丁 韋，李 力，李金華，胡玉堂

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

鋼軌在使用過(guò)程中的磨耗直接影響使用壽命，對(duì)鋼軌磨耗方面的研究很多［1-5］，降低鋼軌磨耗的方法大致有如下幾種:提高鋼軌硬度，使鋼軌本身更加耐磨;鋼軌表面涂潤(rùn)滑劑，減小輪軌摩擦系數(shù);適當(dāng)降低曲線鋼軌超高值;改變鋼軌軌底坡;保持線路良好狀態(tài)，也可以降低鋼軌不均勻磨耗。

目前我國(guó)的重載線路每年的運(yùn)輸量已經(jīng)達(dá)到了4億t。為了提高鋼軌的耐磨性能從而延長(zhǎng)使用壽命，鋼軌的強(qiáng)度逐年提高。高強(qiáng)度鋼軌普遍采用熱處理方法，通過(guò)加速?gòu)膴W氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變速度提高鋼軌硬度，有的材質(zhì)鋼軌硬度可以達(dá)到HB400。高強(qiáng)度鋼軌的使用，有效降低了鋼軌母材的磨損。但由于材質(zhì)的焊接性能下降，使接頭磨損相對(duì)增加。初步的調(diào)查表明，高強(qiáng)度鋼軌的焊接接頭經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用，大量出現(xiàn)低塌現(xiàn)象。

對(duì)于鋼軌焊接接頭而言，除了要求確保接頭強(qiáng)度和韌性防止斷軌外，接頭與鋼軌母材同步磨損也是確保線路狀況良好的重要方面。曾有研究認(rèn)為［6］，鋼軌閃光焊接頭經(jīng)過(guò)接頭熱處理，焊縫熱處理區(qū)(不包含軟化區(qū))的硬度應(yīng)與母材相當(dāng)。對(duì)于熱軋鋼軌焊后接頭經(jīng)過(guò)正火加熱，然后噴風(fēng)冷卻即可達(dá)到同步磨損的目的。對(duì)于高強(qiáng)度熱處理鋼軌而言，焊接接頭進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使接頭硬度達(dá)到母材水平即可解決接頭與母材的同步耐磨問(wèn)題。然而，由于鋼軌焊接是在局部進(jìn)行的，接頭熱影響區(qū)必然包括軟化區(qū)，并且，軟化區(qū)域硬度難以通過(guò)熱處理冷卻達(dá)到與母材完全相同，因此，其耐磨損規(guī)律也不盡相同，實(shí)際焊接接頭的磨損規(guī)律要比想象的復(fù)雜。

高強(qiáng)鋼軌往往焊接接頭部位的磨損尤為嚴(yán)重。為此，本文對(duì)多種鋼軌以及焊接接頭的磨耗進(jìn)行了跟蹤測(cè)量，分析了鋼軌焊接接頭各種硬度分布對(duì)接頭不均勻磨損的影響。分別對(duì)多種類鋼軌的閃光焊及鋁熱焊接頭進(jìn)行硬度以及定期的平直度統(tǒng)計(jì)，接頭平直度變化推算定期磨損量，并對(duì)焊接接頭不同區(qū)域的硬度與磨損量關(guān)系進(jìn)行分析。

本次試驗(yàn)用鋼軌為75 kg/m的PG4、U77MnCr熱處理軌和熱軋軌，焊接方法分為閃光焊和鋁熱焊，平直度測(cè)量分成8個(gè)周期進(jìn)行，與此同時(shí)還進(jìn)行了一次硬度測(cè)量，歷時(shí)11個(gè)月。

1 鋼軌焊接接頭磨耗特征

1.1 磨耗測(cè)量方法

鋼軌焊接接頭平直度測(cè)量采用電子平直度測(cè)量?jī)x(SEC電子測(cè)量尺)定期對(duì)焊接接頭軌頂進(jìn)行平直度測(cè)量。主要研究焊接接頭與母材磨耗，若接頭磨耗過(guò)高或過(guò)低均影響接頭平直度。焊接接頭縱向受熱影響不超過(guò)180 mm，軌頂磨耗曲線長(zhǎng)度只選擇了200 mm。圖1為典型鋼軌焊接接頭軌頂測(cè)量曲線，水平坐標(biāo)為沿鋼軌縱向，垂直坐標(biāo)為軌底向軌頭方向，曲線中部為焊縫，兩邊各長(zhǎng)100 mm，曲線兩個(gè)較凹區(qū)域?yàn)榻宇^軟化區(qū)?！昂缚p及接頭相對(duì)磨損量”和“左、右軟化區(qū)相對(duì)磨耗量”測(cè)量方法如圖1所示，向下相對(duì)磨耗為正。

