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钢轨全长淬火工艺及性能的研究

周清跃王树青詹新伟刘保安张银花田仲亮

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摘　要：本文从热模拟试验着手，对钢轨全长淬火加热及冷却参数进行了优选，研究了淬火轨的性能，探讨了钢轨表面状态和淬火冷却方式对淬火轨质量的影响，还介绍了钢轨全长淬火技术的应用情况。

关键词：钢轨全长；淬火工艺；性能

1　前言

钢轨全长淬火是提高其强韧性的主要途径之一。实践证明，在弯道上使用全长淬火钢轨可比普轨延长寿命一倍以上。另外，全长淬火钢轨比热轧高强轨具有更优良的安全使用性能。中国铁道部技术政策明确规定，凡60kg/m及以上钢轨要求全部淬火。铁道部科学研究院金属及化学研究所，在1980年～1990年间先后研究成功50～60kg/m、25～500m钢轨全长淬火技术，并将该技术推广应用到多数铁路局。该项技术在应用过程中得到不断的完善。本文重点介绍近年来钢轨全长淬火在工艺和性能方面的研究以及该项技术出口等情况。

2　钢轨全长淬火技术的研究

2.1　钢轨全长淬火工艺

2.1.1　加热参数选择　采用热模拟试验方法来研究加热温度与奥氏体晶粒尺寸及冲击韧度之间的关系。选择每组4个冲击试样，模拟实际中频电感应加热情况，用3～5min加热到设定温度后，不保温，以一定的速度冷却后测定其奥氏体晶粒尺寸及冲击韧度。试验用钢轨U74和BNbRE热模拟试验结果见表1。

由表1可见，加热温度为900～950℃时，U74轨奥氏体晶粒度＞7级，冲击韧度＞62J/cm2，BNbRE轨奥氏体晶粒度＞10级，冲击韧度＞35.9J/cm2。而当加热温度只要不超过1100℃，U74和NBbRE轨热处理后的冲击韧度都比热轧态高，奥氏体晶粒也比热轧态细。

表1　U74及BNbRE钢轨加热温度与冲击韧度的关系

加热温度/℃				850	900	950		1000		1050	1100		1150		热轧态
奥氏体晶粒度/级	U74BNbRE			9～10 11	9 11	7～8 10		7 9		7 8	6 7		3 6		4～5 6
冲击韧度/J^.cm^－2	U74 BNbRE			65.8 39.9	62.0 56.2	65.0 35.9		39.1 22.2		32.8 16.4	27.6 21.1		20.5 14.4		21.8 18.0
表1中试验用轨化学成分(质量分数)　w(%)
		C	Si		Mn		S		P			Nb		RE
U74 BNbRE		0.74 0.80	0.24 0.86		0.86 1.25		0.018 0.027		0.017 0.022			0.025		0.022

考虑到加热层深的要求以及钢轨头部踏面中心和圆角部位存在温度差，对U74和BNbRE钢轨而言，踏面中心部位加热温度选900～950℃为好，此时，轨头圆角约1000～1050℃，加热层各部位均不会超过1100℃。

2.1.2　冷却参数选择　钢轨全长淬火强韧化的实质就是加速奥氏体向珠光体的转变过程，提高奥氏体转变过冷度，使珠光体转变在更低的温度下进行以获得强韧性兼备的精细片状珠光体组织，不得出现马氏体、贝氏体等有害组织。研究表明，珠光体片层越细，不仅强度越高，断面收缩率也越大。钢轨全长淬火是一个连续冷却转变过程，因此测定其CCT曲线就可确定最佳冷速范围。

为了模拟实际钢轨全长淬火工艺，测定CCT曲线的加热及冷却程序，参数设计为：全部试样采用同一温升速度5℃/s，奥氏体加热温度900℃，保温10min(研究表明，900℃加热保温10min与950℃加热不保温，同一条件冷却后硬度基本一致)。冷却程序不同，冷却速度从0.1℃/s～100℃/s，按不同间隔，在中间设定了不同的冷却速度，加热和冷却程序均由热模拟试验机中的微机进行控制，由上述试验测得温度-膨胀点关系曲线，由此曲线可找出各种转变点。

对经过加热和冷却试验后的试样进行金相及硬度测定，每根试样取一具有代表性的金相组织照相，并测定维氏硬度(载荷砝码5kg，测点5个，取平均值)。由温度-膨胀点曲线、金相及硬度试验结果可绘制出连续冷却转变曲线(CCT)。中限及上限碳含量的U74及BNbRE轨全长淬火用CCT曲线见图1。

