AT尖轨跟端锻压段正火喷风工艺研究

马 菲

（中国铁建重工集团有限公司 湖南株洲 412005）



AT尖轨跟端锻压段正火喷风工艺研究

马 菲

（中国铁建重工集团有限公司 湖南株洲 412005）

摘要：AT尖轨跟端锻压成型后采用电阻炉加热保温、三面喷风器完全喷风连续冷却快速正火工艺，通过控制冷却速度提升AT尖轨锻压段硬度、强度及韧性，使跟端锻压段性能均匀化。试验结果表明，AT尖轨跟端锻压段经正火喷风冷却工艺后表面硬度平均值340 HBW，最大波动值27 HBW，踏面第3点HRC硬度≥32.0，抗拉强度Rm≥1 160 MPa，延伸率A≥12.5 %，低倍腐蚀、金相组织及疲劳寿命均符合标准规定。建议对目前尖轨跟端锻压段正火后离线热处理工艺进行改进，利用正火温度进行在线喷风冷却工艺，提高了跟端性能均匀性，节约了能源、人工成本，提升尖轨的生产效率。

关键词：AT尖轨 跟端锻压段 正火喷风 均匀性 工艺改进

目前，国内高速、提速和大多数普速铁路道岔尖轨均采用AT钢轨制造，与铁路线路标准轨连接就要求连接段加工成标准轨型［1］，于是产生了AT钢轨热模锻压尖轨。AT尖轨类产品跟端压型采用一次加热三次成型的热加工工艺。成型后对锻压跟端通过正火处理，来消除锻压段内应力，细化晶粒。尖轨跟端锻压段正火后，由于跟端表面硬度分布较离散，特别是锻压产生的热影响区比成型段最大表面硬度低70HBW，故厂内还需对尖轨跟端进行离线热处理，来提高锻压段硬度并满足整体性能的均匀性。本文从工艺改进着手，设计三面喷风冷却器，利用正火温度实现在线喷风冷却的热处理工艺［2］。

图1　三面喷风器实物图与剖面示意图

1　三面喷风器设计

由于铁标TB/T3109-2013《铁路道岔用非对称断面钢轨》

［3］

及TB/T2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》

［4］

中要求非对称断面钢轨及标准钢轨轨头下颚进行断面HRC值测试，见图3。为了验证此次工艺研究能否满足上述标准要求，在淬火工序轨顶面喷风器基础上，增设两侧面喷风器，进行了三面喷风器的研究设计。

其结构特点是：三面喷风器共分为2节，每节有1个踏面喷风器和2个侧面喷风器组成，每个喷风器构件都有2个进风口，共12个。踏面喷风器与两侧喷风器通过“U”型板焊接而成一体，由螺栓连接固定在安装架上。喷风器构件不可拆卸；设计428个流线型喷风嘴，喷风嘴平面设计挡铁，防止其断裂，喷风嘴可更换。三面喷风器实物图与剖面示意图见图1。

2　试验材料及技术要求

2.1试验材料

本次试验材料选取材质为U75V的60AT钢轨，主要化学成分（质量分数，%）为0.71～0.80C，0.50～0.80Si，0.75～1.05Mn，≤0.030P，≤0.025S，0.04～0.12V。

表面硬度试样取自钢轨轨头表面，长度尺寸200 mm，厚度25 mm，表面粗糙度Ra=0.8；断面硬度试样尺寸高度50 mm左右，厚度15mm～20mm，断面粗糙度Ra=0.8；拉伸试样直径d0=10 mm，标距L0=5d0，标距及圆角部分Ra=0.8；低倍腐蚀试样，钢轨全断面，厚度8～10 mm，一面粗糙度Ra=0.8，金相试样直径Ø=15 mm，高度15 mm，粗糙度Ra=0.4。

