CN103898303A - 一种道岔轨的热处理方法和道岔轨 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种道岔轨的热处理方法，其中，该方法包括：将待处理的轨头踏面温度为650-900℃的道岔轨进行加速冷却以得到全珠光体组织的道岔轨，其中，道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度高于道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度。本发明提供了按照本发明所述的热处理方法得到的道岔轨。本发明的道岔轨，轨头工作侧的硬度及抗拉强度均比轨头非工作侧的高，并且具有良好的平直度。

Description

一种道岔轨的热处理方法和道岔轨

技术领域

本发明涉及一种道岔轨的热处理方法和一种由本发明的道岔轨的热处理方法得到的道岔轨。

背景技术

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。在愈加苛刻的线路条件下，铁路钢轨及道岔轨的伤损问题日益突出。道岔轨不仅是实现铁路连接和交叉的重要设备，而且还是影响线路运行效率和行车安全的关键环节。

目前，道岔轨主要由钢轨生产厂家提供原料，由道岔轨生产企业进行铣削加工及后序处理。一般来说，由于热轧态道岔轨强度与硬度较低，在列车特别是重载列车冲击载荷的作用下，易于产生剥离掉块、过快磨损等有害缺陷。因此，加工完成后需进行热处理，以提高道岔轨的综合性能、延长其使用寿命。然而，由于采用先加工后热处理的模式，钢轨重新经历奥氏体化并冷却后平直度等参数难以满足更高要求，限制了道岔轨在高速及准高速线路的应用。同时，离线加热条件下轨头硬化层深度有限，一般在15mm以内，而道岔尖轨最高加工深度达到23mm，硬化效果难以有效利用，从而影响道岔的服役寿命。

近年来，钢轨在线热处理技术的发展为道岔轨热处理提供了新的思路：通过对轧后带有余热的钢轨的轨头及其它部位施加加速冷却介质，可以获得较热轧态显著提升的性能指标。

发明内容

本发明的目的在于，在现有技术的基础上提供一种能够使得得到的道岔轨的轨头工作侧的抗拉强度及硬度较轨头非工作侧的抗拉强度及硬度明显提高且具有良好的平直度的道岔轨的热处理方法。

本申请的申请人在研究过程中发现，直接采用现有的钢轨在线热处理技术处理道岔轨仍存在较大的技术缺陷，因为，相比于普通钢轨，道岔轨为非对称断面，其轨头工作侧面积所占比例高于轨头非工作侧，因此，如果按照现有技术的钢轨在线热处理技术进行道岔轨的热处理，在道岔轨的轨头工作侧与轨头非工作侧采用相同的加速冷却工艺进行加速冷却，将使得在加速冷却过程中，由于轨头工作侧热容高，冷却较慢，一方面无法获得优异的性能指标的道岔轨；更重要的是，在加速冷却过程中，冷速较快的一侧（即轨头非工作侧）将向冷速较慢的一侧（即轨头工作侧）弯曲，对道岔轨全长的平直度及后序的矫直工序带来不利影响；而如果同时提高轨头工作侧和轨头非工作侧的冷却速率，则将显著增大异常显微组织产生的风险，导致道岔轨报废。因此，按照现有的钢轨在线热处理技术进行道岔轨的热处理难以有效满足道岔轨的生产要求。

在上述基础上，本申请的申请人经过创造性的劳动发现，在道岔轨的轨头工作侧和道岔轨的轨头非工作侧施加不同的加速冷却速度，且保证道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度比道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度高可以解决上述技术难题，并且需要保证加速冷却的初始阶段待处理的道岔轨的轨头踏面温度为900-650℃。因为，当温度高于900℃时，道岔轨表层受到冷却介质的激冷，温度迅速降低；此时，来自轨头心部及轨腰部位的热量迅速向表层扩散，将在轨头踏面下方约5mm-15mm内形成一个温度缓慢降低的区域，因此随着冷却过程的进行，相变将在较小的过冷度下开始并相继完成，由于在该温度条件下温度降低缓慢，从而使得最终得到的道岔轨强度及硬度等指标偏低，无法满足线路使用需求，而当温度低于650℃时，由于该温度距离相变点温度较近，过快的冷速将使钢轨表层及表层下方一定深度内产生贝氏体、马氏体等异常组织的风险显著提高，而异常组织的产生将使道岔轨报废，造成严重损失。基于上述发现，完成了本发明。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种道岔轨的热处理方法，其中，该方法包括：将待处理的轨头踏面温度为650-900℃的道岔轨进行加速冷却以得到全珠光体组织的道岔轨，其中，道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度高于道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度。

