李建宏 宋憲華

(1.鄭鐵利達實業(yè)開發(fā)總公司,河南 鄭州 450052;

2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450052)

W 1型彈條是中國高速鐵路客運專線無砟軌道扣件的核心部件。軌道扣件是將鋼軌和線路基礎(chǔ)(軌枕或軌道板)聯(lián)接的部件,起到固定鋼軌、提供軌道系統(tǒng)彈性和降低輪軌相互作用的功能。彈條長期在往復(fù)沖擊、震動、交變的應(yīng)力條件下工作,承受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切作用。彈條的內(nèi)在性能關(guān)系到扣件系統(tǒng)的壽命和行車安全。350km/h的高速鐵路需要高彈性、高強度、高疲勞性能和一定沖擊韌性的彈條。與既有鐵路用彈條相比,對高速鐵路彈條提出了更高、更苛刻的技術(shù)要求,如既有鐵路上大量使用的B型彈條進行疲勞試驗的組裝位移為7.8mm,疲勞振幅0.7mm;高速鐵路用的W 1型彈條進行疲勞試驗的組裝位移為13.25mm,疲勞振幅1.25mm。W 1型彈條內(nèi)在性能技術(shù)要求：硬度42～47H RC,金相(淬火狀態(tài))鐵素體≤2級、馬氏體≤4級,金相(回火狀態(tài))均勻的回火屈氏體和回火索氏體,表面脫碳層≤0.25mm,殘余變形≤1.0mm,疲勞性能500萬次疲勞不折斷,疲勞后殘余變形≤1.0mm。

從彈條原材料的選用、生產(chǎn)工藝流程的選擇和工藝參數(shù)優(yōu)化著手,嚴格進行過程控制,生產(chǎn)出的彈條具有高的彈性極限、屈服極限、疲勞極限和抗彈減性能,可以保證高速鐵路軌道系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 工藝流程制定及工藝優(yōu)化

1.1 原材料

W 1型彈條原材料為 Ф14+0.40mm60Si2M nA熱軋彈簧鋼,其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。晶粒度不小于7級,鋼中石墨碳不大于1.5級,脫碳層深度不大于0.14mm,對低倍組織、非金屬夾雜物和斷口等也進行了規(guī)定。

表1 化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù))/%

表2 力學(xué)性能

1.2 工藝流程確定

根據(jù)W 1型彈條的形式尺寸和技術(shù)要求,我們確定其生產(chǎn)工藝流程為：剪切下料→中頻感應(yīng)加熱→三道成型→余溫淬火→回火→預(yù)壓→拋丸→靜電噴粉防腐處理→包裝。

1.3 關(guān)鍵工序及工藝優(yōu)化

1.3.1 加熱

60Si2M nA彈簧鋼屬于亞共析鋼,其組織為珠光體+鐵素體,以珠光體為主。在加熱到755℃時,珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,溫度繼續(xù)升高,鐵素體就開始溶入奧氏體中,溫度越高鐵素體越容易溶入奧氏體中,使奧氏體量逐漸增多。加熱過程中,金屬棒料表面會氧化和脫碳,氧化過程是爐中氧化性氣體(O2、CO2、H2 O和SO2)與金屬的化學(xué)反應(yīng),在金屬表面形成氧化皮。溫度越高,氧化的速度越快,從而生成越厚的氧化皮。鋼表層中的碳在高溫下與氧或者氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一氧化碳或甲烷被燃燒掉,造成鋼在加熱時表層含碳量降低的現(xiàn)象稱為脫碳。加熱溫度越高加熱時間越長,脫碳越嚴重。鋼的表面脫碳以后,由于表層與心部的組織不同和線膨脹系數(shù)不同,因此淬火時所發(fā)生的不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化將引起很大的內(nèi)應(yīng)力。同時表層脫碳后強度下降,甚至在淬火過程中有時使工件表面產(chǎn)生裂紋。而且,脫碳鋼淬火后表面硬度及耐磨性降低,導(dǎo)致工件在使用中表面形成疲勞源,過早地發(fā)生疲勞損壞。

綜合以上因素,采用中頻感應(yīng)加熱爐作為快速加熱設(shè)備,加熱速度 50～60℃/s,用自動上料機喂料,加熱溫度穩(wěn)定?？紤]到利用熱成型后的余溫淬火,工件在成型階段緩慢冷卻,冷卻速度約 6～9℃/s。加熱溫度適當提高,控制在1000±20℃。加熱時間16～20s,加熱時間短速度快,氧化和脫碳都得到了有效控制。