圖1 鋼軌焊接接頭軌頂測(cè)量曲線

1.2 典型磨耗特征

1)圖2為PG4(熱軋)鋼軌閃光焊接頭磨耗情況，可以看出，焊接接頭軌頂首次測(cè)量結(jié)果較為平直，隨著列車車輪的碾壓和摩擦，焊接接頭的熱處理區(qū)與母材之間的相對(duì)磨耗量明顯加大，其中，焊接接頭軟化區(qū)的相對(duì)磨耗又明顯高于接頭中部的熱處理區(qū)，成為最大。因此，總體看，PG4鋼軌焊接接頭磨耗明顯大于母材。

圖2 PG4閃光焊接頭磨耗情況

2)圖3為PG4熱處理(欠速淬火)鋼軌閃光焊接頭磨耗情況，可以看出，整個(gè)焊接接頭部位的磨耗趨勢(shì)和熱軋鋼軌焊接接頭是一致的，焊接接頭熱處理軟化區(qū)的磨耗最大。PG4熱處理鋼軌焊接接頭總體磨耗量明顯加大，熱處理鋼軌與同材質(zhì)的熱軋軌比較，其焊接接頭部位相對(duì)磨耗更大。

圖3 PG4淬火軌閃光焊接頭磨耗情況

3)圖4為PG4鋁熱焊接頭磨耗情況，由于鋁熱焊接頭寬度大，軟化區(qū)之間的距離較長(zhǎng)。與PG4閃光焊相比，焊接接頭最大磨耗部位不是軟化區(qū)，而是焊縫，接頭中部焊縫的相對(duì)磨耗量明顯大于焊接熱影響區(qū)軟化區(qū)。由于鋁熱焊的總體熱影響區(qū)寬，焊接低接頭的影響區(qū)域更大。

圖4 PG4鋁熱焊接頭磨耗情況

4)圖5為PG4熱處理鋼軌鋁熱焊接頭磨耗情況，與PG4熱軋鋼軌鋁熱焊比較，焊縫磨耗進(jìn)一步加大，由于焊縫磨耗量過(guò)大，甚至已經(jīng)看不到焊接熱影響區(qū)軟化區(qū)的磨耗凹槽了，這樣的焊接接頭的力學(xué)性能匹配不理想，應(yīng)當(dāng)考慮改進(jìn)焊劑成分或焊接工藝。

圖5 PG4淬火軌鋁熱焊接頭磨耗情況

5)圖6為U77MnCr鋼軌(熱軋)閃光焊接頭磨耗情況，由于兩條曲線十分接近，說(shuō)明焊接接頭與母材的相對(duì)磨耗很小，與PG4熱軋或熱處理鋼軌焊接接頭比較，焊接接頭磨耗量小得多，由圖推算，在0.05 mm/年以下。

圖6 U77MnCr閃光焊接頭磨耗情況

6)圖7為U77MnCr熱處理(欠速淬火)鋼軌閃光焊接頭磨耗情況，與U77MnCr熱軋鋼軌比較相對(duì)磨耗要大一些，但與PG4熱處理鋼軌比較，要小得多，說(shuō)明U77MnCr熱處理鋼軌閃光焊接頭磨耗很小。

圖7 U77MnCr熱處理閃光焊接頭磨耗情況

1.3 磨耗測(cè)量結(jié)果分析

焊接接頭磨耗量測(cè)量分別由“焊縫及接頭相對(duì)磨損量”和“左、右軟化區(qū)相對(duì)磨耗量”來(lái)表示，具體測(cè)量方法如圖1所示。每種焊接接頭數(shù)據(jù)為多個(gè)接頭的平均值，并統(tǒng)一折算成每年平均磨耗量，具體如表1所示。

