作者：閆佳，張琦，李向前，尉小明
單位：鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司
1.序言
在過載鐵路中，道岔的功能是實現列車行車線路的轉變。尖軌是道岔區間中的核心部件之一，是列車平穩轉換線路的關鍵。目前，尖軌採用60AT1型特種斷面鋼軌制造，但由於其斷面不對稱，不能直接與正線75kg/m型標準對稱重型鋼軌連線，需將尖軌跟端鍛壓成標準對稱軌型，在兩種軌型之間形成過渡。近期，鐵路行業頒佈實施了新技術標準TB/T 2344。3—2018《鋼軌 第3部分：異型鋼軌》，對軌件跟端效能提出了更高的要求。因此，針對新的標準要求，鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司開展了尖軌跟端（60AT1-75）鍛壓及熱處理工藝研究，並對其完成型式檢驗也勢在必行。
2.尖軌材料及鍛壓跟端結構
表1為鍛壓原材料的化學成分及力學效能，跟端鍛壓原材採用攀鋼生產的60AT1線上熱處理鋼軌，材質U75V，軌頭頂面硬度340～400HBW。如圖1所示，尖軌跟端鍛壓成形後經150mm過渡段變成75kg/m軌型，實現60AT1軌和75kg/m軌之間的過渡，最終鍛壓跟端與線路鋼軌採用機械結構固定或 焊接方式連線。
3.尖軌跟端鍛壓及熱處理工藝研究結構
製備尖軌跟端主要經過鐓粗、中頻感應加熱、整體模鍛、鍛壓跟端整體熱處理等工序。主要裝置：天鍛生產的ZY46（3150kN）鐓粗液壓機和5000T（約50MN）鍛壓生產線；中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所生產的350kW線上熱處理鋼軌鍛壓跟端整體熱處理生產線。
3.1鐓粗工藝研究
通常異型鋼軌跟端都是由AT軌直接經過中頻感應加熱和鍛造成形，但是由於601AT軌和75kg/m軌外形尺寸及橫截面面積差別較大，在鍛壓過程中較難控制金屬的塑性流動，會對合模程度或充型程度產生影響，從而影響跟端最終成形。例如，在軌頭下顎和軌底區域容易形成缺陷，導致產品合格率低，故當前的跟端鍛壓裝置及工藝不能滿足將其直接鍛壓成形的條件。透過鐓粗處理調整60AT1尺寸及橫截面積，減小兩種軌型之間的差異，有助於實現鍛壓成形。為了探索鐓粗工藝方案，首先將未鐓粗處理的原材進行鍛壓，並對鍛壓後的成形情況進行分析，然後對60AT1進行鐓粗工藝設計，如確定鐓粗位置、鐓粗間隔、單次鐓粗量，最終透過控制加熱溫度、鐓粗整體縮量和鋼軌鐓粗後軌頭寬度，進行分段加熱鐓粗。
3.2鋼軌中頻感應加熱工藝研究
結合目前同行業鋼軌鍛壓生產現狀，借鑑鍛壓行業傳統工藝引數以及相關標準要求，確定感應加熱溫度為1150℃。軌件入爐長度900mm，感應加熱爐滿負荷啟動，紅外線測溫儀測量鋼軌軌腰處溫度，當溫度顯示達到1150℃後保溫20s，使軌件溫度均勻化，同一橫截面溫差保持在±50℃以內完成軌件加熱。
3.3鍛壓成形工藝研究
