功能梯度材料技術(shù)在道岔翼軌上的應(yīng)用

摘 要：為了實現(xiàn)功能梯度材料技術(shù)在道岔翼軌上的使用，在功能材料配方、熱處理參數(shù)的選擇、翼軌機械加工工藝等方面都進(jìn)行了大量試驗和研究，成功實現(xiàn)了功能梯度材料在翼軌上的應(yīng)用，加強了翼軌的耐磨性能，延長了翼軌的使用壽命。

關(guān)鍵詞：功能梯度材料；焊接；翼軌

1 概述

隨著我國高速重載鐵路的快速發(fā)展，列車運行速度、承載重量和密度不斷增加，致使線路上使用的合金鋼組合轍叉壽命大幅降低、更換周期大幅縮短，而造成合金鋼組合轍叉壽命降低的主要原因是由于翼軌磨耗嚴(yán)重而造成下道，目前所使用的轍叉翼軌大多是用在線淬火鋼軌制成，經(jīng)現(xiàn)場使用，由于其耐磨性能不高，導(dǎo)致轍叉使用壽命較短，更換頻繁，與轍叉設(shè)計要求通過運量2億噸，甚至3億噸的目標(biāo)相差較大，不僅增加了運營成本，大大增加了線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量，而且使運輸組織和效率也受到了很大影響。

因此，將功能梯度材料技術(shù)應(yīng)用到翼軌上不僅可有效解決以上問題，延長翼軌使用壽命，從而提高合金鋼組合轍叉整體使用壽命和更換周期、提高運輸效率，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和市場前景。

2 選題理由

2.1 功能梯度材料簡介

功能梯度材料是指在一個構(gòu)件的不同部位需要適應(yīng)不同的性能要求時，其構(gòu)件不同部位的材料也與之相適應(yīng)地有所不同，也就是構(gòu)件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化學(xué)成分、不同的性能特點及不同的組織結(jié)構(gòu)，二者銜接部分則具有連續(xù)變化的性能狀態(tài)及顯微組織結(jié)構(gòu)，使之成為一個有機結(jié)合的整體。

2.2 功能梯度材料在翼軌上的應(yīng)用

現(xiàn)有合金鋼組合轍叉的結(jié)構(gòu)，由于有害空間的存在，使用中形成翼軌局部區(qū)域?qū)囕喌闹С忻嬉蠕撥壵５闹С忻嫘〉枚啵簿褪瞧鋯挝幻娣e上所承受的車輪壓力將遠(yuǎn)大于鋼軌，因此，要保證翼軌具有較長的使用壽命，就需要相應(yīng)地提高該區(qū)域翼軌工作面的硬度和強度。因此，本課題的任務(wù)就是在翼軌頂面復(fù)合一層功能梯度材料耐磨層，以提高其工作層的硬度和強度，增強翼軌的強度和耐磨損性能，從而延長其使用壽命。

如上所述，由于翼軌工作時， 不僅產(chǎn)生與車輪的磨擦， 而且還有車輪傳遞過來的擠壓力和撞擊力。因此，對翼軌這樣一個由鋼軌鋼制成的細(xì)長桿件而言，不僅要有較高的抗磨損性能，同時還要具備良好的抗沖擊能力。功能梯度材料耐磨翼軌的研發(fā)，目的就是利用堆焊焊接工藝，在翼軌的工作面形成一定厚度，且具有較高硬度（設(shè)計硬度予計為HRC 42～45）和良好沖擊性能（Aku>15）的耐磨層。圖1所示即為在翼軌工作面上，采用梯度材料復(fù)合后的工作斷面。

3 研究內(nèi)容及試制過程

3.1 梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計、試驗

對于耐磨材料而言，提高耐磨性的必要途徑是提高材料的硬度，而材料的硬度又與其化學(xué)成分和金相組織有關(guān)。因此，梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計，首先是選擇添加能導(dǎo)致材料硬化的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni，而同時必須考慮這些元素加入量對金相組織穩(wěn)定性的影響，通過試驗確定合金系統(tǒng)設(shè)計見表1：

金相組織：基體鋼軌母材仍保持細(xì)珠光體組織，復(fù)合層中無淬火馬氏體組織。

3.2 電弧焊梯度焊接

由于梯度材料與翼軌工作面復(fù)合的工藝采用電弧焊接實現(xiàn)，電弧熱量較高，且加熱面積比較集中，無論成分或溫度的變化，都有可能導(dǎo)致組織以及硬度的變化，因此，在制定工藝的時候，課題組對如何保證整個復(fù)合層成分、溫度（包括加熱溫度和冷卻速度）的均勻性做了大量實驗，最終均通過設(shè)備自動控制功能得以實現(xiàn)。

在裝備的設(shè)計中，除必須保證工藝實施上的要求外，還應(yīng)能最大限度地減小翼軌在處理過程中的變形和殘余應(yīng)力，以免在隨后的調(diào)直和矯正時出現(xiàn)開裂（本論文中以制作工藝為主，焊接設(shè)備不在此贅述）。

3.3 梯度材料的熱處理

目前線路上合金鋼組合轍叉中的翼軌、叉跟軌采用在線熱處理鋼軌制作，其硬度在HRC36左右，與合金鋼心軌硬度HRC38～42有一定差別，且線路上因翼軌磨耗超限下道的合金鋼組合轍叉居多。為此我們采用功能梯度材料對翼軌進(jìn)行強化，并通過優(yōu)化整體鋼軌淬火工藝，提高翼軌工作面的硬度和強度使翼軌軌頭硬度達(dá)到HRC42～45，這樣不僅可延長翼軌使用壽命，而且可提高轍叉的整體壽命。

