fe。

3.2宏觀形狀與低倍腐蝕

圖2　跟端成型段、熱影響區(qū)全斷面低倍腐蝕圖片

尖軌跟端鍛壓段正火是將跟端起約1.2m長(zhǎng)整體側(cè)立放入箱式正火爐內(nèi)，經(jīng)過(guò)升溫與保溫過(guò)程，鋼軌全斷面溫度均達(dá)到正火溫度且較均勻，故噴風(fēng)完全冷卻后鋼軌軌頭經(jīng)腐蝕后無(wú)明顯的淬硬區(qū)和基材區(qū)，跟端成型段、熱影響區(qū)全斷面低倍腐蝕無(wú)缺陷，見(jiàn)圖2。

3.3斷面硬度

跟端鍛壓成型段、過(guò)渡段橫斷面試樣按照要求進(jìn)行斷面HRC硬度測(cè)試，第1點(diǎn)距表面5 mm，其余各點(diǎn)間距均為5 mm。斷面HRC硬度檢測(cè)示意圖及結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　斷面HRC硬度示意圖及檢測(cè)結(jié)果

3.4表面硬度

跟端成型段、過(guò)渡段及1 m范圍內(nèi)進(jìn)行軌頂面表面硬度測(cè)定，檢測(cè)時(shí)軌頂面磨削0.5 mm～1 mm，去除表面脫碳、氧化層的影響。鍛壓變形段第1點(diǎn)距端頭10 mm，其余各點(diǎn)間距為50 mm；鍛壓熱影響區(qū)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)間距均為30 mm。表面硬度檢測(cè)示意圖及結(jié)果見(jiàn)圖4，其硬度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。

圖4　表面硬度測(cè)試示意圖及檢測(cè)結(jié)果

表1　表面硬度/HBW統(tǒng)計(jì)分析

3.5拉伸性能

拉伸試樣取自鍛壓成型段、過(guò)渡段以及熱影響區(qū)鋼軌兩圓角部位，共計(jì)6個(gè)試樣。拉伸性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　試樣的拉伸性能

3.6顯微組織

跟端鍛壓段正火噴風(fēng)冷卻后的變形段與熱影響區(qū)的金相組織均為細(xì)片狀珠光體和少量的鐵素體組織。圖5為尖軌跟端鍛壓段正火噴風(fēng)冷卻后的典型組織。

圖5　跟端鍛壓變形段、熱影響區(qū)金相組織

3.7疲勞壽命

AT尖軌跟端鍛壓成型后正火噴風(fēng)試驗(yàn)，取3根長(zhǎng)度為1.2m的疲勞試驗(yàn)件，進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)TB/T1354《鋼軌實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)方法》［6］，跨距1.0m，試驗(yàn)頻率5.0HZ，載荷比r=0.2，載荷上限390KN，下限為78kN，循環(huán)加載次數(shù)2×106次未斷裂。實(shí)驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6　疲勞試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

4　分析與討論

4.1工藝試驗(yàn)局限性分析

本次研究是在跟端鍛壓段正火的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三面噴風(fēng)器，簡(jiǎn)易連接實(shí)現(xiàn)在線冷卻工藝試驗(yàn)。鋼軌側(cè)立于正火爐內(nèi)，出爐噴風(fēng)需要將鋼軌吊正，造成了噴風(fēng)前溫度的降低，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)每根鋼軌搬正的時(shí)間在60 s～90 s之間，表面溫度降低80 ℃～150 ℃左右。同時(shí)，噴風(fēng)器的連接管道較長(zhǎng)，沒(méi)有充足的空氣儲(chǔ)存，最大冷卻風(fēng)壓未能穩(wěn)定在0.4 MPa，平均風(fēng)壓為0.05 MPa～0.15 MPa。上述兩個(gè)因素是影響尖軌跟端鍛壓段正火噴風(fēng)工藝中硬度和強(qiáng)度提升的主要原因。

由于尖軌跟端正火只針對(duì)鍛壓成型段與熱影響區(qū)，長(zhǎng)度約1m～1.2m，屬于局部加熱冷卻，從而不可避免地產(chǎn)生熱影響區(qū)。即使消除了鍛壓時(shí)感應(yīng)加熱的熱影響區(qū)，正火時(shí)也無(wú)法避免的產(chǎn)生新的熱影響區(qū)。

4.2工藝改進(jìn)

目前，廠內(nèi)只需跟端熱處理的尖軌制造工藝為鋸切下料→跟端鍛壓成型→正火→二次鋸切→跟端矯直→銑削底板→鉆孔→數(shù)控加工→刨切（銑削）帽形→離線熱處理→精調(diào)。現(xiàn)行工藝不足之處：①跟端熱處理需二次加熱，浪費(fèi)電能，增加了人工成本，同時(shí)離線熱處理增加了矯直難度；②離線熱處理屬表面感應(yīng)熱處理，由于設(shè)備與操作局限跟端加熱不均勻，易出現(xiàn)打火現(xiàn)象［7］；③熱處理工序的流轉(zhuǎn)，降低了尖軌的生產(chǎn)效率。本次工藝試驗(yàn)研究，摒棄尖軌跟端熱處理工序，正火后噴壓縮空氣連續(xù)冷卻，實(shí)現(xiàn)了尖軌跟端1m在線熱處理。節(jié)約了成本，避免了跟端淬火的打火、過(guò)熱或過(guò)燒現(xiàn)象，保證了尖軌跟端質(zhì)量，提高了尖軌的生產(chǎn)效率。

