重载铁路用高强耐磨合金护轨研究

梁　旭,周清跃,刘丰收,张银花

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081)

大秦铁路是我国重要的运煤通道，现已大量开行1万，1.5万和2万t重载列车，并完成了牵引总重为3万t的重载列车运行试验，形成了大运量、高密度的重载铁路运输模式[1]。这种运输模式加快了钢轨、道岔及其部件的伤损，直接影响道岔护轨的使用寿命。

道岔护轨是固定式辙叉道岔的重要部件[2]。其主要作用是覆盖辙叉的“有害空间”，减少岔心轨的磨耗和损伤，从而提高道岔的整体使用寿命。护轨工作面承受与车轮轮背的巨大摩擦力，主要伤损形式为工作面磨耗。因此，提高工作面的硬度对于延长护轨的使用寿命有显著的作用[3]。

我国目前通常采用U75V钢经轧制和轨头热处理后制成槽型护轨(简称淬火护轨)。在淬火护轨的生产和使用过程中存在的主要问题有：①非对称异型断面的淬火护轨在热处理过程中易发生扭曲变形[4]；②各生产厂家离线热处理工艺的设备和工艺存在差异，淬火护轨的质量稳定性较差，甚至存在不合格产品上道使用；③采用不合格钢坯轧制生产的槽型护轨经热处理后，硬度常常偏低，导致耐磨性差而频繁更换，增加了养护维修的工作量和成本。

为此，本文开展了免热处理的高强耐磨合金护轨(简称合金护轨)用钢的实验室研究，经全尺寸试制后在大秦铁路上道试铺，并与淬火护轨对比研究其性能。

1　合金护轨用钢的实验室试制

为制造合金护轨用的钢材料，根据多轮实验室试制的结果，综合考虑强硬度、塑韧性、合金成本等因素，设计了11#试验钢，其化学成分、力学性能和组织结构见表1，晶粒度、金相组织和珠光体片层精细组织结构如图1所示，珠光体片层间距如图2所示。

由实验室测试的结果可见，11#试验钢的抗拉强度达到1 280 MPa级，布氏硬度在360 HB以上，同时其塑韧性与钢轨用980 MPa级普通热轧钢基本相当[5]；珠光体片层间距和晶粒度都比较细，适当含量V元素的加入使珠光体片出现了破碎的情况，这在一定程度上也提高了材料的韧性；这些均说明，11#试验钢具备较佳的强韧性配合。

表1　11#试验钢的成分、力学性能和组织结构

图1　11#试验钢的晶粒度、金相组织及珠光体片层精细组织

图2　通过原子力显微镜测量11#试验钢的珠光体片层间距

2　合金护轨的全尺寸试制

在成功研制出11#试验钢的基础上，开展合金护轨的全尺寸试制。采用非万能孔型生产工艺轧制出定尺长度为12.5 m的槽型合金护轨，具体的生产工艺流程为：电炉冶炼→模铸→锻造开坯→方坯孔型轧制→矫直→探伤。

合金护轨的化学成分、力学性能和组织结构见表2，全断面低倍检验和硬度及工作面金相组织如图3所示。

由合金护轨的试制结果可见，其抗拉强度达1 298 MPa，工作面的洛氏硬度达40.5 HRC，布氏硬度达385 HB，且全断面的硬度分布均匀，距工作面25 mm处的洛氏硬度在37.0 HRC以上；合金护轨的全断面显微组织均为细片状的索氏体组织。

表2　合金护轨的成分、力学性能和组织结构

图3合金护轨的全断面低倍检验和硬度及工作面金相组织

将合金护轨与某局属道岔厂及某桥梁厂送检淬火护轨的硬度进行对比，结果如图4所示。

由图4可见，淬火护轨的工作面至心部的淬火硬化层洛氏硬度在22.6～37.5 HRC之间，距工作面25 mm处洛氏硬度在22.6～30.2 HRC之间，性能波动较大，硬度值存在不合格的情况；与之相比，合金护轨的硬度较高且分布均匀，力学性能稳定，而钢轨的耐磨性能主要取决于硬度，因此合金护轨比淬火护轨有更好的耐磨性能。

通过对某局送检淬火护轨化学成分与微观金相组织的分析可见：淬火护轨中碳元素含量0.661%，低于TB/T 2344—2012《43～75 kg/m钢轨订货技术条件》规定的0.71%～0.80%。如此低的碳含量导致大量的先共析铁素体从晶界处析出，如图5所示。呈网状析出的较软的铁素体相，破坏了基体的组织连续性，大大降低了淬火护轨的整体机械强度，导致其抗拉强度(1 108 MPa)、工作面布氏硬度(322 HB)、硬化层硬度均未达到标准TB/T 3110—2005《133 kg/m护轨用槽型钢》的要求。

图4　合金护轨与淬火护轨的硬化层洛氏硬度对比情况

图5　某局送检淬火护轨的金相组织(放大100倍)

