中鐵寶橋集團有限公司 （陜西寶雞 721006） 高 凡 張大偉

鐵路用道岔是將鋼軌通過加工制造而成，道岔軌件的加工工藝流程為：鋸切下料→跟端壓形→鉆孔→軌件銑削加工→淬火→矯直（頂彎）→組裝。包括原材鋼軌缺陷及應(yīng)力在內(nèi)，在軌件加工過程中除了下料和組裝工序外的所有工序的加工質(zhì)量都直接影響著鋼軌矯直（頂彎）時的折斷率。本文著重分析導(dǎo)致道岔軌件在矯直（頂彎）過程中折斷的原因，提出相應(yīng)工藝措施，提高軌件加工工序的質(zhì)量，降低軌件折斷率，為提高鋼軌加工效率，節(jié)約制造成本提供參考。

一、道岔鋼軌的制造過程及缺陷

鋼軌的生產(chǎn)大致可以分為三個階段，即冶煉、軋制和精整。鋼軌鋼的冶煉是將鐵礦石經(jīng)冶煉成鐵液，再將鐵液冶煉成所需化學(xué)成分并澆注成鋼錠；將此鋼錠先后經(jīng)過多道次的軋制形成所需斷面的鋼軌，隨后進(jìn)行鋼軌緩冷、矯直、銑頭、倒棱、熱處理及質(zhì)量檢驗等工序得到成品軌件。鋼軌在冶煉、軋制及后續(xù)冷卻過程中如控制不當(dāng)會導(dǎo)致原材產(chǎn)生一系列宏觀及微觀缺陷，如白點、縮孔、偏析、夾雜、脫碳、軋痕及折疊等。此外，在道岔軌件的加工過程中產(chǎn)生的如棱角、毛刺和異常組織等加工缺陷，都會導(dǎo)致道岔鋼軌在后期加工過程中產(chǎn)生頂斷。

二、道岔軌件的斷口檢測與分析

針對道岔軌件實際加工過程中產(chǎn)生的頂斷現(xiàn)象，在軌件斷口裂紋源附近取樣并經(jīng)金相顯微鏡觀察，分析其斷裂原因。

1.原材斷口缺陷與分析

（1）折疊斷口 在道岔軌件的日常生產(chǎn)中，由于鋼軌原材缺陷引起的鋼軌在矯直（頂彎）過程中發(fā)生斷裂的現(xiàn)象也時有發(fā)生，常見的如軌頭和軌底折疊，軋痕及軌頭內(nèi)部核傷等。圖1為鋼軌原材軌頭與軌底側(cè)肢外表面處缺陷宏觀形貌。圖1a箭頭所指為鋼軌軌頭側(cè)面折疊，可以看到斷口處放射紋在軌頭側(cè)表面的集聚末端為斷裂源，圖1b箭頭所指為鋼軌軌底側(cè)肢處折疊導(dǎo)致的斷裂。折疊是因軋制不良造成的一種鋼軌表面缺陷，其形貌似裂紋，多是由于孔型設(shè)計不良或軋機調(diào)整不當(dāng)造成軋件上出現(xiàn)耳子，在經(jīng)軋制將耳子壓平后形成的。圖1c為折疊處的金相組織照片，箭頭處為顯微裂紋，可以看到折疊處裂紋附近金屬脫碳較嚴(yán)重，此處裂紋在外力作用下易萌生及擴展，從而導(dǎo)致鋼軌斷裂。

圖1 鋼軌軌頭與軌底側(cè)肢外表面處缺陷宏觀形貌

（2）軋痕斷口 圖1d箭頭所指為鋼軌軌底側(cè)肢處軋痕，它是鋼軌在熱軋過程中，由于軋輥上粘有氧化皮或孔型掉肉及軋件在移動過程中被其他附屬設(shè)備刮傷，而在鋼軌表面形成的凹坑或凸起，此處易產(chǎn)生應(yīng)力集中及脫碳等缺陷，在外力的作用下導(dǎo)致鋼軌加工及使用過程中產(chǎn)生斷裂。

為避免以上折疊及軋痕缺陷導(dǎo)致鋼軌在加工與使用過程中產(chǎn)生斷裂，需要對缺陷部位進(jìn)行打磨處理，同時保證鋼軌外形圓滑，避免鋼軌在加工過程中頂斷。對于鋼軌折疊、軋痕等嚴(yán)重缺陷的軌件，應(yīng)退回廠家不予使用，同時加強原材鋼軌的進(jìn)廠檢驗，確保鋼軌原材進(jìn)廠質(zhì)量滿足加工與使用要求。

