豪克能技术对铁路钢轨的强化研究_李建伟.pdf

第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.1February 2 0 2 3豪克能技术对铁路钢轨的强化研究李建伟1，孙静涵1，杨庚2（1.中国神华能源股份有限公司 轨道机械化维护分公司，天津 300467；2.山东华云机电科技有限公司，济南 250101）摘要：研究了一种非加热、非增材的豪克能钢轨表面强化新技术，以U78CrV、U75V两种材质的钢轨为研究对象，应用正交试验法，以硬化层深度和表层硬度提升率为判断依据，通过极差分析得出每种钢轨的最优豪克能强化工艺。结果显示：最优工艺强化后钢轨硬化层深度不小于2.6 mm，表层硬度提升率不低于18.74%；钢轨耐磨性能提升50%以上；钢轨表层残余拉应力彻底转变为高值压应力，压应力层深度不小于3 mm；钢轨表面粗糙度由3.240 m降低至1.603 m，表面状态优化效果明显。关键词：钢轨；豪克能；硬度；摩擦磨损；残余应力；粗糙度中图分类号：TG142；U213.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.007随着国家铁路年运量逐年递增以及运行速度、轴重逐渐增加，钢轨伤损、磨耗、锈蚀问题日趋严重1，服役期逐渐缩短。我国每年对铁路钢轨的养护和维修成本高达80多亿元2。在一些小半径曲线线路上，钢轨磨耗已成为曲线钢轨更换的主要原因，统计表明，我国小半径曲线钢轨98%因侧磨超限而报废。有统计显示朔黄铁路直线轨的寿命约为15亿t，小半径曲线轨的寿命为2.5亿3.0亿t，道岔、尖轨等部位的钢轨寿命更短。频繁的钢轨打磨与更换增加了维护成本，也为行车安全带来了严重的威胁。因此研究钢轨强化和减磨新技术、延长钢轨使用寿命是十分必要的，而且具有较高的经济价值和社会效益。豪克能技术是利用激活能和冲击能的复合能量对金属零件进行加工，从而获得镜面和表层改性的工艺3-5。本文采用非加热、非增材的豪克能金属表面强化技术对钢轨进行强化，通过研究豪克能技术对钢轨硬度、耐磨性等机械性能的影响，探究豪克能技术对钢轨材料的强化效果，以期为豪克能技术在铁路钢轨领域的推广应用提供研究基础。1 试验材料 采 用 广 泛 铺 设 于 铁 路 线 的 U78CrV 热 处 理、U78CrV 热轧、U75V热处理、U75V热轧 4种珠光体钢轨为研究对象。试验用钢轨材料取自铁路现场使用的钢轨，U78CrV、U75V钢轨化学成分如表1所示。2 试验方法 研究表明，耐磨性随钢轨基体初始硬度的增加而增加6-7。因此，通过应用豪克能技术提升钢轨踏面表层硬度和硬化层深度，进而提升钢轨的耐磨性。首先，利用有限元分析技术，根据钢轨强化处理实际工况，建立简化模型，设定材料参数后进行仿真模拟，分析预压力、冲击振幅、移动速度等因素对钢轨表层塑性变形层的影响，以最大表层硬度及塑性变形层深度为判断依据，得到各因素的最优变化范围。其中预压力不大于 0.8 MPa，冲击振幅不高于28 m，移动速度范围在24 m/min。设定各因素的具体水平值，设计正交试验，使用钢轨专用豪克能强化加工设备（见图 1）对钢轨进行强表1钢轨化学成分（质量分数）单位：%钢轨材质U78CrVU75VC0.720.820.710.80Si0.500.800.500.80Mn0.701.050.751.05S0.0250.025P0.0250.030Cr0.300.50V0.040.120.040.12Al0.0100.010文章编号：2097-0846（2023）01003306收稿日期：20221028；修回日期：20221107基金项目：国能铁路装备有限责任公司科技研究开发项目（SWKY-19-05）第一作者：李建伟（1975），男，工程师。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷化。对强化后的钢轨取样并检测硬度，通过分析表层硬度提升率和硬化层深度，得出钢轨豪克能强化最优工艺。以最优工艺加工钢轨并制备试样，分别检测硬度、耐磨性能、残余应力、粗糙度等性能，验证豪克能技术的强化效果。