3　合金护轨的试铺情况

3.1　上道使用跟踪

前期研究结果表明，合金护轨的力学性能优异，强韧性配合良好，达到了预期目标。2013年8月召开的“道岔用热轧槽型护轨”审查会审查意见认为，合金护轨的生产工艺成熟，力学性能稳定，可以开展上道试铺试验研究。2013年10月9日，合金护轨试铺在大秦重载铁路延庆北站站内的10#道岔上，该处道岔原来使用淬火护轨时由于磨耗到限每年约更换3～4根淬火护轨(榆次工务器材厂生产)。10#道岔处护轨的铺设情况如图6所示。

图6大秦重载铁路延庆北站站内10#道岔合金护轨使用情况(箭头方向为行车方向)

将10#道岔直向的合金护轨一年半的使用情况与8#道岔直向的淬火护轨(前后2支)和2#道岔直向替换上道的淬火护轨(1支)进行对比，结果见表3和图7。

表3大秦重载铁路合金护轨与淬火护轨使用情况的对比

观测日期10#道岔合金护轨8#道岔淬火护轨2#道岔淬火护轨服役时间/d最大磨耗量/mm服役时间/d最大磨耗量/mm服役时间/d最大磨耗量/mm2013100900002013112648102014031015230152133201404300(换新轨)0201405292345030330(换新轨)020140926352801186820150207486124

由图7可见，达到相同的磨耗量时，合金护轨的服役时间是淬火护轨的3.35倍；在相同的服役时间内，淬火护轨的磨耗量是合金护轨的3.67倍，表明合金护轨的使用寿命是淬火护轨的3倍以上。

图7大秦重载铁路合金护轨与淬火护轨(统计3支)的磨耗情况对比

3.2　下道性能分析

2015年2月7日，铺设在10#道岔直向的合金护轨因磨耗到限而下道，对下道合金护轨的有效工作区段宽度每隔25 cm长进行1次测量，由于工作面是斜面，将上部有效宽度记为A，将下部有效宽度记为B。工作面的宏观金相及磨耗量情况如图8所示。图中：数字1—3表示金相观察位置。

图8　下道合金护轨工作边的宽度测量位置和磨耗量

由图8可见，合金护轨的最大磨耗量为11 mm，出现在距其南端2.5～3.0 m的区域内，即辙岔“咽喉”位置偏向行车方向。

下道合金护轨工作边流变层的微观金相和加工硬化情况如图9所示。

由图9可见，合金护轨工作边的表面出现了明显的“飞边”，金属表面由于摩擦而产生了流变，其维氏硬度达到400 HV以上(为41.0 HRC左右)。

工作边流变层硬度梯度如图10所示。由图10可见，流变层深度在0.55 mm左右。

图9工作区段流变层不同位置处的金相组织和加工硬化情况

图10　流变层硬度梯度

4　结　论

(1)通过实验室试制出适合重载铁路服役条件的11#试验钢，其抗拉强度达到1 280 MPa，布氏硬度高于360 HB，且具有良好的强韧性配合。

(2)试制的全尺寸合金护轨，其抗拉强度达1 298 MPa，工作面布氏硬度达385 HB，断后伸长率为9.5%。

(3)与2个厂家生产的淬火护轨相比，合金护轨的硬度较高，力学性能稳定，可以有效解决由于原料成分波动、热处理设备和工艺差异造成的护轨性能波动。

(4)试铺应用表明，合金护轨的使用寿命是淬火护轨(榆次厂生产)的3倍以上。合金护轨的强度较高，耐磨性能优异，使用寿命大幅提高，大大减轻了工务部门的道岔养护维修工作量及成本。

[1]WANG Xurong, ZHANG Jianfeng. Research on Service Life Extending Technology of Rail in Datong-Qinhuangdao Railway[C]//10th International Heavy Haul Association Conference. New Delhi:International Heavy Haul Association, 2013: 215-221.

[2]顾培雄，史玉杰. 道岔护轨的工作条件及其改善途径[J]. 中国铁道科学，1992，13(2)：52-68.

(GU Peixiong，SHI Yujie. Working Conditions of Turnout Guard Rail and Ways to Improvement [J]. China Railway Science，1992，13(2)：52-68.in Chinese)

[3]汪广志，陆娇，张刚. 槽型护轨表面热处理工艺[J]. 热处理技术与装备，2012，33(1)：13-14，17.

(WANG Guangzhi，LU Jiao，ZHANG Gang. The Surface Heating Treatment Technology of Tank Type Guardrail [J]. Rechuli Jishu Yu Zhuangbei，2012，33(1)：13-14,17.in Chinese)

[4]蒋红亮，侯传基. 护轨用槽型钢感应热处理工艺试验[J]. 金属热处理，2010，35(3)：112-116.

(JIANG Hongliang，HOU Chuanji. Process of Induction Heat Treatment of Channel Steel for Guardrails [J]. Heat Treatment of Metals，2010，35(3)：112-116.in Chinese)

[5]张银花，李闯，刘丰收，等. 包钢铁标U75V钢轨批检验分析报告[R]. 北京：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，2011.