4.3正火噴風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)制定

隨著鐵標(biāo)TB/T3109-2013《鐵路道岔用非對(duì)稱(chēng)斷面鋼軌》及TB/T2344-2012《43kg/m～75kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件》的相繼出臺(tái)，在線熱處理標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與非對(duì)稱(chēng)斷面鋼軌逐步應(yīng)用到道岔制造中來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼軌性能要求也越來(lái)越高。在線熱處理的鋼軌全斷面加熱，溫度均勻，無(wú)明顯的淬硬層和基材區(qū)，故不規(guī)定淬火層深度及帽形；在線熱處理鋼軌由于全斷面加熱均勻，冷卻后的淬硬層深度及硬度均較大，測(cè)點(diǎn)間距較TB/T1779-93規(guī)定2.5 mm增加到5 mm，同時(shí)，斷面硬度檢測(cè)增加了軌頭下顎兩條測(cè)試線，詳見(jiàn)圖3。綜合上述標(biāo)準(zhǔn)制定了正火噴風(fēng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于本次試驗(yàn)研究的局限，尖軌跟端鍛壓段正火噴風(fēng)未能全部達(dá)到在線熱處理鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的H370性能指標(biāo)，但結(jié)果表明優(yōu)于TB/T1779-93《道岔鋼軌件淬火技術(shù)條件》規(guī)定指標(biāo)，滿足生產(chǎn)與工藝要求。

5　結(jié)論與建議

（1）尖軌跟端鍛壓段正火后采用三面噴風(fēng)器連續(xù)噴風(fēng)冷卻工藝，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以達(dá)到TB/T1779-93《道岔鋼軌件淬火技術(shù)條件》、TB/T1354-79《鋼軌實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)方法》與正火噴風(fēng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求：表面硬度平均值340HBW，最大波動(dòng)值27HBW，踏面第3點(diǎn)HRC硬度≥32.0，抗拉強(qiáng)度Rm≥1160MPa，延伸率A≥12.5%，低倍腐蝕無(wú)缺陷，金相組織為細(xì)片狀珠光體及少量鐵素體組織，疲勞壽命2×106次不斷。

（2）尖軌跟端鍛壓段采用正火噴風(fēng)工藝，節(jié)約了成本，避免了離線熱處理打火等問(wèn)題，保證了尖軌跟端質(zhì)量，同時(shí)提高了尖軌的生產(chǎn)效率。

（3）建議摒棄尖軌跟端離線熱處理，對(duì)目前的尖軌制造過(guò)程中正火工藝進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在線熱處理。設(shè)備改造完成，避免溫度降低和風(fēng)壓不足等問(wèn)題，尖軌跟端性能提升空間仍很大。

參考文獻(xiàn)：

［1］蔣榮國(guó).鐵路道岔60AT鋼軌跟端表面硬度均勻化研究［J］.金屬熱加工,2011,21：42-45

［2］蔣紅亮.客運(yùn)專(zhuān)線道岔尖軌熱處理工藝與裝備的優(yōu)化［J］.金屬熱處理,2011,（10）,48-54

［3］TB/T3109-2013,鐵路道岔用非對(duì)稱(chēng)斷面鋼軌［S］

［4］TB/T2344-2012,43kg/m～75kg/m鋼軌訂貨技術(shù)條件［S］

［5］TB/T1779-93,道岔鋼軌件淬火技術(shù)條件［S］

［6］TB/T1354-79,鋼軌實(shí)物彎曲疲勞試驗(yàn)方法［S］

［7］鐘坤麟.防止感應(yīng)加熱時(shí)打火燒傷工件的方法［J］.金屬熱處理,1984,3：54-56

On the Process of Normalization Jetting Air for Forging of Heel Area in AT Switch Rail

MA Fei
（China Railway Construction Heavy Industry Co. Ltd. Hunan Zhuzhou 412005 China）

Abstract：After the heel of AT switch rail is forged and shaped, resistance furnace is adopted to heat and keep warm. The process that jetting air by three-sides air jetter to cool continuously and normalizing quickly can improve the hardness, strength and toughness of heel forging area of AT switch rail and guarantee the uniformity of performance by controlling the cooling speed. Experimental results show that, after normalizing and cooling by jetting air, the average value of surface hardness of the heel forging area of AT switch rail is 340HBM, the biggest fluctuating value is 27HBW, HRC hardness of the third point on tread is larger and equal to 32.0, tensile strength Rm is larger and equal to 1 160 MPa, ductility A is larger and equal to 12.5 %. The low power corrosion, metallographic structure and fatigue life conform to the regulation. It is suggested that the process of off-line heating treatment after heel forging area of the switch rail is normalized should be improved, and the process of on-line cooling by jetting air through normalizing temperature should also be adopted. Thus the uniformity of heel area's performance will be improved, the cost of energy and labor will be saved, and the productivity of switch rail will also be improved.

Key words：AT switch rail heel forging area normalization jetting air uniformity process improvement

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TG31A

文章編號(hào)：1673-1816（2016）01-0010-06

收稿日期：2015-11-14

作者簡(jiǎn)介：馬菲，男，本科，中級(jí)工程師，研究方向土木工程。