3 正交试验及硬度检测 3.1正交试验根据有限元模拟分析结果，选用钢轨强化工艺8因素水平如表2所示，钢轨强化正交试验如表3所示。为了减小因表面脱碳引起硬度降低等因素对钢轨表面性能造成的影响，首先应铣削去除钢轨表面约0.5 mm厚的脱碳层9，然后依据表3强化工艺依次对4种钢轨轨头铣削面进行豪克能强化处理。使用线切割设备将强化处理区域切割下来，并经超声波清洗机清洗完毕后，使用镶嵌机进行试样镶嵌，镶嵌时将切割的横截面留在外侧，试样镶嵌效果如图 2所示。然后，由低到高使用不同目数的砂纸对镶嵌试样进行打磨，打磨完毕后使用抛光机进行抛光。3.2硬度检测对完成抛光的试样进行硬度检测，同一深度测量5个位置，去除最大值、最小值，取剩余3个值的平均值作为该深度的硬度值，相邻深度的测点中心间距大于0.2 mm，每一列测量20点，层深硬度检测位置示意见图3。对钢轨强化表面进行硬度检测，每种钢轨检测5 个点，去除最大值、最小值，剩余3个值的平均值作为该强化工艺钢轨的表层硬度。对未强化试样的表层硬度、层深硬度进行检测并作为对比数据，分别求得不同强化工艺下各钢轨的硬化层深度、表层硬度提升率，各材质钢轨表层硬化层深度、硬度提升率如表4所示。对每种钢轨的硬化层深度、表层硬度提升率进行极图1钢轨专用豪克能强化加工设备表3钢轨强化正交试验方案工艺编号1#2#3#4#5#6#7#8#9#A冲击振幅/m161616222222282828B预压力/MPa0.40.60.80.40.60.80.40.60.8C移动速度/(mmin-1)234342423图2试样镶嵌效果表2钢轨强化工艺因素水平设置水平123因素A冲击振幅/m162228B预压力/MPa0.40.60.8C移动速度/(mmin-1)234图3层深硬度检测位置示意图表4各材质钢轨硬化层深度、表层硬度提升率检测项目硬化层深度/mm表层硬度提升率/%钢轨材质U78CrV热处理U78CrV热轧U75V热处理U75V热轧U78CrV热处理U78CrV热轧U75V热处理U75V热轧工艺编号1#2.62.42.62.216.1716.7216.7614.942#1.82.02.41.817.7418.5216.5312.693#2.42.42.62.420.4721.7719.8218.144#2.62.62.62.617.6219.3817.0615.005#2.22.02.22.216.2416.4817.2612.376#2.62.42.62.219.4820.3918.5215.577#2.83.02.83.026.7621.4821.9618.748#3.03.02.62.622.0124.9020.3520.179#2.22.22.42.424.7422.7121.1317.9734第 1 期李建伟等：豪克能技术对铁路钢轨的强化研究差分析，得到各材质钢轨的最优豪克能强化工艺组合，各材质钢轨最优强化工艺如表5所示。以最优工艺对各钢轨进行豪克能强化，检测强化后表层硬度、层深硬度，豪克能强化与未强化钢轨断面硬度变化趋势如图4所示。计算最优工艺强化后硬化层深度、表层硬度提升率如表6所示。从表6中数据可以看出，经最优豪克能工艺强化后，各材质钢轨硬化层深度不小于2.6 mm，表层硬度提升率不低于18.74%，豪克能强化效果明显。4 强化性能分析 4.1摩擦磨损试验轮轨材料磨耗量是直观反映钢轨和车轮材料耐磨性能的重要指标10-11。利用GPM-30A滚动接触疲劳试验机进行干摩擦条件下的摩擦磨损试验。摩擦副由钢轨试样、车轮试样组成，钢轨试样取自于钢轨轨头踏面5 mm以下位置，试样为直径50 mm的圆饼状粗胚，圆周加工出宽10 mm的阶梯；车轮试样取自于CL60标准车轮的踏面5 mm以下位置，试样为直径70 mm的圆饼状粗胚，钢轨、车轮试样示意12见图5。按照Hertz接触准则13计算试验时对磨试样接触位置的最大法向接触应力，使试验时的模拟试验更好地接近于实际的轮轨接触条件。车轮试样为主试样，转速702 r/min；钢轨试样为陪试样，转速500 r/min。转动滑差率0.4%，试验加载力为4 048 N，每1万转进行一次清洗、称重14，8万转时停止对磨试验。