高速道岔尖轨热处理新工艺研究

142铁道建筑RAILWAYENGINEERING文章编号10031995201205014203高速道岔尖轨热处理新工艺研究王树青，詹新伟中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081摘要高速铁路道岔尖轨制造工艺中，国外用特种断面钢轨整体热处理后，再加工成尖轨；国内用成型尖轨进行热处理的方法，两种工艺各有利弊。本文介绍了道岔热处理采用道岔尖轨非工作面预留，轨底预热和轨头加热相结合的新工艺，降低了轨头与轨底的温差，解决了尖轨热处理过程中上弓变形大、尖轨小断面热处理质量不稳定、与基本轨密贴差的技术难题。道岔尖轨性能指标达到了客专道岔尖轨热处理规定的技术指标，能够满足高速客运专线的使用要求。关键词高速铁路道岔尖轨热处理中图分类号U21363文献标识码B随着铁路运输对道岔的通过速度要求的不断提高，国内外高速道岔发展的一个共同点是迅速朝着大号码道岔发展，因而道岔的长度越来越长，相应的尖轨长度也越来越长。道岔设计从L2号道岔、18号道岔发展到新型的42号道岔，相应配套的尖轨长度就从1388M、1568M发展到4460M。对于客运专线用的62号道岔，则长度更长。1国内外高速道岔尖轨热处理现状高速铁路道岔是轨道结构的最薄弱部分，是限制列车运行速度的关键设备，而其中的道岔尖轨更是列车通过的咽喉，它直接影响列车通过的速度和列车运行的安全。道岔尖轨热处理不但提高了尖轨的强度和耐磨性，延长了尖轨的使用寿命，同时通过热处理提高了尖轨的韧性，提高了尖轨使用的安全性。国外对制造尖轨的特种断面钢轨采用整体热处理后，再加工成尖轨。缺点是道岔钢轨硬度高，加工效率低；辊矫矫直力增大，轨头和轨底的残余拉应力增加；道岔钢轨跟锻部分需要重新热处理，热处理后形成二次加热产生的软化带，不利于行车安全。国内采用的是成型加工成尖轨，再进行热处理的方法。其优点是加工效率高。缺点是热处理工艺要求高，矫直难，与基本轨密贴差。收稿日期2012，0205；修回日期2012，0220作者简介王树青196O一，男，河北交河人，研究员。2道岔尖轨热处理存在的问题21变形问题现有道岔尖轨热处理的设备和工艺只能对一定长度的尖轨进行热处理，技术难点之一是道岔尖轨热处理过程中的变形。由于小号码道岔尖轨整体长度不长，因而上下的变形在生产设备和工艺能够承受的控制调节范围之内。对于高速新型大号道岔超长尖轨，超出目前机械设备设计的工艺控制范围，热处理困难。22热处理质量问题采用道岔尖轨成型加工后进行热处理的另外一个技术难点是，尖轨尖端横断面小，感应加热温度偏低，热处理质量不稳定。23密贴问题再一个技术难点是道岔尖轨热处理后变形较大，尖轨尖端较薄，轨头矫直困难，矫直后尖轨与基本轨密贴差。3高速道岔尖轨热处理新工艺方案研究31加热工艺方案的选择感应加热是利用交变电流通过专门的感应器使被加热工件内部产生涡流，从而将工件加热。它可以进行表面加热也可以进行穿透加热，是一种操作简便、易于自动化控制、工艺稳定的高效节能加热方法。火焰加热属于外热式传导加热，加热速度慢且易造成工件表面过热或加热不透，并且效率低、工艺稳定性差、劳动条件差等，所以普遍采用电感应加热方式。2012年第5期高速道岔尖轨热处理新工艺研究14332冷却工艺方案的选择321喷雾冷却喷雾冷却是风和水的机械混合物，其冷却速度可以通过调节水量而改变。通常流量计控制装有若干个喷嘴的喷雾盒，水量由喷嘴平均分配，冷却速度可以从1CIS到10S范围内调整。喷雾冷却主要是通过吸收水汽带走热量，钢轨表面状态对冷却速度的影响非常大。其优点是冷却速度可以在较大范围内调整，缺点是冷却速度波动范围大，受喷嘴状态影响，与钢轨表面状态有关，易形成马氏体组织。322喷风冷却喷风冷却是通过高效喷嘴，用单一压缩空气对钢轨进行喷射冷却。由于喷风出口压力达到020035MPA，不容易堵塞。当喷嘴结构、与钢轨的距离、喷风压力确定后其冷却速度基本恒定，一般为13S。而喷风冷却是通过高压风将加热钢轨的热量带走，因此对钢轨表面状态是否有锈，是否有油不敏感，且冷却后硬度均匀性好，质量稳定，国际上广泛采用这一冷却方式。33热处理新工艺与原工艺比较图1所示为长道岔尖轨热处理新工艺和现有工艺的比较示意图，图中A为现有工艺，D为新工艺。