1.3.2 成型

1.3.2.1 成型工藝

采用組合模具,利用三次壓力機成型,成型順序見圖1。

圖1 彈條成型示意圖

1.3.2.2 優(yōu)化模具,提高成型質(zhì)量

彈條在成型過程中,工件溫度在910～1010℃之間,表面強度很低,工件與成型模具接觸部位會留下一定程度的擦痕。由于彈條對應(yīng)力集中的敏感性很高,彈條在受到單向彎曲交變載荷時,表面應(yīng)力最大,一旦其受力較大的危險截面部位有缺陷存在,應(yīng)力馬上會集中在缺陷周圍,導(dǎo)致材料的晶格產(chǎn)生扭曲破壞。隨著應(yīng)力的不斷循環(huán),疲勞破壞源就從交變張應(yīng)力最大的一邊的表面開始形成,并不斷擴展,成為裂紋源。由于有現(xiàn)成的裂紋源,減少了裂紋源萌生所需的時間,在單向交變應(yīng)力的作用下,集中的應(yīng)力也逐漸增大。一旦集中的應(yīng)力大于材料的強度極限,疲勞裂紋逐漸擴展,最后呈現(xiàn)疲勞斷裂,降低彈條的疲勞性能和使用壽命。因此,我們優(yōu)化了成型模具,與工件接觸部位結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)動輪,模具耐磨損、壽命長、熱穩(wěn)定性好,模具圓弧面與工件接觸,彈條表面擦痕平滑,在彈條受力較大的危險截面部位不與模具接觸,無表面缺陷。

1.3.2.3 提高成型的自動化水平

三次成型工序采用四個機器人操作。機器人的設(shè)計使用平均無故障時間為75000小時,連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)時,故障停機率小于1‰。生產(chǎn)節(jié)拍4s～6s/件,放入模具定位準確,重復(fù)精度達到±0.1mm。成型時間和成型后工件溫度一致性高,確保了淬火溫度波動小,熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。

1.3.3 淬火

1.3.3.1 淬火溫度

亞共析鋼的淬火加熱溫度通常在Ac3以上30℃～50℃,合金鋼一般取上限值,60Si2MnA是合金彈簧鋼,A c3為810℃。因此,規(guī)定彈條淬火溫度不低于860℃。淬火前自動測溫,并由機器人進行分揀,低于860℃的放入不合格區(qū),不流入下道工序。若淬火溫度偏低,會造成奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化不充分,非馬氏體數(shù)量較多,心部出現(xiàn)鐵素體,淬火后硬度不足。

1.3.3.2 淬火介質(zhì)的性質(zhì)

彈條的淬火介質(zhì)應(yīng)具有以下性質(zhì)：良好的冷卻性能,確保得到合格的金相組織和一定的硬度;高閃點和燃點,避免著火;良好的抗熱氧化、抗熱分解性;較低的粘度,減少隨工件帶出的損失;含水量低,避免造成工件軟點、淬裂或變形。因此淬火介質(zhì)選用N32#L-AN全損耗系統(tǒng)用油,不易引起工件畸變超差,保證淬火質(zhì)量。

1.3.3.3 避免淬火彈條開裂

淬火油溫應(yīng)在20～80℃之間,太低易引起工件畸變,太高不安全。因此,在制定工藝時,淬火油溫控制在40±20℃,由自動加熱裝置和水循環(huán)冷卻裝置保證油溫;控制彈條在油池中的時間,調(diào)整淬火系統(tǒng)提升機速度,將彈條出油溫度控制在150～300℃;淬火彈條應(yīng)及時回火,不能超過4h,減少淬火彈條開裂傾向。

1.3.4 回火

回火是對彈條使用性能有顯著影響的熱處理工序。一般說來彈簧鋼的彈性極限在回火溫度為350～450℃時出現(xiàn)最大值,而疲勞極限出現(xiàn)最大值的回火溫度為450～500℃?；鼗饻囟容^高時,鋼的塑性及韌性得到改善,對缺口及裂紋的敏感性及過載損傷的傾向性也相應(yīng)減小。在兼顧彈條的扣壓力和疲勞性能的原則下,彈條回火溫度一般控制在470～500℃。為保證回火質(zhì)量的穩(wěn)定性,爐內(nèi)溫度波動不能超過±5℃?；鼗鸨貢r間與材料直徑或厚度有關(guān),一般取1.5～2.0min/mm,直徑在 10～15mm的工件,保溫時間一般定在30～35min。為使彈條組織由馬氏體向回火屈氏體和回火索氏體轉(zhuǎn)化充分,可將回火保溫時間適當延長。彈條回火設(shè)備選用連續(xù)式網(wǎng)袋回火爐?？紤]到彈條進入回火爐的升溫階段,將回火時間設(shè)定在110～120m in。鋼中的Cr和Mn都有回火脆性的傾向,回火后需快冷。因此,彈條從回火爐出來后,進入水中快速冷卻,防止二次回火脆性和造成表面壓應(yīng)力,降低疲勞強度。

1.3.5 預(yù)壓

1.3.5.1 預(yù)壓工序的增加

彈條在安裝使用和反復(fù)拆裝過程中,不斷受到外力作用。當外力達到或超過屈服點時,局部區(qū)域的表層出現(xiàn)微小塑性區(qū),產(chǎn)生塑性變形,使彈條的彈程變小,扣壓力損失。在生產(chǎn)W 1型彈條時,我們增加了一道預(yù)壓工序,通過變形強化,產(chǎn)生反向應(yīng)力,提高其屈服點和變形抗力,從而提高了線路扣壓力和安全性(見圖2)。