鍛壓工序採用熱作模具整體型腔模鍛成形。首先進行有限元模擬成形分析，對模具進行最佳化，並改進跟端加工工藝，從而降低或消除缺陷的產生，提高鍛件的質量。具體操作流程：鍛造生產線的自動化送料裝置抓取鋼軌，將鋼軌送至感應加熱爐進行加熱，待加熱完成後，自動化送料裝置將鋼軌送至模具，在送入模具過程中自動化送料裝置將鋼軌翻轉-90°~180°配合模具進行壓制；滑塊下行壓制（分為預鍛、中鍛、精整三個工位，見圖2）、退回；經過滑塊壓制動作後，自動化送料裝置將鍛壓好的鋼軌移出壓力機，再平移到壓力機另一側的下料區。鍛壓前需要對每個工位模具進行預熱，使模具模腔表面溫度達到200~300℃，模具各部位溫度分佈均勻，溫度梯度小。模鍛壓制過程採用三個方案進行試驗，即“一火三壓”“二火三壓”“二火四壓”。最終結合成形尺寸合格狀態，確定60AT-75系列採用“二火四壓”工藝壓制方案，即AT軌在中頻感應加熱爐第一次加熱後，經由一工位、二工位與三工位連壓，其中三工位模具控制不合模且無飛邊，然後將跟端返回感應加熱爐進行加熱，重新進行三工位鍛壓，最後終鍛成形。
3.4鍛壓跟端熱處理工藝研究
鍛壓跟端的熱處理，主要目的為去除鍛造過程中產生的殘餘應力以及對鋼軌軌頭進行硬化處理，增強鋼軌軌頭的強度和表面耐磨性。在熱處理時的加熱長度覆蓋鍛造的加熱長度，從而徹底去除上工序的影響。按照行業標準及現有工藝，當前有兩種跟端熱處理方法：一種是箱式正火+離線淬火，如圖3a所示；另一種是採用新型的鋼軌跟端整體熱處理系統進行感應爐加熱+吹風正火，如圖3b所示。目前，上述兩種工藝均可滿足相關標準質量要求，經實際生產驗證，採用第二種方法更為高效和節能。
4.型式檢驗結果及分析
4.1外觀、無損檢測和型式尺寸
隨機抽檢5根成品試件進行外觀檢測，在成形段和過渡段非機加工表面未見裂紋、摺疊、橫向劃痕、結疤和壓痕；過渡段部位的軌頭高度、軌腰厚度、軌底相對於垂直軸偏移量均勻過渡，各相交面圓順平滑。抽檢成品試件3根進行無損檢測，對成形段和過渡段表面噴丸處理後進行著色和磁粉檢測未發現任何鍛造缺陷。對鍛壓段加工後的試件抽檢3根，其外形尺寸均滿足相關技術要求。
4.2軌頂面硬度、斷面硬度和拉伸效能
60AT1-75鍛壓區軌頂面硬度和軌頭橫斷面硬度測量的位置按TB/T 2344。3—2018《鋼軌 第3部分：異型鋼軌》取樣，軌頂面硬度340~420HBW；軌頭橫斷面硬度高於36HRC；拉伸試樣為φ10mm標準試樣，檢測結果為：成形段及過渡段的Rm≥1330MPa，A≥11%；以上檢測結果滿足標準要求。
4.3晶粒度、脫碳層及顯微組織檢驗
對60AT1-75跟端整體熱處理件的跟端過渡段（G）及母材（M）進行晶粒度檢測，結果見表2。
對60AT1-75鍛壓跟端整體熱處理件進行表面脫碳層檢測M-1成形段脫碳層為0。195mm，G-1過渡段脫碳層深度為0。25mm，如圖4所示。
分別在鍛壓段試件切取金相試樣，並對指定部位進行顯微組織觀察，顯微組織形貌如圖5所示。
顯微組織觀察表明：金相組織為細珠光體+少量鐵素體組織，未發現馬氏體和貝氏體等異常組織。
4.4疲勞試驗
疲勞試驗按TB/T 1354—1979進行。試驗引數：Pmax=390kN，Pmin=78kN，載荷比γ＝0。2，支距1m，200萬次沒有斷裂。60AT1-75鍛壓跟端疲勞試驗現場如圖6所示。
5.結束語
1）鐓粗工藝是有效避免跟端鍛壓缺陷的有效方式。
2）控制鍛造加熱溫度，有效避免過燒、過熱等現象，是跟端鍛壓工藝質量管控的重中之重。
3）透過工藝研究，並完成型式檢驗，結果表明：微觀組織、脫碳層深度，力學效能等指標均滿足行業標準要求。
4）60AT1-75跟端鍛壓工藝和整體熱處理工藝可用於實際生產。
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