现有的热处理工艺图1A中，尖轨7在小车5的带动下随着小车从左向右运动，尖轨的轨头依次经过加热感应器1加热，喷风冷却器2和喷雾冷却器3的冷却，从而完成了尖轨的轨头热处理过程。但是由于仅仅加热轨头，所以尖轨热处理过程中的形状如图注1力口热感应器，2喷风冷却器，3一喷雾冷却器，4油缸5小车，6轨底加热感应器，7一钢轨，一为热处理方向图1长尖轨热处理新工艺与现有工艺比较1B所示，尖轨上拱，全长呈“N”形，只能通过液压油缸4的调整继续托举着轨底，否则容易翻倒。而尖轨冷却到室温以后，由于加热的轨头冷却缩短导致尖轨上翘，整体呈“U”形，如图1C所示。尖轨的长度越长，变形的量越大，导致图1B中油缸不能有效托举尖轨导致侧翻，无法完成长尖轨的热处理。新工艺与现有工艺相比，增加了轨底的加热感应器6，从而平衡了尖轨热处理过程中的轨头和轨底变形，保证了长尖轨热处理的完成。34工艺程序道岔尖轨现有工艺流程为下料一锯切一转孔一倒角一机加工轨头工作面、轨头非工作面、轨顶纵坡一热处理一时效一调直一机加工轨底刨切一铣窝一组装。道岔尖轨新工艺流程为下料一锯切一转孔一倒角一机加工轨头工作面、轨顶纵坡一热处理一时效一调直一机加工轨头非工作面、轨底刨切或轨底刨切一铣窝一组装。4试验结果分析研究41硬度试验对客专道岔尖轨采用热处理新工艺进行试验，各化学成分的含量分别为C073，MN085，SI060，S0008，P0016，V0067。分别对尖轨5，LO，50MM断面进行硬度、低倍、金相组织检验。由表1试验结果看到，不同断面的硬化层硬度非常理想，这充分体现了道岔尖轨非工作边预留后感应加热喷风冷却提高尖轨小断面热处理质量的特点。表1尖轨硬化层硬度测量结果HRC42硬化层形状及深度尖轨各断面硬化层深度8MM，硬化层形状为帽形，如图2所示。43硬化层金相组织道岔尖轨热处理前后金相组织虽都是层片状珠光体组织，但热处理后珠光体片间距明显细小，珠光体团也变得均匀细小，提高了道岔尖轨的强韧性，大大提高了其使用性能，如图3所示。铁道建筑一A5MM断面，A12MMB10MM断面，AL5MMC5OITLLN断面，DL3MM，B9MM注17,为踏面硬化层深度，B为侧面硬化层深度图2不同横断面淬硬层形状和深度5分析讨论图3硬化层金相组织51热处理质量分析研究道岔尖轨尖端的热处理质量是高速道岔尖轨关键技术之一。目前道岔尖轨生产厂家采用道岔尖轨加工成型后进行热处理。由于中频感应加热时，尖轨尖端非常薄阻抗小，加热温度低，热处理质量很不稳定。在使用中易产生磨耗、剥离掉块，直接影响铁路的行车安全。热处理前非工作边预留，使道岔尖端最小尖端横断面达到20MM宽以上，如图4所示。由于非工作面预留，使尖轨510MM断面在感应加热中保证了加热温度，在随后的喷风冷却过程中保证了热处理质量稳定。图4道岔尖轨热处理前非工作边预留加工示意52密贴性分析研究客运专线影响轮轨冲击的另外一个重要因素是道岔尖轨与基本轨的密贴性。国内主要采用成型加工热处理后通过矫直达到与基本轨密贴，这种道岔尖轨热处理工艺矫直难，经常发生道岔尖轨密贴不好需要现场重新矫直处理的现象。道岔尖轨非工作面预留工艺是热处理后再进行非工作边机加工。这种新工艺方法由于道岔尖端最小断面达到201TILLQ以上，能够进行轨头矫直处理，矫直效果明显优于加工成型后进行热处理的矫直效果，矫直后进行非工作面加工，很好地解决了道岔尖轨与基本轨密贴的技术难点。53变形分析研究新工艺通过增加轨底预热，降低了道岔尖轨热处理时轨头与轨底的温差，减少了加热时的上弓幅度，热处理后的变形量得到控制，使客专长道岔尖轨能在现有设备上进行热处理，热处理后上弓变形量控制在200MM范围内。热处理后的道岔尖轨上下变形得到了很好控制，减少了矫直工作量，矫直后再进行非工作边加工，从根本上解决了道岔尖轨与基本轨密贴程度差的技术难题。6结论1道岔尖轨热处理新工艺采用尖轨非工作边预留，中频感应加热轨底和轨头相结合，喷风冷却，工艺选择合理，热处理质量稳定可靠。2热处理新工艺减少了轨头与轨底的温差，解决了热处理过程中上弓变形、510MM横断面热处理质量不稳定、与基本轨密贴差的技术难题。性能指标达到了客专道岔尖轨规定的技术指标，能够满足高速铁路的使用要求。参考文