重载铁路道岔60AT-PG4尖轨的感应加热.pdf

第 37 卷第 5 期 2012 年5 月HEAT TREATMENT OF METALS Vol 37 No 5 May 2012 重载铁路道岔 60AT PG4 尖轨的感应加热 张大伟 高凡 张建国 中铁宝桥集团有限公司 陕西 宝鸡721006 摘要 对重载铁路道岔 60AT PG4 尖轨进行了感应加热及喷雾冷却工艺试验研究 检测了尖轨的化学成分及不同断面的显微组织和 硬度 结果表明 PG4 尖轨不同轨头断面硬化层深度在 12 40 mm 范围 断面洛氏硬度在 39 41 5 HRC 之间 轨头两侧硬化层深 度在 9 11 mm 范围 断面洛氏硬度在 37 5 42 HRC 之间 硬化层组织均为索氏体 尖轨轨头踏面硬度平均值为 388 HB 均符合 TB T1779 93 道岔钢轨件淬火技术条件 及 GFKB014 2009 热处理钢轨技术条件 规定的技术要求 关键词 60AT PG4 尖轨 感应加热 硬度 硬化层深度 中图分类号 TG156 33文献标志码 A 文章编号 0254 6051 2012 05 0081 04 Induction heating of 60AT PG4 switch rail for heavy haul railway turnout ZHANG Dawei GAO Fan ZHANG Jianguo China Railway Baoji Bridge Group Co Ltd Baoji Shaanxi 721006 China Abstract Induction heating experiment with spray fog cooling was carried out on 60AT PG4 switch rail for turnouts of heavy haul railway The chemical composition and the microstructure and hardness on different cross section of switch rail were measured The results show that the hardened layer depth of rail head of PG4 switch rail on different cross section is 12 40 mm and the hardness on cross section is 39 41 5 HRC The hardened layer depth of two sides of rail head is 9 11 mm and the hardness on cross section is 37 5 42 HRC the microstructure in hardened layer is sorbite The average tread surface hardness of switch rail head is 388 HB These can meet technical requirements for the standards of TB T 1779 1993 Technical rule for quenching of rail turnouts and GFKB014 2009 Technical rule for heat treatment of rails Key words 60AT PG4 switch rail induction heating hardness hardened layer depth 收稿日期 2011 10 20 作者简介 张大伟 1982 男 甘肃金昌人 助理工程师 硕士 主要从 事道岔轨件中频感应热处理工艺及工装的研究与设计等 联系电话 0917 2867543 E mail gaofan crbbi com 近年来 随着铁路运输事业的快速发展 大运 量 高轴重 高密度的铁路运输模式已初步形成 在 这种模式下 钢轨伤损日趋严重 特别是曲线段钢轨 尤为突出 这极大地制约了钢轨的使用寿命 同时 威胁行车安全 影响线路行车效率 增大了线路养护 和维修工作量 为此提高重载铁路钢轨件使用的安 全与可靠性 延长重载铁路钢轨的使用寿命 将显著 改善铁路运输的效率和行车安全 道岔不仅是实现 铁路连接和交叉的重要设备 而且还是影响线路行 车效率和安全的关键环节 尖轨作为其中重要的钢 轨部件 在引导车轮运行的过程中 会受到来自车轮 的冲击与碾压 造成尖轨工作边与轨顶不同程度的 磨损 尤其对于重载铁路 这种磨损更为严重 1 4 为 了提高尖轨强度 改善其耐磨性 延长使用寿命 满 足重载铁路道岔对尖轨耐磨性能的要求 本研究采 用中频感应加热和喷雾连续冷却的方式对 60AT PG4 尖轨轨头进行热处理 使其组织与性能达到标 准与技术要求 160AT PG4 尖轨的特点 PG4 尖轨采用 60AT 