重載道岔尖軌跟端鍛壓及熱處理工藝研究

閆佳，張琦，李向前，尉小明

鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司 北京 102200

1 序言

在重載鐵路中，道岔的功能是實(shí)現(xiàn)列車行車線路的轉(zhuǎn)變[1]。尖軌是道岔區(qū)間中的核心部件之一，是列車平穩(wěn)轉(zhuǎn)換線路的關(guān)鍵。目前，尖軌采用60AT1型特種斷面鋼軌制造，但由于其斷面不對(duì)稱，不能直接與正線75kg/m型標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱重型鋼軌連接，需將尖軌跟端鍛壓成標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱軌型，在兩種軌型之間形成過(guò)渡。近期，鐵路行業(yè)頒布實(shí)施了新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2344.3—2018《鋼軌 第3部分：異型鋼軌》[2]，對(duì)軌件跟端性能提出了更高的要求。因此，針對(duì)新的標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司開(kāi)展了尖軌跟端（60AT1-75）鍛壓及熱處理工藝研究，并對(duì)其完成型式檢驗(yàn)也勢(shì)在必行。

2 尖軌材料及鍛壓跟端結(jié)構(gòu)

表1為鍛壓原材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能，跟端鍛壓原材采用攀鋼生產(chǎn)的60AT1在線熱處理鋼軌，材質(zhì)U75V，軌頭頂面硬度340～400HBW。如圖1所示，尖軌跟端鍛壓成形后經(jīng)150mm過(guò)渡段變成75kg/m軌型，實(shí)現(xiàn)60AT1軌和75kg/m軌之間的過(guò)渡，最終鍛壓跟端與線路鋼軌采用機(jī)械結(jié)構(gòu)固定或焊接方式連接。

表1 鋼軌原材料主要化學(xué)成分及力學(xué)性能

3 尖軌跟端鍛壓及熱處理工藝研究

制備尖軌跟端主要經(jīng)過(guò)鐓粗、中頻感應(yīng)加熱、整體模鍛、鍛壓跟端整體熱處理等工序。主要設(shè)備：天鍛生產(chǎn)的ZY46（3150kN）鐓粗液壓機(jī)和5000T（約50MN）鍛壓生產(chǎn)線；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所生產(chǎn)的350kW在線熱處理鋼軌鍛壓跟端整體熱處理生產(chǎn)線。

3.1 鐓粗工藝研究

通常異型鋼軌跟端都是由AT軌直接經(jīng)過(guò)中頻感應(yīng)加熱和鍛造成形，但是由于601AT軌和75kg/m軌外形尺寸及橫截面面積差別較大，在鍛壓過(guò)程中較難控制金屬的塑性流動(dòng)，會(huì)對(duì)合模程度或充型程度產(chǎn)生影響，從而影響跟端最終成形。例如，在軌頭下顎和軌底區(qū)域容易形成缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低，故當(dāng)前的跟端鍛壓設(shè)備及工藝不能滿足將其直接鍛壓成形的條件。通過(guò)鐓粗處理調(diào)整60AT1尺寸及橫截面積，減小兩種軌型之間的差異，有助于實(shí)現(xiàn)鍛壓成形。

為了探索鐓粗工藝方案，首先將未鐓粗處理的原材進(jìn)行鍛壓，并對(duì)鍛壓后的成形情況進(jìn)行分析，然后對(duì)60AT1進(jìn)行鐓粗工藝設(shè)計(jì)，如確定鐓粗位置、鐓粗間隔、單次鐓粗量，最終通過(guò)控制加熱溫度、鐓粗整體縮量和鋼軌鐓粗后軌頭寬度，進(jìn)行分段加熱鐓粗。

3.2 鋼軌中頻感應(yīng)加熱工藝研究

結(jié)合目前同行業(yè)鋼軌鍛壓生產(chǎn)現(xiàn)狀，借鑒鍛壓行業(yè)傳統(tǒng)工藝參數(shù)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，確定感應(yīng)加熱溫度為1150℃[3，4]。軌件入爐長(zhǎng)度900mm，感應(yīng)加熱爐滿負(fù)荷啟動(dòng)，紅外線測(cè)溫儀測(cè)量鋼軌軌腰處溫度，當(dāng)溫度顯示達(dá)到1150℃后保溫20s，使軌件溫度均勻化，同一橫截面溫差保持在±50℃以內(nèi)完成軌件加熱。

3.3 鍛壓成形工藝研究

鍛壓工序采用熱作模具整體型腔模鍛成形。首先進(jìn)行有限元仿真成形分析，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，并改進(jìn)跟端加工工藝，從而降低或消除缺陷的產(chǎn)生，提高鍛件的質(zhì)量[5]。具體操作流程：鍛造生產(chǎn)線的自動(dòng)化送料裝置抓取鋼軌，將鋼軌送至感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，待加熱完成后，自動(dòng)化送料裝置將鋼軌送至模具，在送入模具過(guò)程中自動(dòng)化送料裝置將鋼軌翻轉(zhuǎn)-90°～180° 配合模具進(jìn)行壓制；滑塊下行壓制（分為預(yù)鍛、中鍛、精整三個(gè)工位，見(jiàn)圖2）、退回；經(jīng)過(guò)滑塊壓制動(dòng)作后，自動(dòng)化送料裝置將鍛壓好的鋼軌移出壓力機(jī)，再平移到壓力機(jī)另一側(cè)的下料區(qū)。