表1 鋼軌焊接接頭軌頂相對(duì)磨耗量 mm/年

可以看出，熱處理軌與熱軋軌相比，熱處理軌接頭相對(duì)磨耗量較大，熱軋軌較小;PG4接頭的磨耗量較大，U77MnCr較小;鋁熱焊接頭磨耗量較大，閃光焊接頭較小。相對(duì)磨耗最為嚴(yán)重的是PG4熱處理軌鋁熱焊接頭，1年磨耗量超過(guò)1 mm。接頭磨耗比較理想的是U77MnCr熱軋鋼軌閃光焊接頭，相對(duì)磨耗量極小，一年不超過(guò)0.01 mm?！颁X熱焊2”接頭磨耗出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明該焊劑接頭的焊縫磨耗量小于母材。

2 鋼軌焊接接頭硬度分布

2.1 硬度曲線分區(qū)

硬度測(cè)量部位為鋼軌焊接接頭軌頂(即踏面)，測(cè)量沿縱向進(jìn)行，每隔5 mm測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，以焊縫為中心，總共測(cè)量40點(diǎn)(約200 mm長(zhǎng))。焊接接頭硬度計(jì)算方法如圖8所示，以左右兩個(gè)軟化區(qū)最低硬度點(diǎn)為起點(diǎn)向母材方向外推20 mm劃垂線，垂線之間硬度(包括軟化區(qū)硬度)的平均值被定義為“焊接接頭硬度”。而焊接接頭以外到兩端硬度的平均值定義為“母材硬度”。該測(cè)量方法與目前TB/T 1632—2005《鋼軌焊接》并不完全相同，其原因是線上所使用的鋼軌無(wú)法進(jìn)行取樣加工后做硬度試驗(yàn)，但該測(cè)量方法與標(biāo)準(zhǔn)比較有極強(qiáng)的相似性，和較高的可比性，因此有極強(qiáng)的參考價(jià)值。

2.2 典型硬度曲線特征

不同焊接方法的焊接接頭硬度分布特點(diǎn)存在明顯差異。閃光焊接頭由于經(jīng)過(guò)了焊后熱處理，其硬度分布主要與熱處理工藝有關(guān)。典型的閃光焊接頭的軌頭硬度分布如圖9所示，其中垂直坐標(biāo)為布氏硬度值，橫向坐標(biāo)為鋼軌縱向坐標(biāo)。圖9中部的硬度曲線為接頭熱處理部位，其兩側(cè)的低硬度部位為熱處理軟化區(qū)，熱處理軟化區(qū)外側(cè)為鋼軌母材。

典型的鋁熱焊接頭的軌頭硬度分布如圖10所示，由于鋁熱焊接頭焊接完成后不進(jìn)行熱處理，因此焊接接頭處于焊接狀態(tài)。圖10中部的硬度曲線為焊縫及熱影響區(qū)，其兩側(cè)的低硬度部位為焊接熱影響軟化區(qū)，焊接熱影響軟化區(qū)外側(cè)為鋼軌母材。與閃光焊接頭比較，焊接接頭寬度大，焊縫硬度明顯低于母材。目前我國(guó)鋁熱焊接頭并不要求進(jìn)行焊后熱處理，因此，對(duì)于高強(qiáng)鋼軌焊接來(lái)說(shuō)焊縫強(qiáng)度一般低于母材。

圖8 焊接接頭軌頂硬度測(cè)量方法

圖9 鋼軌閃光焊接頭軌頂硬度曲線

圖10 鋼軌鋁熱焊接頭軌頂硬度曲線

2.3 接頭硬度測(cè)量結(jié)果

表2分別列出各種焊接接頭硬度測(cè)量結(jié)果，其中軟化區(qū)最低硬度為左、右兩個(gè)軟化區(qū)最低硬度的平均值，焊縫及熱影響區(qū)硬度為兩個(gè)軟化區(qū)中間硬度值。接頭硬度和母材硬度計(jì)算方法如圖10所示。焊縫及熱影響區(qū)硬度多數(shù)接頭可以達(dá)到母材水平。軟化區(qū)硬度一般只有焊縫及熱影響區(qū)硬度的80%～95%。接頭硬度由于包括了軟化區(qū)硬度，因此，總體略低于焊縫及熱影響區(qū)硬度。熱處理鋼軌焊接接頭硬度明顯低于母材。