（图片）

图1　钢轨CCT曲线

(a)　U74钢轨　(b)　BNbRE钢轨

由图1可知，U74和BNbRE钢轨全长淬火最佳冷却速度范围分别为2.5～5℃/s和2～3℃/s。

不同的冷却速度，使得奥氏体发生转变时有不同的过冷度，在珠光体转变范围内可得到不同片间距的珠光体组织，因而有不同的硬度。U74和BNbRE轨冷却时发生组织转变的临界点如表2所示。

表2　U74及BNbRE钢轨冷却速度与Ar₃、Ar₁之间的关系

冷却速度/℃^.s^－1		0.1	0.5	1.0	2.0	2.5	3.0	3.5	5.0
Ar₃	U74 BNbRE	708 703	640 662	679 660	649	671	638	629	664
Ar_l	U74 BNbRE	652 670	632 634	603 624	599	573	572	554	558

由表2可见，以U74轨为例，当采用2.5℃/s～5.0℃/s速度冷却时，奥氏体向珠光体开始转变的温度(Ar3)不高于671℃，结束转变的温度(Arl)不低于558℃。这些数据对指导实际钢轨全长淬火中何时加速冷却(即喷雾或喷风)，至少冷却到什么样的温度才能保证组织转变结束，具有指导意义。

当冷却速度超过一定值时，就不能保证得到全珠光体组织，会出现马氏体、贝氏体、屈氏体等混合组织，这是钢轨全长淬火(SQ)工艺所不允许的。这一最高冷却速度与钢种以及化学成分有关。U74和BNbRE轨不出现马氏体、贝氏体的最高冷却速度见表3。

表3　U74和BNbRE轨不出现马氏体、贝氏体的最高冷却速度

钢种	U74				BNbRE
含碳量(%) 最高冷却速度/℃^.s^－1	0.65 15	0.70 12.5	0.74 7.5	0.80 5.5	0.80 3.75

因此，钢轨全长淬火一定要保证冷却速度的变化范围不要超过允许值，否则在钢轨表面出现马氏体组织，会在以后的使用中发生掉块，在内部出现马氏体将形成早期裂纹，不仅不能提高钢轨的使用寿命而且将严重影响铁路的行车安全。

2.1.3　钢轨表面状态的影响　在铁路部门从事钢轨全长淬火，其钢轨均要通过运输。钢轨在运输过程中，在多层叠放的支撑部位为减少摩擦要涂上油脂。钢轨存放过程中，无油部分的轨头表面会生锈，而有油部分则难以形成锈层。钢轨淬火时，沾在轨头表面部分的油迹虽然在加热时已被高温烧掉，但在喷雾冷却时却影响了轨头表面吸收雾汽，降低了冷却速度，致使硬度偏低，如图2所示。这样，即使在同一冷却工艺下，在同一根钢轨中轨头纵向硬度分布不均匀，无油部位硬度高，有油部位硬度低，并且会使淬火轨的变形增大，增加随后钢轨矫直工作量。

（图片）

图2　钢轨表面状态对钢轨淬火后横断面硬度(HRC)的影响

(a)　有油轨　(b)　无油、无锈轨　(c)　薄锈轨

另外，有的钢轨刚从冶金厂生产出来，存放时间短，轨头表面还没有来得及形成锈层。这样的轨头表面即使增加冷却水量也因吸附水汽不好而冷不下来，致使淬火后硬度偏低，如图2b所示。焊接长钢轨淬火时，焊头部位由于经过打磨呈光亮状态，此部位与新轨差不多，也冷不下来。

因此，对喷雾冷却而言，轨头表面状态是否有油或有锈对全长淬火后的质量有至关重要的影响。在同一根钢轨中，纵向硬度分布不均匀，起伏太大，不仅影响钢轨淬火的正常生产，更为重要的是会使钢轨在使用中产生纵向不均匀磨损，影响列车运行的平顺性。

经过多次科学试验，热处理前在轨头表面刷上一层过饱和溶液，形成统一的人工表面层，就能解决钢轨表面状态不同对淬火质量的影响问题，这种过饱和溶液的成分为盐、碱及活性剂。钢轨经加热后，溶液凝固成粉末状固体均匀地附在轨头表面，在随后的喷雾冷却过程中，这种粉末状固体具有与轨面锈层同样的吸附雾汽的能力，达到钢轨淬火后表面硬度的均匀一致。轨头表面预处理后不同表面状态下钢轨横断面硬度分布如图3所示。由结果可知，进行表面预处理后淬火轨硬度趋于一致。