矮型特种断面钢轨经铣削加 工成藏尖式结构 其非工作边与基本轨密贴 可以引导 列车运行 尖轨从其尖端开始 轨头断面逐渐增大 至 铣削结束点以后其外形为未加工的标准 60AT 断面 如图 1 所示 在 PG4 尖轨 20 mm 断面之前 其不承受 车轮载荷 20 50 mm 尖轨断面是车轮载荷的过渡段 50 mm 尖轨断面到未加工的 60AT 标准断面则是承受 载荷的主要部分 260AT PG4 钢轨热处理技术要求 60AT PG4 钢轨为攀钢开发的第 4 代微合金化钢 轨 是在 U75V 钢轨的成分基础上添加了适量的 Cr 元 素 其热轧态的抗拉强度 1100 MPa 伸长率 10 硬度为 300 330 HB 之间 其材料化学成分执行 GFKB014 2009 热 处 理 钢 轨 技 术 条 件 标 准 5 60AT PG4 尖轨经感应热处理后 其轨头硬化层组织与 性能指标应符合相关标准的要求 5 6 DOI 10 13251 j issn 0254 6051 2012 05 002 82第 37 卷 图 1 60AT PG4 尖轨不同断面 Fig 1Different cross sections of 60AT PG4 switch rail 3试验材料及方法 3 1试验材料 本次试验用 60AT PG4 钢轨长度为 7 m 在其上切 取厚度为 15 20 mm 的轨头试样 依据 GB T 4336 2002 碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析 方法 常规法 在 PDA 7000 直读光谱仪上对其进行 化学成分检测 其主要化学成分与标准对比见表 1 所列 表 1 60AT PG4 钢轨化学成分及标准对比 Table 1Chemical compositon and standard requirements of 60AT PG4 rail 名称CSiMnPSVCr PG4 钢轨0 73 0 660 780 0100 011 0 39 GFKB014 2009 0 72 0 82 0 50 0 80 0 70 1 05 0 025 0 025 0 12 0 70 图 360AT PG4 尖轨轨头不同横断面硬化层形状 深度及硬度分布 Fig 3Shape depth and hardness distribution of hardened layer of 60AT PG4 switch rail head on different cross sections 3 2试验方法 根据 60AT PG4 尖轨 后面简称 PG4 尖轨 的化 学成分和特点 对其进行中频感应加热 喷雾冷却热 处理 采用 60 轨头门形加热感应器 冷却为四节喷雾 箱组成的喷雾装置 如图 2 所示 由于尖轨为变截面 长大杆件 所以在尖轨的不同断面部分采用不同的走 行速度和喷雾水量 以保证尖轨轨头加热层深度及过 冷度 PG4 尖轨热处理工艺试验参数见表 2 所列 图 260AT PG4 尖轨的感应加热 a 与喷雾冷却 b 装置 Fig 2Apparatus of induction heating a and spray fog cooling b for 60AT PG4 switch rail 表 2 PG4 60AT 尖轨感应热处理工艺试验参数 Table 2Experimental parameters of induction heating for 60AT PG4 switch rail 断面 mm 钢轨移动速度 mm min 1 轨头加热 温度 风压 MPa 喷水量 L h 1 回火 温度 5 20500 10 20 50550 10 50 71620 10 850 1000 0 1 0 02 30 4550 570 40 4570 600 50 4570 600 第 5 期张大伟 等 重载铁路道岔 60AT PG4 尖轨的感应加热83 在感应热处理后的 PG4 尖轨 20 50 mm 及标准 60AT 轨头横断面轨顶处 磨去 0 5 mm 脱碳层 检测其 表面布氏硬度 三点取其平均值 再切取 PG4 尖轨的 20 50 mm 及标准60AT 轨头断面处厚为 20 mm 的断面 洛氏硬度及金相试样 尖轨轨头不同横断面硬化层形 状 深度及硬度分布见图 3 所示 其中第一硬度测点距 表面3 mm 其余各点间距 3 mm 阴影区域为示意硬化 层区域 金相试样经磨制抛光后用硝酸酒精侵蚀 5 6 4结果及分析 4 1显微组织 由于 PG4 钢轨的化学成分中含有元素 Cr 这使钢 的连续冷却 CCT 曲线明显右移 这不仅使相同冷速条 件下获得的珠光体片间距更细化 而且使获得细片珠 光体的冷速降低 从而使产生异常组织的冷速范围扩 大 即更易产生异常组织 如贝氏体或马氏体 7 11 因此 结合现场生产实际及轨件特点 参考 PG4 钢轨 的 CCT 曲线 将轨头加热到 1000 冷却速度控制在 3 s 以下 制定轨件试验参数如表 2 所列 