表2 焊接接頭硬度測(cè)量結(jié)果HB

3 焊接接頭硬度與磨耗分析

鋼軌焊接接頭相對(duì)磨耗與硬度比值關(guān)系如圖11和圖12所示。圖中垂直坐標(biāo)為接頭熱處理區(qū)(或焊縫及熱影響區(qū))相對(duì)磨耗量，圖11的橫坐標(biāo)為接頭熱處理區(qū)(或焊縫及熱影響區(qū))與母材硬度比值(Hr/Hb)，圖12的橫坐標(biāo)為接頭與母材硬度比值(Hj/Hb)。從圖11可以看出，當(dāng)接頭熱處理區(qū)(或焊縫及熱影響區(qū))與母材硬度比值接近1.05時(shí)，接頭熱處理區(qū)(或焊縫及熱影響區(qū))的相對(duì)磨耗量最小，也就是說(shuō)，對(duì)于閃光焊熱處理區(qū)的硬度高于母材1.05倍時(shí)，接頭與母材磨耗接近，相對(duì)磨耗量最小。從圖12可以看出，接頭與母材硬度比接近1.00時(shí)，接頭的相對(duì)磨耗量最小。由于接頭硬度計(jì)算方法十分接近TB/T 1632—2005，因此，接頭硬度與母材基本相同時(shí)，接頭與母材磨耗接近，相對(duì)磨耗量最小。測(cè)量結(jié)果表明，要想獲得與母材磨耗相當(dāng)?shù)慕宇^，應(yīng)當(dāng)使閃光焊接頭的熱處理區(qū)硬度接近母材硬度1.05倍(如圖13所示)，此時(shí)，焊接接頭硬度(含軟化區(qū))近似等于鋼軌母材硬度。

圖11 Hr/Hb與焊縫相對(duì)磨耗量關(guān)系

圖12 Hj/Hb與焊縫相對(duì)磨耗量關(guān)系

圖13 焊縫與母材磨耗量相當(dāng)時(shí)硬度分布

4 結(jié)論

1)焊接接頭磨耗測(cè)量表明，熱處理鋼軌焊接接頭相對(duì)磨耗明顯大于熱軋鋼軌，鋁熱焊接頭磨耗大于閃光焊。

2)焊接接頭硬度測(cè)量表明，熱處理鋼軌接頭硬度大多數(shù)低于母材，熱軋鋼軌接頭硬度較為接近母材，熱處理鋼軌鋁熱焊焊縫與母材硬度差異最大，大大低于母材。

3)鋼軌接頭磨耗與其硬度有直接關(guān)系，接頭與母材硬度比接近1.00時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)的相對(duì)磨耗量最小，此時(shí)，焊縫硬度接近母材的1.05倍。

4)PG4熱處理鋼軌鋁熱焊接頭磨耗嚴(yán)重的原因是焊縫硬度大大低于鋼軌母材，建議提高鋁熱焊軌頭硬度，使接頭硬度接近母材。

5)U77MnCr熱處理和熱軋鋼軌閃光焊接頭相對(duì)磨耗極小的原因是接頭硬度接近鋼軌母材。

［1］ 劉國(guó)春．京通線鋼軌磨耗與防治措施［J］．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008，258(4):13-15．

［2］ 高愛(ài)東．豐沙線曲線鋼軌磨耗成因與對(duì)策［J］．鐵道建筑，2001(4):16-18．

［3］ 馬驥．重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗初探［J］．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2009，198(20):112-113．

［4］ 蔣萬(wàn)軍．石太線鋼軌磨耗情況考察報(bào)告［J］．哈鐵科技通訊，1994(4):18-19．

［5］ 劉鳳堯．小半徑曲線鋼軌磨耗分析［J］．哈鐵科技通訊，1990(3):4-7．

［6］ GENKIN Z．Welding and heat treatment of joints in railway rails in induction equipment［J］．Welding International，2005，19(2):160-164．