（图片）

图3　钢轨表面预处理后不同表面状态下钢轨横断面硬度(HRC)

(a)　有油轨涂过饱和液体　(b)　无油、无锈轨涂过饱和液体　(c)　薄锈轨涂过饱和液体

因此，在钢轨热处理前，在轨头表面刷一层过饱和溶液，形成统一的人工表面层，是解决钢轨表面无锈、钢轨表面有油迹而造成淬火轨硬度不均、变形太大的简单易行的办法，也是保证喷雾淬火钢轨质量的不可缺少的手段之一。

2.1.4　冷却方式的影响　喷雾冷却由于成本较低，噪音小，冷却速度可在较大范围内调节，对U74和U71Mn这样的平均碳量较低的钢轨进行淬火，已经收到了较好的效果。但是近年来冶金部门分别研制了微合金轨，如PD3轨和BNbRE轨。采用压缩空气冷却(即喷风冷却)对这样的微合金轨淬火来说比较合适。另外，由于喷风冷却器不象喷雾冷却器那样容易发生堵塞，冷却速度基本恒定，并且对钢轨表面状态是否有油、钢轨新旧状态如何不敏感。淬火后不会出现马氏体组织，并且硬度分布均匀。因此近几年开展了先风后雾冷却新技术的研究，并已在铁科院钢轨热处理试验中心使用，1997年又将该项技术和成套设备出口韩国，取得了满意的效果。

2.2　全长淬火钢轨的性能

2.2.1　硬化层形状和深度　全长淬火钢轨硬化层形状和深度如图4所示，其踏面中心深度为17mm，轨鄂两侧深度为12mm，符合全长淬火轨规定要求。

（图片）

图4　硬化层的形状和深度

2.2.2　轨头横断面硬度　经先风后雾新技术冷却后的不同钢种及化学成分钢轨横断面的硬度如图5所示。由图可见硬度分布较为均匀，在同一冷却条件下，BNbRE和PD3钢轨有较高的硬度。

（图片）

图5　硬化层的硬度(HRC)

(a)　U74(0.74％　C)　(b)　U71Mn(0.68％　C　1.29％　Mn)

2.2.3　拉伸、冲击及断裂韧度　以BNbRE轨为例，全长淬火前后的拉伸、冲击和断裂韧度如表4所示。

表4　BNbRE轨全长淬火前后拉伸、冲击试验性能及K_1C

状态	σ_0.2/MPa	σ_b/MPa	δ₅(％)	ψ(％)	a_k/J^.cm^－2			K_Q/ MPa^.m^1/2	K_1C/ MPa^.m^1/2
状态	σ_0.2/MPa	σ_b/MPa	δ₅(％)	ψ(％)	室温	－20℃	－40℃	K_Q/ MPa^.m^1/2	K_1C/ MPa^.m^1/2
经全长淬火	835～835	1260～1280	12.0～13.0	30.0～35.0	20.0～37.5	15.6～23.2	14.2～18.8	55.45～57.73	55.45
经全长淬火	835	1270	12.5	32.5	28.1	19.6	16.6	56.77	55.45
未淬火	630～640	1060～1070	10～13	19～25	9.6～14.5	7.3～12.3	15～12.0	37.46～41.52	41.27
未淬火	635	1067	12	23	12.7	10.1	7.4	39.99	41.27
比值	1.31	1.19	1.04	1．41	2.21	1.94	2.24	1.41	1.34

注：上述试验钢轨化学成分质量分数(%)：0.76C、0.77Si、1.20Mn、0.032Nb、0.018RE。

2.2.4　疲劳性能　BNbRE钢轨全长淬火前后试样旋转弯曲疲劳试验结果见图6所示。全长淬火明显提高其疲劳性能。

（图片）

图6　BNbRE轨全长淬火前后S-N曲线

2.2.5　组织及晶粒度　BNbRE轨热处理后金相组织为细片状珠光体，热处理前后珠光体片层间距测定结果见表5。另外，奥氏体晶粒测定表明，经热处理后踏面中心部位10～11级，轨头圆角部位8～9级，而轧态为6级。

