道岔鋼軌頂斷的原因分析及控制措施

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 （陜西寶雞 721006） 高 凡 張大偉

鐵路用道岔是將鋼軌通過(guò)加工制造而成，道岔軌件的加工工藝流程為：鋸切下料→跟端壓形→鉆孔→軌件銑削加工→淬火→矯直（頂彎）→組裝。包括原材鋼軌缺陷及應(yīng)力在內(nèi)，在軌件加工過(guò)程中除了下料和組裝工序外的所有工序的加工質(zhì)量都直接影響著鋼軌矯直（頂彎）時(shí)的折斷率。本文著重分析導(dǎo)致道岔軌件在矯直（頂彎）過(guò)程中折斷的原因，提出相應(yīng)工藝措施，提高軌件加工工序的質(zhì)量，降低軌件折斷率，為提高鋼軌加工效率，節(jié)約制造成本提供參考。

一、道岔鋼軌的制造過(guò)程及缺陷

鋼軌的生產(chǎn)大致可以分為三個(gè)階段，即冶煉、軋制和精整。鋼軌鋼的冶煉是將鐵礦石經(jīng)冶煉成鐵液，再將鐵液冶煉成所需化學(xué)成分并澆注成鋼錠；將此鋼錠先后經(jīng)過(guò)多道次的軋制形成所需斷面的鋼軌，隨后進(jìn)行鋼軌緩冷、矯直、銑頭、倒棱、熱處理及質(zhì)量檢驗(yàn)等工序得到成品軌件。鋼軌在冶煉、軋制及后續(xù)冷卻過(guò)程中如控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致原材產(chǎn)生一系列宏觀及微觀缺陷，如白點(diǎn)、縮孔、偏析、夾雜、脫碳、軋痕及折疊等。此外，在道岔軌件的加工過(guò)程中產(chǎn)生的如棱角、毛刺和異常組織等加工缺陷，都會(huì)導(dǎo)致道岔鋼軌在后期加工過(guò)程中產(chǎn)生頂斷。

二、道岔軌件的斷口檢測(cè)與分析

針對(duì)道岔軌件實(shí)際加工過(guò)程中產(chǎn)生的頂斷現(xiàn)象，在軌件斷口裂紋源附近取樣并經(jīng)金相顯微鏡觀察，分析其斷裂原因。

1.原材斷口缺陷與分析

（1）折疊斷口 在道岔軌件的日常生產(chǎn)中，由于鋼軌原材缺陷引起的鋼軌在矯直（頂彎）過(guò)程中發(fā)生斷裂的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，常見(jiàn)的如軌頭和軌底折疊，軋痕及軌頭內(nèi)部核傷等。圖1為鋼軌原材軌頭與軌底側(cè)肢外表面處缺陷宏觀形貌。圖1a箭頭所指為鋼軌軌頭側(cè)面折疊，可以看到斷口處放射紋在軌頭側(cè)表面的集聚末端為斷裂源，圖1b箭頭所指為鋼軌軌底側(cè)肢處折疊導(dǎo)致的斷裂。折疊是因軋制不良造成的一種鋼軌表面缺陷，其形貌似裂紋，多是由于孔型設(shè)計(jì)不良或軋機(jī)調(diào)整不當(dāng)造成軋件上出現(xiàn)耳子，在經(jīng)軋制將耳子壓平后形成的。圖1c為折疊處的金相組織照片，箭頭處為顯微裂紋，可以看到折疊處裂紋附近金屬脫碳較嚴(yán)重，此處裂紋在外力作用下易萌生及擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼軌斷裂。

圖1 鋼軌軌頭與軌底側(cè)肢外表面處缺陷宏觀形貌

（2）軋痕斷口 圖1d箭頭所指為鋼軌軌底側(cè)肢處軋痕，它是鋼軌在熱軋過(guò)程中，由于軋輥上粘有氧化皮或孔型掉肉及軋件在移動(dòng)過(guò)程中被其他附屬設(shè)備刮傷，而在鋼軌表面形成的凹坑或凸起，此處易產(chǎn)生應(yīng)力集中及脫碳等缺陷，在外力的作用下導(dǎo)致鋼軌加工及使用過(guò)程中產(chǎn)生斷裂。

為避免以上折疊及軋痕缺陷導(dǎo)致鋼軌在加工與使用過(guò)程中產(chǎn)生斷裂，需要對(duì)缺陷部位進(jìn)行打磨處理，同時(shí)保證鋼軌外形圓滑，避免鋼軌在加工過(guò)程中頂斷。對(duì)于鋼軌折疊、軋痕等嚴(yán)重缺陷的軌件，應(yīng)退回廠家不予使用，同時(shí)加強(qiáng)原材鋼軌的進(jìn)廠檢驗(yàn)，確保鋼軌原材進(jìn)廠質(zhì)量滿足加工與使用要求。

