不同制造方法对称断面异型钢轨性能对比及适用标准分析

2020年12月（总第410期）
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标准化工作
STANDARDIZATION WORK
第48卷Vol.48第12期No.12
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
收稿日期：2020-04-21
基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目
（2018YJ092）
作者简介：詹新伟，研究员；王树青，研究员；
杜吉康，研究实习员
1概述
不同的正线、到发线和站线上铺设的钢轨型号
不同，如50kg/m ，60kg/m 和75kg/m 钢轨。

由于钢轨断面尺寸和高度有很大差别，不同型号钢轨之间的连接，如60kg/m 钢轨与50kg/m 钢轨连接、75kg/m 钢轨与60kg/m 钢轨连接，以往使用异型钢轨夹板。

由于这种连接方式伤损率较高，基本
已淘汰［1］。

目前，不同型号钢轨之间采用对称断
面异型钢轨（以下简称“异型钢轨”）连接。

异型钢轨通过对普通钢轨轨端加热锻造或压制的方法制造，可以实现钢轨断面从一种型号变换成另一种型号。

异型钢轨跟端的异型部分由成型段和过渡段组成［2］。

异型钢轨如图1
所示。

图1异型钢轨
不同制造方法对称断面异型钢轨性能对比及适用标准分析
詹新伟，王树青，杜吉康
（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京100081）
摘要：目前对称断面异型钢轨有3种制造方法：轨端全断面加热模锻、轨腰火焰加热压制和轨腰感
应加热压制。

针对这3种制造方法对对称断面异型钢轨的影响，比较3种制造方法采用的设备、加热区域和热影响区域的差别。

通过对比3种方法制造的异型钢轨轨头性能，得出轨端全断面加热模锻异型钢轨轨顶面存在软化区，实际使用中有出现低塌的质量风险，轨腰感应加热压制异型钢轨轨头与钢轨母材硬度一致，不存在软化区。

指出TB/T 2344.3—2018《钢轨
第3部分：异型钢轨》适用于轨端全断面加热模锻异
型钢轨，而轨腰火焰加热压制，尤其是感应加热压制异型钢轨参照执行该标准存在一定的局限性。

关键词：对称断面异型钢轨；制造方法；轨腰感应加热压制；拉伸性能；硬度中图分类号：U213.4
文献标识码：B
文章编号：1006-9178（2020）12-0014-04
Abstract ：At present,there are three manufacturing methods for specification of compromise rail with symmetrical
sections:full-section heating die forging at the rail end,flame heating and pressing at the rail web,and induction heat⁃ing and pressing at the rail web.In view of the influence of these three measurement methods on specification of com⁃
promise rail with symmetrical sections,the differences of equipment,heating area and heat-affected area used by the three manufacturing methods are compared.By comparing the performance of specification of compromise rail head manufactured by the three methods,it is concluded that there is a softening zone on the top surface of specification of compromise rail by full-section heating die forging at the derailed end,and there is a quality risk of low collapse in ac⁃tual use.The hardness of specification of compromise rail head by induction heating at the rail web is consistent with
that of the base material of the rail,and no softening zone exits.It is pointed out that TB/T 2344.3—2018Rails —Part 3:Specification of compromise rail is applicable to specification of compromise rail by full-section heating and forging at the rail end,while there are certain limitations in the implementation of the standard by referring to the flame heat⁃ing and pressing at the rail web,especially the induction heating and pressing of specification of compromise rail.Keywords ：Specification of Compromise Rail with Symmetrical Sections;Manufacturing Method;Induction and
Heating Pressing at the Rail Web ;Tensile Properties;Hardness
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铁道技术监督第48卷第12期
2异型钢轨制造方法比较
目前，异型钢轨制造方法有3种：①全断面加
热模锻；②轨腰火焰加热压制；③轨腰感应加热压制。

不同制造方法采用的工艺及设备、加热区域和热影响区域不同。

2.1
工艺及设备
（1）全断面加热模锻采用3000t 及以上压力机、感应加热炉或箱式电阻炉和中频电源，通过加热钢轨轨端全断面，采用专用模具整体模锻成型。

这种制造方法设备投入大，生产过程中需要加热轨端全断面，能源消耗大。

另外，专用模锻模具投入及维护费用较高。

（2）轨腰火焰加热压制采用320t 压力机，通过氧-乙炔火焰加热钢轨轨端的轨腰、过渡段轨底，压制成型。

这种制造方法设备投入少，能源消耗小。

但是可控性差、受环境及人员影响大，质量不稳定。

（3）轨腰感应加热压制采用320t 压力机、轨腰加热线圈和中频电源，通过感应加热钢轨轨端轨腰、过渡段轨底后压制成型。

这种制造方法设备投入少，能源消耗小。

感应加热压制可控性好、效率高，受环境及人员影响小，钢轨质量稳定。

尤其采用具有送轨机构、数控操作监控系统的自动控制感应加热轨腰压制设备，自动化程度高，过程可控，质量更可靠。

轨端轨腰感应加热如图2所示，自动控制感应加热轨腰压制设备如图3
所示。

图2
轨端轨腰感应加热
7
6
5
43
21
1—送轨机构；2—导向辊；3—压力机；4—导向辊；5—加热线圈；6—线圈升降机构；7—数控操作台
图3
自动控制感应加热轨腰压制设备
自动控制感应加热轨腰压制设备通过电脑数控监控系统，实现钢轨走行、感应加热、压制成型等全套动作自动化。