2.2技术要求

目前厂内道岔钢轨件热处理采用TB/T1779-93《道岔钢轨件淬火技术条件》［5］的规定，结合上述3个标准具体要求以及厂内实际情况，制定了尖轨锻压段正火喷风工艺的企业标准，技术要求如下：钢轨断面第3点（踏面起15 mm处）洛氏硬度≥32.0HRC，测点间距5 mm；表面硬度298 HBW ～380HBW，最大波动值≯30HBW；抗拉强度Rm≥1080MPa，延伸率A≥10%；低倍腐蚀无缺陷；淬火层金相组织为细片状珠光体，允许有少量铁素体组织；疲劳寿命2×106次不断裂。

3　试验结果

3.1化学成分

(1)进一步规范体育基金会内部管理，完成体育基金会评估工作，获得评估等级，优先购买政府服务。政府对基金会的资金支持一方面是政府职能转变的需要，另一方面也能有效补充社会对公共服务的需求。目前，政府对基金会的支持已经从直接拨款变为购买项目或公共服务外包，最终形成全社会共同参与、共建共享的发展局面。因此，体育基金会要积极完成评估并获得3A以上评估等级，同等条件下可优先购买政府服务。

试验钢轨的化学成分（质量分数，%）为0.78C，0.68Si，0.87Mn，0.027P，0.013S，0.048V，余量Fe。

3.2宏观形状与低倍腐蚀

图2　跟端成型段、热影响区全断面低倍腐蚀图片

尖轨跟端锻压段正火是将跟端起约1.2m长整体侧立放入箱式正火炉内，经过升温与保温过程，钢轨全断面温度均达到正火温度且较均匀，故喷风完全冷却后钢轨轨头经腐蚀后无明显的淬硬区和基材区，跟端成型段、热影响区全断面低倍腐蚀无缺陷，见图2。

3.3断面硬度

跟端锻压成型段、过渡段横断面试样按照要求进行断面HRC硬度测试，第1点距表面5 mm，其余各点间距均为5 mm。断面HRC硬度检测示意图及结果见图3。

图3　断面HRC硬度示意图及检测结果

3.4表面硬度

跟端成型段、过渡段及1 m范围内进行轨顶面表面硬度测定，检测时轨顶面磨削0.5 mm～1 mm，去除表面脱碳、氧化层的影响。锻压变形段第1点距端头10 mm，其余各点间距为50 mm；锻压热影响区，各个测点间距均为30 mm。表面硬度检测示意图及结果见图4，其硬度数据统计分析见表1。

图4　表面硬度测试示意图及检测结果

表1　表面硬度/HBW统计分析

3.5拉伸性能

拉伸试样取自锻压成型段、过渡段以及热影响区钢轨两圆角部位，共计6个试样。拉伸性能检测结果见表2。

表2　试样的拉伸性能

3.6显微组织

跟端锻压段正火喷风冷却后的变形段与热影响区的金相组织均为细片状珠光体和少量的铁素体组织。图5为尖轨跟端锻压段正火喷风冷却后的典型组织。

图5　跟端锻压变形段、热影响区金相组织

3.7疲劳寿命

AT尖轨跟端锻压成型后正火喷风试验，取3根长度为1.2m的疲劳试验件，进行疲劳寿命试验。试验标准TB/T1354《钢轨实物弯曲疲劳试验方法》［6］，跨距1.0m，试验频率5.0HZ，载荷比r=0.2，载荷上限390KN，下限为78kN，循环加载次数2×106次未断裂。实验示意图见图6。

图6　疲劳试验装置简图

4　分析与讨论

4.1工艺试验局限性分析

本次研究是在跟端锻压段正火的基础上设计三面喷风器，简易连接实现在线冷却工艺试验。钢轨侧立于正火炉内，出炉喷风需要将钢轨吊正，造成了喷风前温度的降低，试验统计每根钢轨搬正的时间在60 s～90 s之间，表面温度降低80 ℃～150 ℃左右。同时，喷风器的连接管道较长，没有充足的空气储存，最大冷却风压未能稳定在0.4 MPa，平均风压为0.05 MPa～0.15 MPa。上述两个因素是影响尖轨跟端锻压段正火喷风工艺中硬度和强度提升的主要原因。