根据本发明的第二方面，本发明提供了按照本发明所述的热处理方法得到的道岔轨。

按照本发明的道岔轨的热处理方法得到的道岔轨，轨头工作侧的硬度及抗拉强度均比轨头非工作侧的硬度高，例如在本发明的优选的实施方式中，道岔轨的轨头工作侧的硬度比轨头非工作侧的硬度高1-3HRC，道岔轨的轨头工作侧的抗拉强度比轨头非工作侧的抗拉强度高20-50MPa，并且道岔轨具有良好的平直度，使用过程中滚动接触疲劳性能和耐磨损性能良好，非常适用于对抗接触疲劳伤损和耐磨损性能较高的普通客货混运和重载铁路。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的道岔轨的断面图；

图2为本发明的道岔轨的轨头断面硬度测试位置示意图。

附图标记说明

1轨头                          2轨底

101轨头踏面                    102轨头工作侧

103轨头非工作侧                201轨底中心

3轨腰

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种道岔轨的热处理方法，其中，该方法包括：将待处理的轨头踏面温度为650-900℃的道岔轨进行加速冷却以得到全珠光体组织的道岔轨，其中，道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度高于道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度。

如图1所示，本发明中，轨头踏面101是指轨头顶面与车轮接触的部分，轨头工作侧102是指道岔轨轨头经铣削加工并组装成道岔后，在引导列车行走时受到车轮碾压及冲击载荷作用的部分，轨头非工作侧103是指轨头部位不与车轮接触的另一侧面，其中，轨头1包括轨头踏面101、轨头工作侧102、轨头非工作侧103；轨底2是指道岔轨底部，轨底中心201是指轨底2的中心部位；轨腰3是指连接道岔轨的轨头1与轨底2的部分。对此本领域技术人员均熟知，在此不再进行详细的描述。

根据本发明的道岔轨的热处理方法，为了进一步提高本发明的道岔轨的性能，例如为了提高按照本发明的热处理方法得到的道岔轨的平直度，优选道岔轨的轨头工作侧与道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度差为0.1-1℃/s，其中，在前述道岔轨的轨头工作侧与道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度差范围内，在具体实施过程中，为了获得具有优异性能的全珠光体组织的道岔轨，具体选用的加速冷却速度差可以依据所处理的钢种的特性以及轨头非工作侧实际采用的加速冷却速度进行调整。

根据本发明的道岔轨的热处理方法，只要保证道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度高于道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度，优选道岔轨的轨头工作侧与道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度差为0.1-1℃/s，即可实现本发明的目的，即可以使得按照本发明的热处理方法得到的道岔轨具有良好的平直度，且得到的道岔轨的轨头工作侧的硬度比轨头非工作侧的硬度高，轨头工作侧的抗拉强度比轨头非工作侧的抗拉强度高，由此可以使得得到的道岔轨更加适合于具体应用。根据本发明的一种优选的实施方式，优选所述道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度为1.1-6℃/s，所述道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度为1-5℃/s。采用前述加速冷却速度进行轨头工作侧的加速冷却以及轨头非工作侧的加速冷却，可以使得按照本发明的热处理方法得到的道岔轨具有优异的性能。

根据本发明的热处理方法，所述道岔轨的轨头踏面以及轨底中心的加速冷却速度均可以为本领域的常规选择，针对本发明，优选道岔轨的轨头踏面的加速冷却速度为1-5℃/s，道岔轨的轨底中心的加速冷却速度为1-5℃/s。

根据本发明的热处理方法，优选道岔轨的轨头踏面的加速冷却速度为1-5℃/s，道岔轨的轨底中心的加速冷却速度为1-5℃/s，所述道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度为1-5℃/s的原因在于：

本发明的发明人在研究过程中发现，按照本发明的方法进行道岔轨的热处理，当冷却速度＜1℃/s时，在冷却初期，道岔轨表层温度明显降低，持续一定时间后，由于心部热量的补充，表层温度不再降低，甚至升高，导致加速冷却的效果不明显；而当冷却速度＞5.0℃/s时，道岔轨的轨头表层及表层下方一定深度内冷速过快，易于产生贝氏体、马氏体等异常组织，增加道岔在服役过程中受车轮往复应力作用发生脆断的风险。

根据本发明的热处理方法，为了使得按照本发明的热处理方法处理得到的道岔轨为全珠光体组织，优选当轨头踏面温度降低至400-550℃时，停止加速冷却，并将所述道岔轨直接进行空冷至室温。