（3）應(yīng)力斷口缺陷 由于鋼軌在軋制及后續(xù)加工過程中軌底會產(chǎn)生拉應(yīng)力，為此在實際加工過程中由于鋼軌軌底應(yīng)力較高導(dǎo)致的頂斷率也較高，尤其是AT鋼軌及軋制翼軌。技術(shù)要求雖然規(guī)定軌底縱向殘留應(yīng)力應(yīng)小于250MPa，但是鋼軌軋制應(yīng)力是不均勻的，有的高于此值。而對于制造道岔的鋼軌，需要根據(jù)道岔設(shè)計要求，將鋼軌件頂成不同形狀的彎，有的彎矩較大。因此，在頂彎時，當(dāng)外力超過軌底的拉應(yīng)力時，鋼軌就會從軌底產(chǎn)生斷裂，圖2所示為鋼軌短支側(cè)軌底斷口宏觀形貌。相比之下，正線上的鋼軌一般不經(jīng)過淬火、矯直及頂彎，因此應(yīng)力值只要在要求范圍內(nèi)，而且隨著鋼軌在使用過程應(yīng)力的釋放，斷軌的情況較少。因此，為了降低鋼軌在矯直（頂彎）過程中產(chǎn)生的斷裂幾率，不僅需要操作人員根據(jù)實際情況控制好矯直（頂彎）變形量及矯直力，而且在矯直（頂彎）較大彎折支距的鋼軌時，采用對鋼軌進(jìn)行預(yù)熱的方式，預(yù)熱溫度應(yīng)適當(dāng)，必須控制在300℃以下，保證鋼軌的性能。

圖2 鋼軌短支側(cè)軌底斷口宏觀形貌

2.加工斷口缺陷與分析

（1）鋼軌軌腰螺栓孔的斷口缺陷 在實際生產(chǎn)過程中，從軌腰螺栓孔的位置產(chǎn)生的斷裂達(dá)60%以上，斷裂的原因主要是孔的邊緣無倒角，或倒角不均勻、毛刺未清理干凈，在外力作用下，此處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而萌生裂紋及裂紋失穩(wěn)擴展，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂，圖3所示分別為鋼軌軌腰鉆孔缺陷的斷口宏觀形貌與金相組織，孔附近的組織為索氏體，箭頭所指為未倒棱角。因此，必須按技術(shù)要求在鉆孔完畢后，倒角并將毛刺清理干凈，從而降低斷軌的數(shù)量，實踐證明可明顯減少此種斷軌率達(dá)90%以上。

圖3 鋼軌軌腰孔缺陷的斷口宏觀形貌與金相組織

（2）鋼軌刨切面的表面粗糙度過大導(dǎo)致的斷裂為了加工成滿足使用要求的道岔軌件，有些鋼軌需要進(jìn)行銑削加工，在此過程中，如果鋼軌刨切或銑削時進(jìn)給量過大，由于加工面表面粗糙度值較大，會產(chǎn)生局部棱角及魚鱗紋從而造成尖角應(yīng)力效應(yīng)，在矯直（頂彎）時容易斷裂，如圖4所示分別為鋼軌軌頭及軌底銑刨缺陷的宏觀形貌。為此，在刨切加工過程中盡量減小進(jìn)給量，降低鋼軌表面粗糙度值，當(dāng)出現(xiàn)表面粗糙度值過大時，應(yīng)及時進(jìn)行打磨，以保證鋼軌加工質(zhì)量。實際生產(chǎn)中，由于刨床加工人為及刀具的性能因素影響較大，建議采用銑床進(jìn)行鋼軌加工。

圖4 鋼軌軌頭及軌底銑刨缺陷的斷口宏觀形貌

（3）鋼軌感應(yīng)淬火硬化層不足及異常組織導(dǎo)致的斷裂 道岔鋼軌的加工過程中，為了提高鋼軌的使用壽命，需對鋼軌進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火，從而獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼軌硬度、硬化層深度及內(nèi)部組織。但是實際生產(chǎn)中，當(dāng)鋼軌淬火變形較大，硬化層深度較淺、組織不均勻及過渡段出現(xiàn)異常組織時，易導(dǎo)致在矯直（頂彎）過程中發(fā)生斷裂，圖5所示為由于硬化層深度只有3mm（標(biāo)準(zhǔn)要求大于8mm）而導(dǎo)致的鋼軌在矯直過程中產(chǎn)生的斷口宏觀形貌，硬化層微觀組織為索氏體。此外，熱處理過程中由于加熱或冷卻不當(dāng)，軌頭硬化層內(nèi)部會產(chǎn)生異常組織，圖5d所示軌頭內(nèi)部異常金相組織為馬氏體+貝氏體+殘留奧氏體，其局部硬度達(dá)45HRC，在矯直（頂彎）過程中此脆性相極易導(dǎo)致鋼軌斷裂。為此，要求操作人員嚴(yán)格執(zhí)行工藝，增大加熱層深，細(xì)化組織，降低應(yīng)力，通過預(yù)彎及熱處理參數(shù)的調(diào)整減小鋼軌變形，避免異常組織的產(chǎn)生，從而減少鋼軌矯直（頂彎）過程中產(chǎn)生的斷裂，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖5 硬化層不足的鋼軌軌頭在矯直過程中產(chǎn)生的斷口宏觀形貌與金相組織

三、結(jié)語

在以往道岔軌件的實際生產(chǎn)中，分析了鋼軌原材及加工過程缺陷導(dǎo)致的軌件矯直（頂彎）斷裂原因，采用金相顯微鏡對鋼軌斷口試樣進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，折疊、軋痕、殘留應(yīng)力、螺栓孔棱角毛刺、銑刨棱角、熱處理硬化層及異常金相組織為導(dǎo)致鋼軌矯直（頂彎）斷裂的原材及加工缺陷原因。針對以上原因，制訂了有效的控制措施，尤其是加強鋼軌原材檢驗、鉆孔后的棱角打磨及熱處理過程控制，顯著降低了鋼軌矯直（頂彎）的頂斷率，提高了鋼軌加工效率，節(jié)約了道岔鋼軌制造成本。

（20130813）