以保证距 轨顶一定深度范围内被加热的尖轨轨头部分金属能够 奥氏体化 并在后续冷却过程中 这部分金属在相变不 产生异常组织的条件下 以适当的冷却速度完成组织 转变 从而获得所需的组织与性能 图 4 所示为 PG4 尖轨经感应加热喷雾冷却后 20 mm 50 mm 及标准 图 4感应加热喷雾冷却后 PG4 尖轨 20 50 mm 及标准 60AT 轨头横断面处的宏观形貌 a 尖轨 20 mm 轨头断面 b 尖轨 50 mm 轨头断面 c 标准 60AT 轨头断面 Fig 4Macrographs of PG4 switch rail head on 20 50 mm and 60AT cross sections after induction heating and spray fog cooling a 20 mm cross section b 50 mm cross section c 60AT cross section 60AT 轨头横断面处的宏观形貌照片 可以看到 硬化 层为帽形 其中颜色较深的区域为轨头硬化区 颜色较 浅的区域为原材组织区域 经测量尖轨 20 mm 50 mm 及标准60AT 轨头踏面硬化层深度 a 分别为 12 14 5 及 40 mm 轨头两侧硬化层深度 b 在 9 11 mm 范围 符合 标准要求 见表 3 所列 硬化层组织为索氏体 未见贝 氏体和马氏体等异常组织 显微组织照片如图5 所示 4 2硬度及分布 PG4 钢轨的化学成分中含有固溶强化元素 Cr 其 与 Fe 可形成置换式固溶体 与碳形成多种碳化 物 能够起到固溶和弥散强化的作用 并能改善基体 抗氧化和抗蚀能力 此外 一定含量的 Cr 元素能够 在组织转变过程中细化珠光体片间距 这些效果共 同作用 从而提高钢的强度和耐磨性 8 9 表 3 所列 为 PG4 尖轨 20 50 mm 及标准 60AT 轨头横断面硬 度及硬化层深度 其硬度值及分布可见图 6 所示 表 4 所列为 PG4 尖轨 20 50 mm 及标准 60AT 轨头 横断面轨头踏面硬度 可以看到 经热处理后 由于 轨头表面冷速较大 内部冷速较小 所以轨头尖轨不 同断面洛氏硬度由表及里逐渐降低 中心和圆角部 图 5 PG4 尖轨轨头硬化层显微组织 a 踏面 b 圆角 Fig 5Microstructure of the hardened layer for PG4 switch rail head a rail tread b rail corner 84第 37 卷 分硬度分别在 39 41 5 HRC 和 37 5 42 HRC 之 间 较原材断面硬度提高 14 以上 尖轨不同断面 轨头踏面硬度平均值为 388 HB 较原材提高 18 以 上 结果均符合标准要求 表 360AT PG4 尖轨轨头不同横断面硬度及硬化层深度 Table 3Hardness and depth of the hardened layer of 60AT PG4 switch rail head on different cross sections 尖轨断面 mm 横断面硬度 HRC 硬化层深度 mm A1 A4B1 B5C1 C5ab1b2 原材标准 60AT 轨头35 5 34 035 5 34 034 0 32 5 2040 5 39 0 40 5040 5 39 042 5 41 539 5 38 014 51110 标准 60AT 轨头41 5 39 042 0 39 040 0 37 5121010 GFKB014 2009 及 TB T 1779 1993 标准要求37 4437 4437 44 8 6 6 图 6 60AT PG4 尖轨轨头不同横断面硬度分布 Fig 6Hardness distribution of the hardened layer of 60AT PG4 switch rail head on different cross sections 表 4 60AT PG4 尖轨不同横断面轨头踏面硬度 Table 4Hardness of rail tread of 60AT PG4 switch rail head on different cross sections 断面 mm20 50标准 60AT 轨头 平均值 踏面硬度 HB 380394375 381388388 405395 384388 注 原材硬度为 300 330 HB GFKB014 2009 标准要求硬度370 415 HB 5结论 通过对 60AT PG4 尖轨的感应加热喷雾冷却工 艺试验研究 结果表明 PG4 尖轨 20 50 mm 及标准 60AT 轨头断面硬化层深度 a 在 12 40 mm 轨头两 侧硬化层深度 b 在 9 11 mm 范围 硬化层金相组织 为索氏体 轨头中心和圆角部分断面洛氏硬度分别 在 39 41 5 HRC 和 37 5 42 HRC 之间 较原材断 面硬度提高 14 以上 尖轨轨头踏面硬度在 375 405 H