圖2 預(yù)壓示意圖

1.3.5.2 預(yù)壓強化的原理

在金屬晶體中原子的排列存在大量的位錯。位錯在晶體中的存在使其周圍原子偏離平衡位置而導(dǎo)致點陣畸變和彈性應(yīng)力場的產(chǎn)生。位錯可以在晶體中運動,而宏觀的塑性變形是通過位錯運動來實現(xiàn)的。隨著位錯運動的發(fā)展,運動的位錯和各種位錯之間發(fā)生纏結(jié),使大量的位錯在位錯壁和位錯網(wǎng)的旁邊堆積和糾結(jié),使得變形阻力增加。隨著位錯纏結(jié)現(xiàn)象的進一步發(fā)展,進而使各晶粒破碎成為細碎的亞晶粒,增生出許多亞晶界。晶界處原子排列不規(guī)則,因此在常溫下晶界的存在會對位錯的運動起阻礙作用,致使塑性變形抗力提高,宏觀上使彈性件的屈服點提高。

1.3.5.3 預(yù)壓的效果

W 1彈條成品的彈程為14+1.0-0.5mm。將預(yù)壓前的彈程按照15±0.5mm進行控制,將預(yù)壓變形量控制在0.5～0.8mm。預(yù)壓前彈程大的彈條預(yù)壓變形量大,彈程小的預(yù)壓變形量小,預(yù)壓后彈程一致性更高,一般在13.8～14.5mm。增加預(yù)壓工序前,W 1彈條的殘余變形在0.7～1.0mm;預(yù)壓后,殘余變形在0.4～0.7mm。通過預(yù)壓強化,減少了殘余變形,保證了彈條的扣壓力,并且提高了扣壓力的一致性。

1.3.6 拋丸

拋丸處理就是以高速彈丸流噴射彈條表面,使彈條表層發(fā)生塑性變形,形成了一定厚度的表面強化層。從應(yīng)力狀態(tài)來看,強化層內(nèi)形成了較高的壓應(yīng)力。當彈條在承受變載荷時,可以抵消一部分變載荷作用下的拉應(yīng)力,從而提高彈條的疲勞性能。從組織結(jié)構(gòu)看,強化層內(nèi)形成了密度極高的位錯。在隨后的變應(yīng)力作用下,位錯逐漸排列規(guī)則,形成多邊形,即強化層內(nèi)逐漸形成更加微小的亞晶粒(亞結(jié)構(gòu))。另外,拋丸處理還能清除彈條表面的疵點(微小的缺陷、脫碳),減少應(yīng)力集中等,從而消除或減少了疲勞源。

彈丸主要有三種,即鑄鐵丸、鑄鋼丸和切割鋼絲丸。鑄鐵丸由于質(zhì)脆,容易破碎形成銳利的棱角,致使被拋表面產(chǎn)生傷痕,成為應(yīng)力集中點,從而成為疲勞破壞源。切割鋼絲丸是有角的圓柱體,其棱角也會使彈條表面劃傷,從而影響拋丸對改善疲勞性能的效果。因此,選用Φ0.8mm大小的鑄鋼丸,拋丸時間在5～10min。

2 彈條質(zhì)量檢驗及使用情況

2.1 單條各項性能全部合格

在合理的工藝設(shè)定和嚴格執(zhí)行下,現(xiàn)已生產(chǎn)W 1型彈條700多萬件。經(jīng)檢驗,淬火彈條硬度在60～63HRC,金相組織為細小針狀馬氏體及少量未溶鐵素體?；鼗鹩捕仍?4～46HRC,金相組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體。表面脫碳層0.05～0.15 mm。累計進行疲勞試驗180多次,彈條經(jīng)500萬次疲勞試驗不斷裂。彈條各項內(nèi)在性能全部合格。2009年和2010年,鐵道部質(zhì)檢中心等相關(guān)部門4次抽檢我公司的W 1型彈條,全部合格。

2.2 彈條使用狀況良好

已建成通車的甬臺溫和福廈客運專線使用我公司的W 1型彈條,運營速度為250km/h。目前正在供貨的哈大和石武客運專線,設(shè)計運營速度為350km/h,彈條使用狀況良好。

3 結(jié)論

3.1 性能優(yōu)良,質(zhì)量穩(wěn)定

中頻感應(yīng)快速加熱+三道自動成型+余溫淬火+回火水冷+預(yù)壓+拋丸工藝生產(chǎn)的W 1型彈條,工藝先進,質(zhì)量控制嚴格。生產(chǎn)出的W 1彈條具有低脫碳、組織細化、硬度穩(wěn)定、殘余變形小、疲勞性能高等優(yōu)良特性,質(zhì)量穩(wěn)定,對350km/h高速鐵路客運專線扣件系統(tǒng)提供了安全保障。

3.2 推廣該工藝的意義

預(yù)壓和拋丸工序能提高W 1彈條的扣壓力和疲勞性能。目前我國廣泛使用的還有既有線用I、II、III型彈條及高速鐵路用W 2、C4型彈條。該工藝推廣對提高彈條的使用壽命和線路的安全性很有意義。