圖2 60AT1-75跟端成形流程

鍛壓前需要對(duì)每個(gè)工位模具進(jìn)行預(yù)熱，使模具模腔表面溫度達(dá)到200～300℃，模具各部位溫度分布均勻，溫度梯度小。模鍛壓制過(guò)程采用三個(gè)方案進(jìn)行試驗(yàn)，即 “一火三壓”“二火三壓”“二火四壓”。最終結(jié)合成形尺寸合格狀態(tài)，確定60AT-75系列采用“二火四壓”工藝壓制方案，即AT軌在中頻感應(yīng)加熱爐第一次加熱后，經(jīng)由一工位、二工位與三工位連壓，其中三工位模具控制不合模且無(wú)飛邊，然后將跟端返回感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，重新進(jìn)行三工位鍛壓，最后終鍛成形。

3.4 鍛壓跟端熱處理工藝研究

鍛壓跟端的熱處理，主要目的為去除鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及對(duì)鋼軌軌頭進(jìn)行硬化處理，增強(qiáng)鋼軌軌頭的強(qiáng)度和表面耐磨性。在熱處理時(shí)的加熱長(zhǎng)度覆蓋鍛造的加熱長(zhǎng)度，從而徹底去除上工序的影響。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)有工藝，當(dāng)前有兩種跟端熱處理方法：一種是箱式正火+離線淬火，如圖3a所示；另一種是采用新型的鋼軌跟端整體熱處理系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)爐加熱+吹風(fēng)正火，如圖3b所示[6]。目前，上述兩種工藝均可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采用第二種方法更為高效和節(jié)能。

圖3 跟端熱處理示意

4 型式檢驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 外觀、無(wú)損檢測(cè)和型式尺寸

隨機(jī)抽檢5根成品試件進(jìn)行外觀檢測(cè)，在成形段和過(guò)渡段非機(jī)加工表面未見(jiàn)裂紋、折疊、橫向劃痕、結(jié)疤和壓痕；過(guò)渡段部位的軌頭高度、軌腰厚度、軌底相對(duì)于垂直軸偏移量均勻過(guò)渡，各相交面圓順平滑。

抽檢成品試件3根進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)成形段和過(guò)渡段表面噴丸處理后進(jìn)行著色和磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)任何鍛造缺陷。

對(duì)鍛壓段加工后的試件抽檢3根，其外形尺寸均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

4.2 軌頂面硬度、斷面硬度和拉伸性能

60AT1-75鍛壓區(qū)軌頂面硬度和軌頭橫斷面硬度測(cè)量的位置按TB/T 2344.3—2018 《鋼軌 第3部分：異型鋼軌》取樣，軌頂面硬度340～420HBW；軌頭橫斷面硬度高于36HRC；拉伸試樣為φ10mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，檢測(cè)結(jié)果為：成形段及過(guò)渡段的Rm≥1330MPa，A≥11%；以上檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 晶粒度、脫碳層及顯微組織檢驗(yàn)

對(duì)60AT1-75跟端整體熱處理件的跟端過(guò)渡段（G）及母材（M）進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)60AT1-75鍛壓跟端整體熱處理件進(jìn)行表面脫碳層檢測(cè)M-1成形段脫碳層為0.195mm，G-1過(guò)渡段脫碳層深度為0.25mm，如圖4所示。

圖4 脫碳層深度（100×）

分別在鍛壓段試件切取金相試樣，并對(duì)指定部位進(jìn)行顯微組織觀察，顯微組織形貌如圖5所示。

圖5 鍛壓段區(qū)域顯微組織

顯微組織觀察表明：金相組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體組織，未發(fā)現(xiàn)馬氏體和貝氏體等異常組織。

4.4 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)按TB/T 1354—1979進(jìn)行。試驗(yàn)參數(shù)：Pmax=390kN，Pmin=78kN，載荷比γ＝0.2，支距1m，200萬(wàn)次沒(méi)有斷裂。

60AT1-75鍛壓跟端疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 60AT1-75鍛壓跟端疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

1）鐓粗工藝是有效避免跟端鍛壓缺陷的有效方式。

2）控制鍛造加熱溫度，有效避免過(guò)燒、過(guò)熱等現(xiàn)象，是跟端鍛壓工藝質(zhì)量管控的重中之重。

3）通過(guò)工藝研究，并完成型式檢驗(yàn)，結(jié)果表明：微觀組織、脫碳層深度，力學(xué)性能等指標(biāo)均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）60AT1-75跟端鍛壓工藝和整體熱處理工藝可用于實(shí)際生產(chǎn)。