重载铁路道岔60AT-PG4尖轨的感应加热

表 1 60AT-PG4 钢轨化学成分及标准对比 Table 1 Chemical compositon and standard
requirements of 60AT-PG4 rail
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名称
C
Si
Mn
P
S
V
Cr
PG4 钢轨 0． 73 0． 66 0． 78 0． 010 0． 011 — 0． 39
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-
5 ～ 20 20 ～ 50 50 ～ 71
500 ± 10 550 ± 10 620 ± 10
850 ～ 1000 0． 1 ± 0． 02
30 × 4 40 × 4 50 × 4
550 ～ 570 570 ～ 600 570 ～ 600
图 3 60AT-PG4 尖轨轨头不同横断面硬化层形状、深度及硬度分布 Fig． 3 Shape，depth and hardness distribution of hardened layer of 60AT-PG4 switch rail head on different cross-sections
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
冷度，PG4 尖轨热处理工艺试验参数见表 2 所列。
图 2 60AT-PG4 尖轨的感应加热（ a） 与喷雾冷却（ b） 装置 Fig． 2 Apparatus of induction heating （ a） and spray fog cooling（ b） for 60AT-PG4 switch rail
Fig． 4
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
Macrographs of PG4 switch rail head on 20、50 mm and 60AT cross-sections after induction heating and spray fog cooling
表 2 PG4-60AT 尖轨感应热处理工艺试验参数 Table 2 Experimental parameters of induction
heating for 60AT-PG4 switch rail
断面 / 钢轨移动速度 / 轨头加热 mm （ mm·min － 1 ） 温度 / ℃
风压 / 喷水量 / 回火 MPa （ L·h － 1 ） 温度 / ℃
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 3941． 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
第5 期
张大伟，等： 重载铁路道岔 60AT-PG4 尖轨的感应加热
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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］。
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第 37 卷
图 1 60AT-PG4 尖轨不同断面 Fig． 1 Different 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。
GFKB014— 0． 72 ～ 0． 50 ～ 0． 70 ～
2009
0． 82 0． 80 1． 05 ≤0． 025 ≤0． 025 ≤0． 12 ≤0． 70
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
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
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。
2 60AT-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］。
1 60AT-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。
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
DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2012.05.002
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）