摘要：為了實現功能梯度材料技術在道岔翼軌上的使用，在功能材料配方、熱處理引數的選擇、翼軌機械加工工藝等方面都進行了大量試驗和研究，成功實現了功能梯度材料在翼軌上的應用，加強了翼軌的耐磨效能，延長了翼軌的使用壽命。
關鍵詞：功能梯度材料;翼軌;焊接
一、概述
隨著我國高速過載鐵路的快速發展，列車執行速度、承載重量和密度不斷增加，致使線路上使用的合金鋼組合轍叉壽命大幅降低、更換週期大幅縮短，而造成合金鋼組合轍叉壽命降低的主要原因是由於翼軌磨耗嚴重而造成下道，目前所使用的轍叉翼軌大多是用線上淬火鋼軌制成，經現場使用，由於其耐磨效能不高，導致轍叉使用壽命較短，更換頻繁，與轍叉設計要求通過運量2億噸，甚至3億噸的目標相差較大，不僅增加了運營成本，大大增加了線路的養護維修工作量，而且使運輸組織和效率也受到了很大影響。
因此，將功能梯度材料技術應用到翼軌上不僅可有效解決以上問題，延長翼軌使用壽命，從而提高合金鋼組合轍叉整體使用壽命和更換週期、提高運輸效率，而且具有較好的經濟效益和市場前景。
二、選題理由
2.1 功能梯度材料簡介
功能梯度材料是指在一個構件的不同部位需要適應不同的效能要求時，其構件不同部位的材料也與之相適應地有所不同，也就是構件的不同部位因不同的使用要求而具有不同的化學成分、不同的效能特點及不同的組織結構，二者銜接部分則具有連續變化的效能狀態及顯微組織結構，使之成為一個有機結合的整體。
2.2 功能梯度材料在翼軌上的應用
現有合金鋼組合轍叉的結構，由於有害空間的存在，使用中形成翼軌區域性區域對車輪的支承面要比鋼軌正常的支承面小得多，也就是其單位面積上所承受的車輪壓力將遠大於鋼軌，因此，要保證翼軌具有較長的使用壽命，就需要相應地提高該區域翼軌工作面的硬度和強度。因此，本課題的任務就是在翼軌頂面複合一層功能梯度材料耐磨層，以提高其工作層的硬度和強度，增強翼軌的強度和耐磨損效能，從而延長其使用壽命。
如上所述，由於翼軌工作時， 不僅產生與車輪的磨擦， 而且還有車輪傳遞過來的擠壓力和撞擊力。因此，對翼軌這樣一個由鋼軌鋼製成的細長杆件而言，不僅要有較高的抗磨損效能，同時還要具備良好的抗衝擊能力。功能梯度材料耐磨翼軌的研發，目的就是利用堆焊焊接工藝，在翼軌的工作面形成一定厚度，且具有較高硬度(設計硬度予計為HRC 42～45)和良好衝擊性能(Aku>15)的`耐磨層。圖1所示即為在翼軌工作面上，採用梯度材料複合後的工作斷面。
三、研究內容及試製過程
3.1 梯度材料合金系統的設計、試驗
對於耐磨材料而言，提高耐磨性的必要途徑是提高材料的硬度，而材料的硬度又與其化學成分和金相組織有關。因此，梯度材料合金系統的設計，首先是選擇新增能導致材料硬化的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni，而同時必須考慮這些元素加入量對金相組織穩定性的影響，通過試驗確定合金系統設計見表1：
金相組織：基體鋼軌母材仍保持細珠光體組織，複合層中無淬火馬氏體組織。
3.2 電弧焊梯度焊接
由於梯度材料與翼軌工作面複合的工藝採用電弧焊接實現，電弧熱量較高，且加熱面積比較集中，無論成分或溫度的變化，都有可能導致組織以及硬度的變化，因此，在制定工藝的時候，課題組對如何保證整個複合層成分、溫度(包括加熱溫度和冷卻速度)的均勻性做了大量實驗，最終均通過裝置自動控制功能得以實現。
在裝備的設計中，除必須保證工藝實施上的要求外，還應能最大限度地減小翼軌在處理過程中的變形和殘餘應力，以免在隨後的調直和矯正時出現開裂(本論文中以製作工藝為主，焊接裝置不在此贅述)。
3.3 梯度材料的熱處理
目前線路上合金鋼組合轍叉中的翼軌、叉跟軌採用線上熱處理鋼軌制作，其硬度在HRC36左右，與合金鋼心軌硬度HRC38～42有一定差別，且線路上因翼軌磨耗超限下道的合金鋼組合轍叉居多。為此我們採用功能梯度材料對翼軌進行強化，並通過優化整體鋼軌淬火工藝，提高翼軌工作面的硬度和強度使翼軌軌頭硬度達到HRC42～45，這樣不僅可延長翼軌使用壽命，而且可提高轍叉的整體壽命。
課題組在現有鋼軌中頻淬火生產線和先噴風后噴霧的熱處理工藝的基礎上，通過調整優化工藝引數，反覆進行淬火試驗，即調整小車變頻頻率、加熱後的冷卻風壓、水量，使淬火翼軌軌頭硬度達到HRC42～45，並進行取樣檢測，確定了提高鋼軌軌頭淬火硬度的工藝引數，見表2：
課題組利用表中工藝引數處理的鋼軌試件取樣，委託中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所進行了檢測，檢測的軌頭硬化層硬度、深度和金相組織滿足TB/T1779標準要求，且硬度達到了預期指標。
3.4 功能梯度材料處理翼軌的機械加工工藝
確定功能梯度材料翼軌的製作工序和機加工工藝如下：
3.4.1 下料：用捲尺量取鋼軌尺寸4855mm，然後鋸切，鋸切端面垂直度不大於1.0mm。
3.4.2 鑽孔：鋼軌定位後用75魚尾孔鑽模板鑽出趾端魚尾孔，直徑31mm三個通孔。
3.4.3 劃線、頂彎：按照轍岔開向劃出相應軌頭、軌底銑削位置，按轍叉開向頂彎，彎折段要圓順。
3.4.4 銑軌底：按劃線位置銑削軌底。
3.4.5 銑工作邊軌底：按劃線位置銑削工作邊軌底。
3.4.6 銑軌頭：按劃線位置銑削軌頭。
3.4.7 扭軌底坡：在鋼軌扭轉機上扭轉翼軌跟端170mm範圍內1：40軌底坡。
3.4.8 垂直調彎：在調直機上頂出鋼軌垂直彎5mm，並保證軌底各直線段的直線度不大於1.5mm。
3.4.9 質量檢驗按《合金鋼組合轍叉質量檢驗實施細則》的要求檢測。
3.5 功能梯度材料翼軌的探傷檢查
翼軌處理完成後進行磁粉和超聲波探傷檢查，均無異常。
3.6 梯度材料翼軌加工工序及技術要求
梯度材料翼軌加工工序及技術要求見表3。