经最优工艺豪克能强化的试样与未经豪克能强化的试样的磨损量进行对比，各材质钢轨累计磨损量变化趋势如图6所示。从图6中数据可知，与未强化的钢轨试样相比，经豪克能强化的试样表现出更优异的耐磨性能。从磨损量上分析，8万转时，经豪克能强化的钢轨磨损量是未图4各材质钢轨断面硬度变化趋势表5各材质钢轨最优强化工艺钢轨材质U78CrV热处理U78CrV热轧U75V热处理U75V热轧工艺组合A3B1C1A3B1C1A3B3C3A3B1C3A冲击振幅/m28282828B预压力/MPa0.40.40.80.4C移动速度/(mmin-1)2244表6最优工艺强化后硬化层深度和表层硬度提升率钢轨材质U78CrV热处理U78CrV热轧U75V热处理U75V热轧硬化层深度/mm2.63.02.83.0表层硬度提升率/%25.9227.0419.9518.74图5钢轨、车轮试样示意图1235高速铁路新材料第 2 卷强化的试样磨损量的50%甚至更低，可以认为经豪克能强化后钢轨试样的耐磨损性能得到明显提升。另外，在前5万转区间内，豪克能强化试样磨损曲线斜率明显低于未强化试样斜率，说明在该区间内，豪克能强化试样表现出更优异的耐磨损性能。5万转以后，豪克能强化钢轨试样磨损曲线斜率与未强化钢轨趋于一致。4.2残余应力检测残余拉应力的存在会导致工件微裂纹的萌生，加速裂纹扩展，最终导致开裂失效；而合理的残余压应力分布可提高工件疲劳强度及抗应力腐蚀能力，延长工件的使用寿命15-16。因此，工件表面的残余应力状态对金属表面质量、使用寿命具有重要影响。以豪克能最优工艺强化一段热处理钢轨，在强化区域表面进行20 mm20 mm的网格划分，网格交点为残余应力测点位置，共计9个测点，残余应力测点网格划分如图7所示。使用HK21A残余应力检测仪，应用盲孔法分别对9个测点进行应力检测。对未经豪克能强化的钢轨，去除脱碳层后，同样按照图7测点分布进行残余应力检测。钢轨强化与未强化表层残余应力对比如图8所示。未经豪克能强化的钢轨表面存在残余拉应力，这是由于加工制造及使用过程中产生的。豪克能强化加工后，表层残余拉应力彻底消除，并产生了高值残余压应力。压应力的存在可抑制钢轨表面剥离裂纹的产生和扩展，减小钢轨剥离掉块风险，延长钢轨与车轮间的接触疲劳寿命。将钢轨分别磨削去除1、2、3 mm的深度后，继续按照上述检测方法检测残余应力。取9个测点残余应力的平均值作为本磨削深度的残余应力值，钢轨强化与图7残余应力测点网格划分图6各材质钢轨累计磨损量变化趋势图8豪克能强化与未强化钢轨表层残余应力对比云图36第 1 期李建伟等：豪克能技术对铁路钢轨的强化研究未强化深度方向残余应力分布对比如图9所示。从图9可以看出，经豪克能强化后，钢轨深度方向的残余应力状态也得到有效调控，由拉应力转变为压应力，随着深度的增加，由高值压应力逐步转变为低值压应力，且逐渐趋近未强化应力值，压应力层深度不小于3 mm。钢轨表层至一定深度内的压应力，可有效提高钢轨疲劳性能。4.3表面粗糙度检测采用Mitutoyo粗糙度仪分别测量豪克能强化前、后钢轨表面粗糙度，在同一区域均匀检测5点，取平均值作为该区域的粗糙度。豪克能强化前、后的粗糙度如表7所示。豪克能强化处理前，钢轨表面粗糙度均值为3.240 m；经过豪克能强化处理后，钢轨试样表面粗糙度显著降低，粗糙度均值为1.603 m。表面粗糙度对材料的机械性能影响很大，表面越粗糙，磨损就越快，同时，粗糙度越大，应力集中越大，会降低疲劳强度。豪克能强化后，钢轨粗糙度得到有效降低，可有效降低钢轨摩擦系数，减少钢轨在使用过程中的应力集中，提高疲劳强度，延长疲劳寿命。5 结论（1）针对U78CrV热处理、U78CrV热轧、U75V热处理、U75V热轧4种钢轨，应用正交试验和极差分析，以硬化层深度和表层硬度提升率为判断依据，得出每种钢轨的最优豪克能强化工艺。经最优工艺强化的各材质钢轨，其硬化层深度不小于2.6 mm，表层硬度提升率不低于18.74%，豪克能强化效果明显。（2）经最优豪克能工艺强化后，各钢轨的耐磨性能均有明显提升。从磨损量的角度分析，经豪克能强化后的钢轨耐磨性能提升50%以上。在5万转区间内，豪克能强化试样表现出更优异的耐磨损性能。（3）经最优豪克能工艺强化后，钢轨表层残余应力由拉应力彻底转变为高值压应力。