表5　BNbRE轨热处理前后珠光体片层间距测定结果

状态	方向	离表面不同距离时的珠光体片层间距/μm
状态	方向	2mm	4mm	8mm	12mm
经全长淬火	踏面中心	0.97～ 0.123	0.119～ 0.131	0.117～ 0.132	0.119～ 0.161
	轨角	0.112～ 0.124	0.120～ 0.132	0.124～ 0.135	0.133～ 0.141
热轧态	踏面中心	0.268～ 0.286	0.238～ 0.357	0.272～ 0.321	0.248～ 0.299
	轨角	0.260～ 0.301	0.268～ 0.288	0.264～ 0.279	0.286～ 0.347

2.2.6　铺设使用性能　钢轨经全长淬火后由于轨头硬度提高，在主要干线的曲线上铺设使用表明其耐磨性能较未淬火钢轨成倍提高，测定结果见表6。

表6　全长淬火钢轨抗磨耗性能

线别	京广线			津浦线				大秦线
钢轨	60kg/m 热处理轨		50kg/m U71Mn	60kg/m 热处理轨		60kg/m U71Mn		75kg/m 热处理轨	60kg/m U74
曲线半径/m	528	381	381-402	600	627	600	627	1000	1000
磨损速率mm/MGT	0.021	0.045	0.170	0.016	0.009	0.063	0.050	0.006	0.047

由于钢轨全长淬火其强度提高，从而减缓钢轨剥离损伤。并且钢轨硬度越高，只要轮轨接触合理这种作用越明显，但涂油制度不合理会加剧钢轨的剥离损伤。

全长淬火轨钢轨全长均匀强化，提高了全长抗塑性变形的能力，从而克服了波浪磨损。特别是焊接长钢轨全长淬火后效果更明显。

3　钢轨全长淬火技术的应用

3.1　焊接长轨全长淬火

在铁路焊轨厂大都建立了长轨淬火生产线(也可进行标准长度轨的淬火)。焊接好的250～500m长轨通过生产线一次连续进行轨头全长淬火，使轨头得到均匀的强化层，消除了钢轨焊接时造成的接头软化带。使用表明，可明显改善或消除焊缝区的马鞍型磨损，延长钢轨使用寿命。

3.2　标准长度钢轨全长淬火

铁路系统生产线生产的标准长度全长淬火钢轨主要用于铁路大修和维修，也进行再用轨的全长淬火以及为道岔制造厂进行基本轨的全长淬火。待热处理钢轨是由冶金厂提供的U71Mn和U74热轧轨，近几年也开始从事微合金轨，如PD3、BNbRE的全长淬火。

3.3　成套技术和设备出口

本生产线具有技术先进、造价低、投产快等特点，1997年铁道部科学研究院与韩国签订了钢轨全长淬火成套技术(包括设备、工艺、性能)出口合同，从此该技术走出了国门进入了世界市场。

采用SQ淬火工艺。钢轨全长淬火移动速度0.8m/min，σb≥1176MPa，δ5≥10％，表面硬度49～56HS(350～410HV)，硬化层深：踏面中心≥15mm，轨下颚≥10mm，硬化层为细珠光体组织。

钢轨以0.8m/min的匀速移动，轨头被连续加热到900～1050℃，先风后雾连续冷却，实现SQ工艺。整个工艺由微机进行自动监控，自动操作。

在热处理实物钢轨上切取试样进行检验，结果全部达到韩国技术要求。钢轨横断面硬度测试结果如表7所示。钢轨淬火的变形很小，非常平直。

表7　钢轨横断面硬度测试结果

测量部位	硬度　HV
至表面距离/mm	2	4	6	8	11	13	16	20
踏面中心方向左上圆角方向右上圆角方向	383 393 393	373 383 383	378 378 383	378 378 373	368 368 368	358 378 373	325 368 368	305 348 353

参考文献：

[1]周清跃，王树青.铌稀土钢轨全长热处理研究[J]．铁道学报，1998，20(4)．

[2]张银花，周清跃.钢轨喷雾冷却淬火质量控制[J]．中国铁道科学，1998，19(2)．

[3]侯德杰，周清跃.全长淬火钢轨生产、使用情况的调查报告[J]．铁道工务，1998，(3)．

[4]邵杨道.U74钢轨欠速淬火性能研究[J]．铁道学报，1994，16(4)． 3/31/2005


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