由于尖轨跟端正火只针对锻压成型段与热影响区，长度约1m～1.2m，属于局部加热冷却，从而不可避免地产生热影响区。即使消除了锻压时感应加热的热影响区，正火时也无法避免的产生新的热影响区。

4.2工艺改进

目前，厂内只需跟端热处理的尖轨制造工艺为锯切下料→跟端锻压成型→正火→二次锯切→跟端矫直→铣削底板→钻孔→数控加工→刨切（铣削）帽形→离线热处理→精调。现行工艺不足之处：①跟端热处理需二次加热，浪费电能，增加了人工成本，同时离线热处理增加了矫直难度；②离线热处理属表面感应热处理，由于设备与操作局限跟端加热不均匀，易出现打火现象［7］；③热处理工序的流转，降低了尖轨的生产效率。本次工艺试验研究，摒弃尖轨跟端热处理工序，正火后喷压缩空气连续冷却，实现了尖轨跟端1m在线热处理。节约了成本，避免了跟端淬火的打火、过热或过烧现象，保证了尖轨跟端质量，提高了尖轨的生产效率。

4.3正火喷风标准制定

随着铁标TB/T3109-2013《铁路道岔用非对称断面钢轨》及TB/T2344-2012《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》的相继出台，在线热处理标准钢轨与非对称断面钢轨逐步应用到道岔制造中来，标准规定的钢轨性能要求也越来越高。在线热处理的钢轨全断面加热，温度均匀，无明显的淬硬层和基材区，故不规定淬火层深度及帽形；在线热处理钢轨由于全断面加热均匀，冷却后的淬硬层深度及硬度均较大，测点间距较TB/T1779-93规定2.5 mm增加到5 mm，同时，断面硬度检测增加了轨头下颚两条测试线，详见图3。综合上述标准制定了正火喷风企业标准，由于本次试验研究的局限，尖轨跟端锻压段正火喷风未能全部达到在线热处理钢轨标准中规定的H370性能指标，但结果表明优于TB/T1779-93《道岔钢轨件淬火技术条件》规定指标，满足生产与工艺要求。

5　结论与建议

（1）尖轨跟端锻压段正火后采用三面喷风器连续喷风冷却工艺，经试验验证，可以达到TB/T1779-93《道岔钢轨件淬火技术条件》、TB/T1354-79《钢轨实物弯曲疲劳试验方法》与正火喷风企业标准的要求：表面硬度平均值340HBW，最大波动值27HBW，踏面第3点HRC硬度≥32.0，抗拉强度Rm≥1160MPa，延伸率A≥12.5%，低倍腐蚀无缺陷，金相组织为细片状珠光体及少量铁素体组织，疲劳寿命2×106次不断。

（2）尖轨跟端锻压段采用正火喷风工艺，节约了成本，避免了离线热处理打火等问题，保证了尖轨跟端质量，同时提高了尖轨的生产效率。

（3）建议摒弃尖轨跟端离线热处理，对目前的尖轨制造过程中正火工艺进行改进，实现在线热处理。设备改造完成，避免温度降低和风压不足等问题，尖轨跟端性能提升空间仍很大。

参考文献：

［1］蒋荣国.铁路道岔60AT钢轨跟端表面硬度均匀化研究［J］.金属热加工,2011,21：42-45

［2］蒋红亮.客运专线道岔尖轨热处理工艺与装备的优化［J］.金属热处理,2011,（10）,48-54

［3］TB/T3109-2013,铁路道岔用非对称断面钢轨［S］

［4］TB/T2344-2012,43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件［S］

［5］TB/T1779-93,道岔钢轨件淬火技术条件［S］

［6］TB/T1354-79,钢轨实物弯曲疲劳试验方法［S］

［7］钟坤麟.防止感应加热时打火烧伤工件的方法［J］.金属热处理,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

文献标识码：中国分类号：TG31A

文章编号：1673-1816（2016）01-0010-06

收稿日期：2015-11-14

作者简介：马菲，男，本科，中级工程师，研究方向土木工程。