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功能梯度材料技术在道岔翼轨上的应用
摘要：为了实现功能梯度材料技术在道岔翼轨上的使用，在功能材料配方、热处理参数的选择、翼轨机械加工工艺等方面都进行了大量试验和研究，成功实现了功能梯度材料在翼轨上的应用，加强了翼轨的耐磨性能，延长了翼轨的使用寿命。
关键词：功能梯度材料;翼轨;焊接
一、概述
随着我国高速重载铁路的快速发展，列车运行速度、承载重量和密度不断增加，致使线路上使用的合金钢组合辙叉寿命大幅降低、更换周期大幅缩短，而造成合金钢组合辙叉寿命降低的主要原因是由于翼轨磨耗严重而造成下道，目前所使用的辙叉翼轨大多是用在线淬火钢轨制成，经现场使用，由于其耐磨性能不高，导致辙叉使用寿命较短，更换频繁，与辙叉设计要求通过运量2亿吨，甚至3亿吨的目标相差较大，不仅增加了运营成本，大大增加了线路的养护维修工作量，而且使运输组织和效率也受到了很大影响。
因此，将功能梯度材料技术应用到翼轨上不仅可有效解决以上问题，延长翼轨使用寿命，从而提高合金钢组合辙叉整体使用寿命和更换周期、提高运输效率，而且具有较好的经济效益和市场前景。
二、选题理由
2.1 功能梯度材料简介
功能梯度材料是指在一个构件的不同部位需要适应不同的性能要求时，其构件不同部位的材料也与之相适应地有所不同，也就是构件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化学成分、不同的性能特点及不同的组织结构，二者衔接部分则具有连续变化的性能状态及显微组织结构，使之成为一个有机结合的整体。
2.2 功能梯度材料在翼轨上的应用
现有合金钢组合辙叉的结构，由于有害空间的存在，使用中形成翼轨局部区域对车轮的支承面要比钢轨正常的支承面小得多，也就是其单位面积上所承受的车轮压力将远大于钢轨，因此，要保证翼轨具有较长的使用寿命，就需要相应地提高该区域翼轨工作面的硬度和强度。因此，本课题的任务就是在翼轨顶面复合一层功能梯度材料耐磨层，以提高其工作层的硬度和强度，增强翼轨的强度和耐磨损性能，从而延长其使用寿命。
如上所述，由于翼轨工作时， 不仅产生与车轮的磨擦， 而且还有车轮传递过来的挤压力和撞击力。因此，对翼轨这样一个由钢轨钢制成的细长杆件而言，不仅要有较高的抗磨损性能，同时还要具备良好的抗冲击能力。功能梯度材料耐磨翼轨的研发，目的就是利用堆焊焊接工艺，在翼轨的工作面形成一定厚度，且具有较高硬度(设计硬度予计为HRC 42～45)和良好冲击性能(Aku>15)的耐磨层。图1所示即为在翼轨工作面上，采用梯度材料复合后的工作断面。
三、研究内容及试制过程
3.1 梯度材料合金系统的设计、试验
对于耐磨材料而言，提高耐磨性的必要途径是提高材料的硬度，而材料的硬度又与其化学成分和金相组织有关。因此，梯度材料合金系统的设计，首先是选择添加能导致材料硬化的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni，而同时必须考虑这些元素加入量对金相组织稳定性的影响，通过试验确定合金系统设计见表1：
金相组织：基体钢轨母材仍保持细珠光体组织，复合层中无淬火马氏体组织。
3.2 电弧焊梯度焊接
由于梯度材料与翼轨工作面复合的工艺采用电弧焊接实现，电弧热量较高，且加热面积比较集中，无论成分或温度的变化，都有可能导致组织以及硬度的变化，因此，在制定工艺的时候，课题组对如何保证整个复合层成分、温度(包括加热温度和冷却速度)的均匀性做了大量实验，最终均通过设备自动控制功能得以实现。
在装备的设计中，除必须保证工艺实施上的要求外，还应能最大限度地减小翼轨在处理过程中的变形和残余应力，以免在随后的调直和矫正时出现开裂(本论文中以制作工艺为主，焊接设备不在此赘述)。
3.3 梯度材料的热处理
目前线路上合金钢组合辙叉中的翼轨、叉跟轨采用在线热处理钢轨制作，其硬度在HRC36左右，与合金钢心轨硬度HRC38～42有一定差别，且线路上因翼轨磨耗超限下道的合金钢组合辙叉居多。为此我们采用功能梯度材料对翼轨进行强化，并通过优化整体钢轨淬火工艺，提高翼轨工作面的硬度和强度使翼轨轨头硬度达到HRC42～45，这样不仅可延长翼轨使用寿命，而且可提高辙叉的整体寿命。