沿深度方向，由高值压应力逐渐转变为低值压应力，直至与未强化应力值一致，压应力层深度不小于3 mm。（4）经最优豪克能工艺强化后，钢轨表面粗糙度由 3.240 m 降低至 1.603 m，表面状态优化效果明显。参考文献：1 杨光，刘丰收，李闯，等.高速铁路钢轨服役寿命影响因素研究 J.高速铁路新材料，2022，1（4）：15-19.2 田葆栓.在变化的世界中推进重载铁路技术和运营：第11届国际重载运输大会综述 J.国外铁道车辆，2019，56（2）：1-5.3 董晓，金腾，李纪磊，等.C80货车车轮强化减磨技术综合研究 J.粘结，2021，48（10）：185-188.4 高军，赵显华，王爱福，等.机车车轮豪克能强化研究 J.中国铁路，2018（5）：58-63.5 赵显华，刘瑞秀.豪克能PT技术在航空抗疲劳制造中的作用J.航空制造技术，2012（22）：105-108.6 张福勤，李怀明.钢轨的疲劳寿命，磨损抗力与组织和硬度的关系 J.钢铁，1991，26（7）：43-47.7 孙家枢.金属的磨损 M.北京：冶金工业出版社，1992.8 王权，付学义，韩风英.U74钢轨强化处理工艺的开发 J.金属热处理，2005，30（12）：46-49.9 朱建华.高铁钢轨预打磨工艺的探讨 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technology of non heating and non additive was studied.With the rails made of U78CrV and U75V as the research objects,the optimal hawking strengthening technology for each rail was obtained through range difference analysis by using orthogonal test method and taking the hardened layer depth and surface hardness increase rate as the judgment basis.The rail was strengthened with the optimal process,and samples were prepared and tested.The results showed that the depth of hardened layer after the optimal process strengthening was no less than 2.6 mm,and the hardness increase rate of the surface layer was no less than 18.74%.The wear resistance of rail was improved by more than 50%.The residual tensile stress on the rail surface was completely transformed into a high value compressive stress,and the depth of the compressive stress layer was no less than 3 mm.At the same time,the rail surface roughness decreased from 3.240 m to 1.603 m.The effect of surface state optimization was obvious.Keywords：rail;hawking;hardness;friction and wear;residual stress;roughness(责任编辑 陈凌云)广告索引中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 封2 高速铁路新材料 征稿启事 封338