淬火引軌早期失效分析和預(yù)防對策

趙鵬飛，汪廣志

道岔鋼軌全長表面感應(yīng)淬火時，為了保證軌件兩端頭鋼軌淬火質(zhì)量，需要在淬火鋼軌兩端加一個淬火引軌工裝，感應(yīng)加熱器、噴霧盒、行走裝置必須走過引軌長度。淬火引軌主要由手柄、夾板、引軌頭等零件組成，如圖1所示。

引軌在使用中存在使用壽命短，使用850～900次后淬火引軌端頭便燒損腫脹的十分厲害，影響行走裝置順利前進(jìn)和軌件結(jié)束端淬火質(zhì)量等弊端。引軌平均月消耗8臺，年工裝制造費(fèi)高達(dá)8萬～9萬元，造成公司道岔產(chǎn)品生產(chǎn)成本居高不下。

引軌使用壽命短成為制約公司道岔熱處理生產(chǎn)發(fā)展和難以降低成本的一大頑疾。鋼軌淬火引軌早期失效報(bào)廢有引軌頭燒腫龜裂和夾板脫焊兩種形式。

為此，本文對淬火引軌早期失效原因進(jìn)行了分析，并對引軌工裝進(jìn)行了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料改進(jìn)。

1. 淬火引軌早期失效原因分析

引軌使用壽命與引軌頭的材質(zhì)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場使用維護(hù)等因素有關(guān)。

（1）引軌頭燒腫龜裂 引軌的引軌頭一般由U71Mn軌道鋼制作，有效工作長度范圍為600mm，其中易燒損腫脹和產(chǎn)生網(wǎng)狀龜裂在軌頂面部位，長度約160mm，如圖2所示。

原因分析：U71Mn軌道鋼材料的主要化學(xué)成分：wC=0.65%～0.76%，wMn=0.65%～0.76%，wSi=0.11%～0.58%。

可以看出，C、Mn等易氧化元素較多，導(dǎo)致引軌頭高溫穩(wěn)定性和熱循環(huán)性能不良，高溫抗氧化性能低。在鋼軌加熱冷卻過程中，引軌頭上軌頂面160mm長位置反復(fù)承受20℃→980℃→20℃→980℃循環(huán)熱冷作用，引軌頭軌頂面發(fā)生嚴(yán)重的氧化脫碳現(xiàn)象，表層為脫碳后的鐵素體，基體為珠光體。

發(fā)生熱疲勞龜裂的裂紋源首先從滲碳體尖端處的基體上產(chǎn)生，并向附近的基體不斷生長擴(kuò)散成為裂紋。由于裂紋在鐵素體中抵抗裂紋擴(kuò)展的能力比在珠光體中低的多，且裂紋在鐵素體中擴(kuò)展傳播的速度也比在珠光體中快得多，因此導(dǎo)致引軌頭表面形成龜裂。

引軌頭腫脹的主要原因是組織變化引起的。受冷熱交替作用，引軌頭的橫斷面上形成溫度梯度，在同一界面上會同時存在奧氏體、珠光體和鐵素體區(qū)域。由于各相的密度不同，在整個軌頭斷面上產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。在奧氏體 鐵素體、奧氏體 珠光體轉(zhuǎn)變過程中，在基體周圍積累的微裂紋縫隙數(shù)目不斷增加，潮濕空氣中的氧順著微觀裂縫及缺陷向軌頭內(nèi)部不斷擴(kuò)散，氧化生長伴隨著產(chǎn)生不可逆的體積膨脹，使軌頭表面成為疏松組織體，嚴(yán)重的腫脹變形導(dǎo)致引軌頭幾何尺寸發(fā)生超差，車輪無法順利通過。