课题组在现有钢轨中频淬火生产线和先喷风后喷雾的热处理工艺的基础上，通过调整优化工艺参数，反复进行淬火试验，即调整小车变频频率、加热后的冷却风压、水量，使淬火翼轨轨头硬度达到HRC42～45，并进行取样检测，确定了提高钢轨轨头淬火硬度的工艺参数，见表2：
课题组利用表中工艺参数处理的钢轨试件取样，委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了检测，检测的轨头硬化层硬度、深度和金相组织满足TB/T1779标准要求，且硬度达到了预期指标。
3.4 功能梯度材料处理翼轨的机械加工工艺
确定功能梯度材料翼轨的制作工序和机加工工艺如下：
3.4.1 下料：用卷尺量取钢轨尺寸4855mm，然后锯切，锯切端面垂直度不大于1.0mm。
3.4.2 钻孔：钢轨定位后用75鱼尾孔钻模板钻出趾端鱼尾孔，直径31mm三个通孔。
3.4.3 划线、顶弯：按照辙岔开向划出相应轨头、轨底铣削位置，按辙叉开向顶弯，弯折段要圆顺。
3.4.7 扭轨底坡：在钢轨扭转机上扭转翼轨跟端170mm范围内1：40轨底坡。
3.4.8 垂直调弯：在调直机上顶出钢轨垂直弯5mm，并保证轨底各直线段的直线度不大于1.5mm。
3.4.9 质量检验按《合金钢组合辙叉质量检验实施细则》的要求检测。
3.5 功能梯度材料翼轨的探伤检查
翼轨处理完成后进行磁粉和超声波探伤检查，均无异常。
3.6 梯度材料翼轨加工工序及技术要求
梯度材料翼轨加工工序及技术要求见表3。
根据确定的淬火工艺参数课题组试制了一组高强度、高硬度的75kg/m翼轨并进行了整组辙叉的试制组装，以满足重载线路大轴重、高密度和大运量运营状况下对合金钢组合辙叉使用寿命的需求。
四、功能梯度材料的性能检测
为了验证功能梯度材料的力学性能，课题组按照铁标相关规定，进行了力学性能取样送检，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，结果如下。
4.1 力学性能
4.1.1 拉伸性能(均符合要求)，见表4。
4.1.2 冲击性能(均符合要求)。
采用夏比U型缺口冲击实验法，环境温度为20度，结果见表5。
4.2 经复合梯度材料耐磨层工艺处理后钢轨的整体落锤性能试验
为保证功能梯度材料耐磨翼轨运行的安全性，我们对经梯度材料复合工艺处理后的6根钢轨分别按TB/T 2344-2012 (落锤高度9.1m)和TB/T 1632.2-2005 (落锤高度5.2m) 标准要求委托中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行了整体落锤性能试验，试验结果全部达标。由此可见，功能梯度材料翼轨的耐磨层复合工艺过程对钢轨总体性能不会造成重大影响。
综上所述，经过梯度材料合金系统的设计、试验;热处理工艺试验;机械加工工艺试制，生产出来的新型翼轨，经中国铁道科学研究院金属及化学研究所检测，性能优越，均符合铁总相关标准要求，而且具有较高的硬度值和较好的耐磨性能。2015年7月通过了北京交通大学、铁道科学研究院、太原铁路局工务处、物资处、总工室和太原、太原南、原平、大同、茶坞工务段组织的试验评审会，得到了专家一致认可。
五、结束语
采用与合金钢心轨性能相匹配的功能梯度材料进行强化后的翼轨，预计寿命为普通翼轨合金钢组合辙叉的1.5-2倍，从而使合金钢心轨的使用潜力发挥到最大，这样不仅可有效解决线路车流密度加大，与维护天窗点减少的刚性矛盾，大大减少了养护维修工时和维修成本，而且可减少因更换辙叉造成对运输效率的影响，降低运营成本，提升经济效益。
此外，梯度材料处理翼轨技术方案还可以运用到旧叉心修复上，对于因翼轨磨耗，心轨依然完好而下道的辙叉，运用该技术对翼轨进行强化修复后，可以重新上道。实现修旧利废，节支降耗的目的，同时该项技术在其他易磨损构件领域也可深入探讨，具有长远良好的经济效益。
参考文献：
[1]徐长渝.翼轨加强型合金钢辙叉的结构与工艺性研究[J].山东铁道，2013(1).
[2]李长虹.功能梯度材料在道岔中应用的可能性[J].北方交通大学学报，2000(4).
[3]蒋昕.大秦铁路用75kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用[J].铁道标准设计，2013(10).
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