（3）應(yīng)力斷口缺陷 由于鋼軌在軋制及后續(xù)加工過(guò)程中軌底會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，為此在實(shí)際加工過(guò)程中由于鋼軌軌底應(yīng)力較高導(dǎo)致的頂斷率也較高，尤其是AT鋼軌及軋制翼軌。技術(shù)要求雖然規(guī)定軌底縱向殘留應(yīng)力應(yīng)小于250MPa，但是鋼軌軋制應(yīng)力是不均勻的，有的高于此值。而對(duì)于制造道岔的鋼軌，需要根據(jù)道岔設(shè)計(jì)要求，將鋼軌件頂成不同形狀的彎，有的彎矩較大。因此，在頂彎時(shí)，當(dāng)外力超過(guò)軌底的拉應(yīng)力時(shí)，鋼軌就會(huì)從軌底產(chǎn)生斷裂，圖2所示為鋼軌短支側(cè)軌底斷口宏觀形貌。相比之下，正線上的鋼軌一般不經(jīng)過(guò)淬火、矯直及頂彎，因此應(yīng)力值只要在要求范圍內(nèi)，而且隨著鋼軌在使用過(guò)程應(yīng)力的釋放，斷軌的情況較少。因此，為了降低鋼軌在矯直（頂彎）過(guò)程中產(chǎn)生的斷裂幾率，不僅需要操作人員根據(jù)實(shí)際情況控制好矯直（頂彎）變形量及矯直力，而且在矯直（頂彎）較大彎折支距的鋼軌時(shí)，采用對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)熱的方式，預(yù)熱溫度應(yīng)適當(dāng)，必須控制在300℃以下，保證鋼軌的性能。

圖2 鋼軌短支側(cè)軌底斷口宏觀形貌

2.加工斷口缺陷與分析

（1）鋼軌軌腰螺栓孔的斷口缺陷 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，從軌腰螺栓孔的位置產(chǎn)生的斷裂達(dá)60%以上，斷裂的原因主要是孔的邊緣無(wú)倒角，或倒角不均勻、毛刺未清理干凈，在外力作用下，此處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而萌生裂紋及裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂，圖3所示分別為鋼軌軌腰鉆孔缺陷的斷口宏觀形貌與金相組織，孔附近的組織為索氏體，箭頭所指為未倒棱角。因此，必須按技術(shù)要求在鉆孔完畢后，倒角并將毛刺清理干凈，從而降低斷軌的數(shù)量，實(shí)踐證明可明顯減少此種斷軌率達(dá)90%以上。

圖3 鋼軌軌腰孔缺陷的斷口宏觀形貌與金相組織

（2）鋼軌刨切面的表面粗糙度過(guò)大導(dǎo)致的斷裂為了加工成滿足使用要求的道岔軌件，有些鋼軌需要進(jìn)行銑削加工，在此過(guò)程中，如果鋼軌刨切或銑削時(shí)進(jìn)給量過(guò)大，由于加工面表面粗糙度值較大，會(huì)產(chǎn)生局部棱角及魚(yú)鱗紋從而造成尖角應(yīng)力效應(yīng)，在矯直（頂彎）時(shí)容易斷裂，如圖4所示分別為鋼軌軌頭及軌底銑刨缺陷的宏觀形貌。為此，在刨切加工過(guò)程中盡量減小進(jìn)給量，降低鋼軌表面粗糙度值，當(dāng)出現(xiàn)表面粗糙度值過(guò)大時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨，以保證鋼軌加工質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)中，由于刨床加工人為及刀具的性能因素影響較大，建議采用銑床進(jìn)行鋼軌加工。

圖4 鋼軌軌頭及軌底銑刨缺陷的斷口宏觀形貌

（3）鋼軌感應(yīng)淬火硬化層不足及異常組織導(dǎo)致的斷裂 道岔鋼軌的加工過(guò)程中，為了提高鋼軌的使用壽命，需對(duì)鋼軌進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火，從而獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼軌硬度、硬化層深度及內(nèi)部組織。但是實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)鋼軌淬火變形較大，硬化層深度較淺、組織不均勻及過(guò)渡段出現(xiàn)異常組織時(shí)，易導(dǎo)致在矯直（頂彎）過(guò)程中發(fā)生斷裂，圖5所示為由于硬化層深度只有3mm（標(biāo)準(zhǔn)要求大于8mm）而導(dǎo)致的鋼軌在矯直過(guò)程中產(chǎn)生的斷口宏觀形貌，硬化層微觀組織為索氏體。此外，熱處理過(guò)程中由于加熱或冷卻不當(dāng)，軌頭硬化層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生異常組織，圖5d所示軌頭內(nèi)部異常金相組織為馬氏體+貝氏體+殘留奧氏體，其局部硬度達(dá)45HRC，在矯直（頂彎）過(guò)程中此脆性相極易導(dǎo)致鋼軌斷裂。為此，要求操作人員嚴(yán)格執(zhí)行工藝，增大加熱層深，細(xì)化組織，降低應(yīng)力，通過(guò)預(yù)彎及熱處理參數(shù)的調(diào)整減小鋼軌變形，避免異常組織的產(chǎn)生，從而減少鋼軌矯直（頂彎）過(guò)程中產(chǎn)生的斷裂，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖5 硬化層不足的鋼軌軌頭在矯直過(guò)程中產(chǎn)生的斷口宏觀形貌與金相組織

三、結(jié)語(yǔ)

在以往道岔軌件的實(shí)際生產(chǎn)中，分析了鋼軌原材及加工過(guò)程缺陷導(dǎo)致的軌件矯直（頂彎）斷裂原因，采用金相顯微鏡對(duì)鋼軌斷口試樣進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，折疊、軋痕、殘留應(yīng)力、螺栓孔棱角毛刺、銑刨棱角、熱處理硬化層及異常金相組織為導(dǎo)致鋼軌矯直（頂彎）斷裂的原材及加工缺陷原因。針對(duì)以上原因，制訂了有效的控制措施，尤其是加強(qiáng)鋼軌原材檢驗(yàn)、鉆孔后的棱角打磨及熱處理過(guò)程控制，顯著降低了鋼軌矯直（頂彎）的頂斷率，提高了鋼軌加工效率，節(jié)約了道岔鋼軌制造成本。

（20130813）