課題組在現(xiàn)有鋼軌中頻淬火生產(chǎn)線和先噴風(fēng)后噴霧的熱處理工藝的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行淬火試驗，即調(diào)整小車變頻頻率、加熱后的冷卻風(fēng)壓、水量，使淬火翼軌軌頭硬度達(dá)到HRC42～45，并進(jìn)行取樣檢測，確定了提高鋼軌軌頭淬火硬度的工藝參數(shù)，見表2：

課題組利用表中工藝參數(shù)處理的鋼軌試件取樣，委托中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所進(jìn)行了檢測，檢測的軌頭硬化層硬度、深度和金相組織滿足TB/T1779標(biāo)準(zhǔn)要求，且硬度達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

3.4 功能梯度材料處理翼軌的機械加工工藝

確定功能梯度材料翼軌的制作工序和機加工工藝如下：

3.4.1 下料：用卷尺量取鋼軌尺寸4855mm，然后鋸切，鋸切端面垂直度不大于1.0mm。

3.4.2 鉆孔：鋼軌定位后用75魚尾孔鉆模板鉆出趾端魚尾孔，直徑31mm三個通孔。

3.4.3 劃線、頂彎：按照轍岔開向劃出相應(yīng)軌頭、軌底銑削位置，按轍叉開向頂彎，彎折段要圓順。

3.4.4 銑軌底：按劃線位置銑削軌底。

3.4.5 銑工作邊軌底：按劃線位置銑削工作邊軌底。

3.4.6 銑軌頭：按劃線位置銑削軌頭。

3.4.7 扭軌底坡：在鋼軌扭轉(zhuǎn)機上扭轉(zhuǎn)翼軌跟端170mm范圍內(nèi)1：40軌底坡。

3.4.8 垂直調(diào)彎：在調(diào)直機上頂出鋼軌垂直彎5mm，并保證軌底各直線段的直線度不大于1.5mm。

3.4.9 質(zhì)量檢驗按《合金鋼組合轍叉質(zhì)量檢驗實施細(xì)則》的要求檢測。

3.5 功能梯度材料翼軌的探傷檢查

翼軌處理完成后進(jìn)行磁粉和超聲波探傷檢查，均無異常。

3.6 梯度材料翼軌加工工序及技術(shù)要求

梯度材料翼軌加工工序及技術(shù)要求見表3。

根據(jù)確定的淬火工藝參數(shù)課題組試制了一組高強度、高硬度的75kg/m翼軌并進(jìn)行了整組轍叉的試制組裝，以滿足重載線路大軸重、高密度和大運量運營狀況下對合金鋼組合轍叉使用壽命的需求。

4 功能梯度材料的性能檢測

為了驗證功能梯度材料的力學(xué)性能，課題組按照鐵標(biāo)相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了力學(xué)性能取樣送檢，經(jīng)中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所檢測，結(jié)果如下。

4.1 力學(xué)性能

4.1.1 拉伸性能（均符合要求），見表4。

4.1.2 沖擊性能（均符合要求）。

采用夏比U型缺口沖擊實驗法，環(huán)境溫度為20度，結(jié)果見表5。

4.2 經(jīng)復(fù)合梯度材料耐磨層工藝處理后鋼軌的整體落錘性能試驗

為保證功能梯度材料耐磨翼軌運行的安全性，我們對經(jīng)梯度材料復(fù)合工藝處理后的6根鋼軌分別按TB/T 2344-2012 （落錘高度9.1m）和TB/T 1632.2-2005 （落錘高度5.2m） 標(biāo)準(zhǔn)要求委托中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所進(jìn)行了整體落錘性能試驗，試驗結(jié)果全部達(dá)標(biāo)。由此可見，功能梯度材料翼軌的耐磨層復(fù)合工藝過程對鋼軌總體性能不會造成重大影響。

綜上所述，經(jīng)過梯度材料合金系統(tǒng)的設(shè)計、試驗；熱處理工藝試驗；機械加工工藝試制，生產(chǎn)出來的新型翼軌，經(jīng)中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所檢測，性能優(yōu)越，均符合鐵總相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，而且具有較高的硬度值和較好的耐磨性能。2015年7月通過了北京交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院、太原鐵路局工務(wù)處、物資處、總工室和太原、太原南、原平、大同、茶塢工務(wù)段組織的試驗評審會，得到了專家一致認(rèn)可。

5 結(jié)束語

采用與合金鋼心軌性能相匹配的功能梯度材料進(jìn)行強化后的翼軌，預(yù)計壽命為普通翼軌合金鋼組合轍叉的1.5-2倍，從而使合金鋼心軌的使用潛力發(fā)揮到最大，這樣不僅可有效解決線路車流密度加大，與維護(hù)天窗點減少的剛性矛盾，大大減少了養(yǎng)護(hù)維修工時和維修成本，而且可減少因更換轍叉造成對運輸效率的影響，降低運營成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

此外，梯度材料處理翼軌技術(shù)方案還可以運用到舊叉心修復(fù)上，對于因翼軌磨耗，心軌依然完好而下道的轍叉，運用該技術(shù)對翼軌進(jìn)行強化修復(fù)后，可以重新上道。實現(xiàn)修舊利廢，節(jié)支降耗的目的，同時該項技術(shù)在其他易磨損構(gòu)件領(lǐng)域也可深入探討，具有長遠(yuǎn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：寧洪，男，漢族，太原晉太實業(yè)（集團(tuán)）有限公司，副總經(jīng)理，中級職稱，研究方向：鐵道工程。