根据本发明的热处理方法，优选当轨头踏面温度降低至400-550℃时，停止加速冷却，并将所述道岔轨直接进行空冷至室温的原因在于：

本发明的发明人在研究过程中发现，为确保道岔轨轨头的心部能够获得更优异的性能，要求心部尽可能在更大的过冷度下完成相变，而一般来说，在实际生产中，轨头心部的温度难以用物理手段监控，需通过对道岔轨表面温度监控并经换算后获得，而本发明的发明人在研究过程中发现，当轨头踏面的加速冷却的终冷温度＞550℃时，轨头心部的温度将高于600℃，而该温度为钢轨已发生相变或部分发生相变的温度，即相变未完成，如此时停止加速冷却，则来自道岔轨轨腰部位的热量迅速向其扩散，导致温度升高，相变冷速降低，最终得到道岔轨的综合性能相对偏低，而当加速终冷温度＜400℃时，此时，轨头全断面及轨底中心的相变已全部完成，继续施加强制冷却已无显著意义，因此，加速冷却的终冷温度设定为400-550℃。

本发明中，温度采用红外测温仪测得。

根据本发明的热处理方法，一般可以通过向所述需加速冷却的部位喷吹加速冷却介质实现所述道岔轨的加速冷却，例如对所述轨头踏面、轨头工作侧、轨头非工作侧及轨底中心进行加速冷却时，对所述轨头踏面、轨头工作侧、轨头非工作侧及轨底中心分别喷吹加速冷却介质控制各个部位的加速冷却速度即可实现。对此，本领域技术人员均能知悉，在此不再详细描述。

本发明中，进行所述加速冷却使用的冷却介质可以为本领域的常规选择，例如可以为水雾混合气或压缩空气。

根据本发明的热处理方法，本发明所述的热处理方法可以适用于珠光体系列各种化学组成的道岔轨的热处理，本发明对此无特殊要求，在此不再进行详细描述。

本发明中，所述待处理的轨头踏面温度为900-650℃的道岔轨可以按照现有技术的各种方法制备得到，例如一般可以按如下步骤制备得到：

采用转炉或电炉冶炼道岔轨钢水，经LF炉精炼、RH或VD真空处理后连铸为一定断面尺寸的钢坯，然后送至加热炉中加热，一般加热温度为1200-1300℃，保温时间为3-8h，然后采用孔型法或万能法将钢坯轧制为所需断面的道岔轨，一般轧制完成后，道岔轨的表层（包括道岔轨轨头踏面）温度约为900-1000℃；为了获得本发明所述的待处理的轨头踏面温度为650-900℃的道岔轨，可以将道岔轨直立于辊道或台架上，在空气中静置空冷得到。对此，本发明没有特殊要求，在此不进行详细描述。

本发明提供了按照本发明的热处理方法得到的道岔轨，所述道岔轨为全珠光体组织，且该道岔轨的轨头工作侧的硬度比轨头非工作侧的硬度高，优选高1-3HRC；且该道岔轨的轨头工作侧的抗拉强度比轨头非工作侧的抗拉强度高，优选高20MPa以上，更优选高20-50MPa。

根据本发明的一种优选的实施方式，按照本发明的热处理方法处理道岔轨，当使用的所述待处理的轨头踏面温度为900-650℃的道岔轨含有C0.7-0.8重量%，Si 0.3-0.9重量%，Mn 0.8-1.2重量%，P 0.005-0.015重量%，S 0.005-0.015重量%，Cr和/或V和/或Nb 0.03-0.8重量%时，得到的所述道岔轨的轨头工作侧102的Rp0.2为710-845MPa，Rm为1130-1370MPa，A为10.5-13.5%，Z为22-28%；轨头非工作侧103的Rp0.2为680-830MPa，Rm为1100-1340MPa，A为11-14%，Z为22-27%。

本发明中，Rp0.2指的是屈服强度，Rm指的是抗拉强度，A指的是延伸率，Z指的是断面收缩率。

根据本发明的道岔轨同时具有良好的平直度，使用过程中滚动接触疲劳性能和耐磨损性能良好，非常适用于对抗接触疲劳伤损和耐磨损性能较高的普通客货混运和重载铁路。本发明中，通常具有良好的平直度是指在道岔轨的整个长度方向都具有良好的平直度。