通过监控系统可以记录和存储过程数据，实现加热和压制过程的控制和可追溯性，极大地保证了感应加热压制异型钢轨的质量。

2.2
加热区域及热影响区域
不同制造方法的异型钢轨加热区域和热影响区域如图4所示。

热影响区域
加热区域
（a ）全断面加热模锻
热影响区域
加热区域
（b ）轨腰火焰加热和感应加热压制
图4
不同制造方法的异型钢轨加热区域和热影响区域
从图4可以看出，不同加热方法的异型钢轨性能受到影响的区域不同：①全断面加热模锻加热区域为轨端全断面；②轨腰火焰加热压制和轨腰感应加热压制加热区域和热影响区域，为轨腰中心线附近区域及过渡段轨底部分。

加热会导致加热区域和热影响区域钢轨性能发生变化。

轨端全断面加热导致轨头轨顶面硬度、横断面硬度、轨头抗拉强度、显微组织和脱碳层等发生变化，而且轨头热影响区域可能导致轨头顶面出现软化区。

轨腰加热区域和热影响区域在轨腰和过渡区轨底，对轨头性能影响很小，轨头能保持钢轨母材性能，也就不可能出现轨头软化区。

但是应严格控制轨腰火焰加热时间，避免长时间传导热对轨头性能产生影响。

自动控制感应加热轨腰压制设备能很好地控制加热过程、钢轨传输过程及压制过程，对钢轨性能影响较小。

3不同制造方法异型钢轨轨头性能检测结果比较
3.1
轨顶面硬度分布曲线及质量风险
3.1.1
轨顶面硬度分布曲线
3种方法制造的合格异型钢轨轨顶面硬度分布
曲线如图5所示。

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不同制造方法对称断面异型钢轨性能对比及适用标准分析
标准化工作
硬度（H B W ）
测试点与成型段轨端距离/mm
—轨顶面硬度；—HBW280；—HBW220
（a ）全断面加热模锻（U75V
）
硬度（H B W ）
测试点与成型段轨端距离/mm
—轨顶面硬度；—HBW280；—HBW220
（b ）轨腰火焰加热压制（U75V
）
硬度（H B W ）
测试点与成型段轨端距离/mm
—轨顶面硬度；—HBW260；—HBW220（c ）轨腰感应加热压制（U71Mn ）
图5
轨顶面硬度分布曲线
从图5可以看出，3种方法制造的异型钢轨轨顶面硬度都达到TB/T 2344.3—2018《钢轨
第3
部分：异型钢轨》要求。