（2）夾板易脫落 夾板易脫落主要是由于引軌在加工制造過程中存在焊接不牢固、虛焊等缺陷引起的。

原因分析：長鋼軌淬火移動期間，鋼軌彎曲變形嚴(yán)重，重心偏移傾倒，導(dǎo)致夾板頭部承受巨大的側(cè)向扭力，撕裂夾板與引軌頭上下顎的焊縫。另外，在引軌使用中，由于固定軸兩端螺栓松動嚴(yán)重、擋套間隙過大等因素也會導(dǎo)致引軌頭失穩(wěn)傾斜，夾板受力不均被拉裂。

2. 預(yù)防措施

針對上述問題，制定了以下預(yù)防措施。

（1）改進(jìn)軌頭結(jié)構(gòu)形式和材料 在道岔熱處理生產(chǎn)中，夾具工裝追求的不僅僅是滿足設(shè)備工藝要求，而且還有經(jīng)濟(jì)性，也就是淬火引軌應(yīng)該價格低廉且具備較高的使用壽命。

制作引軌頭的材料需要良好的高溫穩(wěn)定性和熱循環(huán)性能，其中最重要的就是高溫氧化性能。1Cr18Ni9Ti鋼具有上述特點(diǎn)，因此用1Cr18Ni9Ti鋼替代U71Mn鋼制作引軌頭。

具體做法：在引軌900mm長的引軌頭軌頂面鑲?cè)?60mm×70mm×30mm活塊，活塊采用1Cr18Ni9Ti耐熱鋼制作，如圖3所示，其他零件不變。

改進(jìn)型鑲嵌引軌生產(chǎn)制作工藝流程如下。

引軌頭：下料→鋸切→切割→銑臺→鉆孔→鑲嵌耐鋼熱活塊→調(diào)整。

夾板：下料→切割→刨切→拼裝焊接。

扶手：下料→切割→熱彎→拼裝焊接。

耐熱活塊：下料→鍛造→劃線→刨削→鉆孔→拼裝。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場工裝管理 使用中發(fā)現(xiàn)夾板焊縫開裂要及時修補(bǔ)，軌頭燒腫后要及時磨修，定期檢修引軌座。

3. 效果

2014年6～9月，我們將改進(jìn)型鑲嵌結(jié)構(gòu)淬火引軌安裝在淬火機(jī)床上，進(jìn)行使用壽命測試，并與原引軌使用情況相比對，測試結(jié)果見附表。

由表中對比結(jié)果可以看出，改進(jìn)型鑲嵌引軌比原先U71Mn引軌使用壽命多9～10倍。主要原因是：U71Mn引軌頭的高溫氧化為直線氧化曲線，表面的氧化膜不能完全覆蓋金屬表面，進(jìn)一步氧化能夠繼續(xù)進(jìn)行。

而1Cr18Ni9Ti引軌頭的高溫氧化為拋物線氧化曲線，氧化膜致密覆蓋金屬表面且未因內(nèi)應(yīng)力過大而開裂，此時氧化膜能將金屬基體與霧狀空氣隔開，使得進(jìn)一步的氧化反應(yīng)需要經(jīng)膜擴(kuò)散才能進(jìn)行。

雖然改進(jìn)型鑲嵌引軌采用耐熱鋼制作引軌頭活塊比原先要增加150元的投入，但耐熱活塊引軌頭燒壞后可以制作新的予以更新，不必報(bào)廢整體引軌重新制作，總體對比還是十分經(jīng)濟(jì)的，且每年節(jié)省的引軌夾具制造費(fèi)用十分可觀。

4. 結(jié)語

（1）引軌頭易燒腫龜裂和夾板脫落是鋼軌淬火引軌早期失效的主要方式。

（2）改進(jìn)型鑲嵌淬火引軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材合理，1Cr18Ni9Ti耐熱鋼代替U71Mn軌道鋼引軌頭，使用壽命提高超過10倍。

（3）每年可為公司節(jié)省6萬元淬火夾具制造費(fèi)，效果顯著。

圖1 鋼軌淬火引軌結(jié)構(gòu)示意

圖2 燒損腫脹龜裂的引軌頭

圖3 嵌入耐熱活塊引軌頭結(jié)構(gòu)示意

不同引軌工裝使用壽命表