下面将结合实施例来具体描述本发明，但本发明的范围不局限于此。

实施例1-8

（1）采用转炉冶炼含有不同化学成分组成的道岔轨钢水，经LF炉精炼、真空处理后连铸为280mm×380mm的连铸坯，然后送至加热炉中加热，加热温度1270℃，加热时间为3h，得到钢轨，然后采用万能轧机将钢轨轧制为60AT断面道岔轨，其轨头踏面的温度为1270℃，得到以下表1中8种化学成分组成的道岔轨；

（2）将每个道岔轨直立于辊道上，在空气中静置空冷，当轨头踏面的温度降低至降至表2中加速冷却开冷温度时，按照本发明的热处理方法对道岔轨进行加速冷却（其中，轨头踏面、轨头工作侧、轨头非工作侧及轨底中心的加速冷却速度见表2，表2中将加速冷却速度称为冷速），当轨头踏面温度降至表2中加速冷却终冷温度时停止对道岔轨进行加速冷却，并将所述道岔静置轨直接进行空冷至室温，得到道岔轨，对道岔轨进行性能测试（表4与表5列出了实施例1-8的部分力学性能测试结果（包括拉伸性能，冲击性能，以及轨头断面硬度/HRC），其中：

本发明中，轨头断面硬度为按照现行技术中对道岔钢轨轨头断面硬度测试的方法测定得到，如图2所示，沿着虚线方向每隔5mm对道岔钢轨轨头横断面进行硬度测试，在本发明中，只选取了图1中A1、B1、C1、D1、E1、A6、B6、C6、D4、E4共计10点进行测试分析，其中，A1、B1、C1、D1、E1至轨头表面的距离为5mm，A6、B6、C6至轨头表面的距离为30mm，D4、E4至轨头表面的距离为20mm，并对轨头工作侧的拉伸性能和冲击性能进行了测试。

表1

表2

对比例1-8

（1）按照实施例1-8步骤（1）的相同方法制备得到与实施例1-8相同的8种化学成分组成的道岔轨；

（2）对得到的8种化学成分组成的道岔轨按照实施例1-8步骤（2）的方法进行处理，不同的是，对道岔轨的轨头工作侧、轨头踏面、轨头非工作侧及轨底中心均施加与表2中轨头非工作侧相同的冷速，并控制相同的终冷温度（具体见表3），得到道岔轨（表4与表5列出了对比例1-8的部分力学性能测试结果（包括拉伸性能，冲击性能，以及轨头断面硬度/HRC））。

表3

表4

表4中，用于作为测定显微组织的试样为轨头工作侧上圆角部位取得的试样。

表5

由表1-表5的结果可知，采用本发明的热处理方法处理得到的道岔轨为全珠光体组织（无贝氏体、马氏体等异常组织产生），且该道岔轨的轨头工作侧的硬度比轨头非工作侧的硬度高，轨头工作侧的抗拉强度比轨头非工作侧的抗拉强度高，且道岔轨的拉伸性能以及轨头断面硬度相比于现有技术的方法得到的道岔轨均有提高，特别是轨头下方30mm处（轨头心部）硬度值未显著降低，有利于道岔切铣加工后良好的使用性能，在本发明的优选的实施方式中，道岔轨的轨头工作侧的硬度比轨头非工作侧的硬度高1-3HRC，道岔轨的轨头工作侧的抗拉强度比轨头非工作侧的抗拉强度高20-50MPa，由此有效提高了热处理后的道岔轨的抗冲击磨损性能和疲劳性能，与此同时，道岔轨的平直度好，道岔轨的钢的韧塑性保持现有水平，因此，采用本发明的热处理方法得到的道岔轨非常适用于对抗接触疲劳伤损和耐磨损性能较高的普通客货混运和重载铁路。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种道岔轨的热处理方法，其特征在于，该方法包括：将待处理的轨头踏面温度为650-900℃的道岔轨进行加速冷却以得到全珠光体组织的道岔轨，其中，道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度高于道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其中，道岔轨的轨头工作侧与道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度差为0.1-1℃/s。

3.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其中，所述道岔轨的轨头工作侧的加速冷却速度为1.1-6℃/s，所述道岔轨的轨头非工作侧的加速冷却速度为1-5℃/s。

4.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其中，道岔轨的轨头踏面的加速冷却速度为1-5℃/s，道岔轨的轨底中心的加速冷却速度为1-5℃/s。

5.根据权利要求1或2所述的热处理方法，其中，当轨头踏面温度降低至400-550℃时，停止加速冷却，并将所述道岔轨直接进行空冷至室温。

6.权利要求1-5中任意一项所述的热处理方法得到的道岔轨。

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