图5（a ）全断面加热模锻异型钢轨在轨头有低于HBW280的软化区，低于HBW280的硬度点有3个（标准要求不超过5个）。

而图5（b ）和图5（c ）轨头顶面硬度与钢轨母材硬度一样，没有软化区。

钢轨轨头无软化区且硬度均匀一致，对避免钢轨轨头局部低塌及保持钢轨轨顶面平顺性有重要意义。

3.1.2
质量风险
采用全断面加热模锻和轨腰火焰加热压制异型钢轨，相比轨腰感应加热压制异型钢轨，轨顶面更易出现软化区，存在一定的质量风险。

异常轨顶面硬度分布曲线如图6所示。

（1）从图6（a ）看出，全断面加热模锻钢轨轨顶面硬度试样在轨头存在软化区，低于HBW280点有8个，软化区约为80mm ，软化区宽度较宽。

软化点数量超过TB/T 2344.3
—2018要求（不超过5个点），使用过程中轨顶面软化区出现低塌现象
的风险较大。

（2）轨腰火焰加热压制的异型钢轨，虽然在制造过程中并未加热轨头，但火焰加热时间较长，而且加热轨腰的火焰可能会燎到轨头。

在热传导作用下，易影响轨头顶面硬度。

从图6（b ）
看出，轨腰火焰加热压制的异型钢轨试样顶面在轨端10mm~310mm 位置出现硬度低于HBW280的软化区。

对比可以通过采用装置挡住火焰、提高加热效率等方法，减少火焰加热对轨顶面硬度的影响。

3.2
轨头拉伸性能
3种方法制造的异型钢轨轨头成型段拉伸性能
见表1。

表1异型钢轨轨头成型段拉伸性能
从表1可以看出，3种方法制造的轨头拉伸性能均不低于母材，达到标准要求。

全断面加热模锻异型钢轨，拉伸性能主要受跟端锻压及后续热处理加热温度的影响。

加热温度越高，抗拉强度越高，延伸率越低。

火焰加热轨腰及火焰热传导温度对轨头拉伸性能有一定影响，应采取提高加热效率、缩短加热时间及挡住火焰等措施，避免轨头抗拉强度降低。

由于轨腰感应加热采用自动控制，轨腰加热
400350300250200150
硬度（H B W ）
测试点与成型段轨端距离/mm
（a ）全断面加热模锻（U75V
）
400350300250200150
硬度（H B W ）
测试点与成型段轨端距离/mm
（b ）轨腰火焰加热压制（U75V ）—轨顶面硬度；—HBW280；—HBW220
图6
异常轨顶面硬度分布曲线
铁道技术监督第48卷第12期
时间短，对轨头拉伸性能影响很小。

3.3轨头横断面硬度
3种方法制造的异型钢轨轨头成型段横断面硬度见表2。

表2异型钢轨轨头成型段横断面硬度（HRC
）
3种方法制造的异型钢轨轨头横断面A1，B1，C1，A5，B5，C5点的硬度都达到了TB/T2344.3—2018的要求，即U75V异型钢轨硬度大于等于HRC 26.0，U71Mn异型钢轨硬度大于等于HRC23.0。

轨腰火焰加热压制异型钢轨，轨头横断面硬度在很大程度上会受到轨腰火焰加热的影响。

如果加热时，火焰长时间烧到轨头，容易导致横断面硬度低于母材钢轨。

轨腰感应加热压制异型钢轨由于感应加热效率高、加热时间短，轨头横断面硬度受到感应加热的影响很小，轨头硬度基本与钢轨母材一致。

4不同制造方法异型钢轨检测适用标准分析
TB/T3066—2002《异型钢轨技术条件》适用于检测锻造和压制成型的异型钢轨。

2018年，将异型钢轨与非对称断面异型钢轨检测规则合并纳入TB/T2344.3—2018，并代替TB/T3066—2002。

TB/T2344.3—2018适用于跟部锻造成型的异型钢轨和非对称断面异型钢轨，在轨头顶面硬度测试、S区定义及要求、轨头横断面硬度测定等方面，与EN16273：2014《铁路应用轨道锻造的轨道转换装置》接近，都是针对全断面加热锻造成型的异型钢轨。

TB/T2344.3—2018规定压制成型的对称断面异型钢轨可参照执行，但是在执行中存在以下问题。

（1）与全断面加热模锻不同，轨腰火焰加热，尤其是感应加热压制的异型钢轨，加热区域和热影响区域仅为轨腰和过渡段轨底，轨头性能没有改变，依然是钢轨母材的性能。

若参照TB/T
2344.3—2018，对轨头性能，如轨顶面硬度、轨头热影响区硬度分布、横断面硬度、脱碳层、轨头显微组织和晶粒度、拉伸性能等进行检测，必要性不大。

（2）轨腰火焰加热和感应加热压制异型钢轨2种方法的加热区域和热影响区域为轨腰中心区域和过渡段轨底，而TB/T2344.3—2018缺乏对轨腰中心区域性能检测的要求，无法控制轨腰加热温度过高、加热区域过宽等对异型钢轨性能的影响。

建议修订TB/T2344.3—2018时，增加轨腰中心区域晶粒度检测。

5结论
综合分析对称断面异型钢轨的制造方法、性能检测结果及技术标准，得出如下结论。

（1）在异型钢轨3种制造方法中，全断面加热模锻设备投入大、生产过程中能源消耗量大；轨腰火焰加热压制设备投入少、能源消耗少，但是质量稳定性差；轨腰感应加热压制设备投入小、能源消耗少，质量稳定性好，若辅以自动控制的轨腰压制设备和控制系统，质量还能进一步提高。

（2）3种制造方法生产的异型钢轨，加热区域和热影响区域不同。

轨端全断面加热模锻异型钢轨的轨顶面存在软化区，在实际使用中，软化区易出现轨头低塌现象。

自动控制的轨腰感应加热压制异型钢轨，轨头与钢轨母材硬度均匀一致，不存在软化区。

（3）TB/T2344.3—2018适用于轨端全断面加热模锻的异型钢轨。

而轨腰火焰加热压制，尤其是感应加热压制的异型钢轨参照执行该标准时存在一定的局限性。

参考文献
［1］赵治国．75/60异型轨试制造［J］．科技与创新，2017（9）：127-130．
［2］钢轨第3部分：异型钢轨：TB/T2344.3—2018［S］．［3］异型钢轨技术条件：TB/T3066—2002［S］．
［4］孙法林．TB/T3066《异型钢轨技术条件》简介［J］．铁道技术监督，2002（11）：1-2．
［5］铁路应用轨道锻造的轨道转换装置：EN16273：2014［S］．
（编辑牛建利）
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