我國在線熱處理鋼軌性能對比研究

■ 梁旭　周清躍　張銀花　李闖

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我國在線熱處理鋼軌性能對比研究

■ 梁旭周清躍張銀花李闖

摘 要：通過對我國4家公司生產的在線熱處理鋼軌成分、組織及硬度進行對比，重點從冷卻速度方面對次表層硬度值低點的成因進行機理分析。結果表明，4家公司生產的熱處理鋼軌均不同程度存在硬度值低點，通常采用整體提高硬化層硬度與深度的方式，使硬度值低點達到標準的最低要求。根據我國鋼軌使用的有關規定，鋼軌表面以下16 mm以內應不宜出現組織與性能的薄弱點。針對該問題，鋼軌生產企業應與研發機構開展聯合研究。

關鍵詞：鋼軌；在線熱處理；性能對比；分析；金相檢驗；硬度檢驗

1　概述

隨著我國鐵路運輸事業的發展，牽引質量、行車速度、發車密度和年通過總質量都有很大的提高。這些因素大大提高了鐵路鋼軌的負荷，加大了鋼軌的傷損，尤其是曲線鋼軌的側磨日益突出，普通碳素鋼軌在繁忙鐵路干線小半經曲線上使用，多則2～3年，少則8～10個月，就因側磨超限而更換下道。如此頻繁更換鋼軌，嚴重影響鐵路運輸效率。因此，迫切需要提高鋼軌強度，以增加鋼軌的耐磨性，延長使用壽命[1]。

與合金鋼軌相比，熱處理鋼軌在制造成本、韌塑性和可焊性等方具有優勢，并在世界各國得到廣泛應用，而利用軋制余熱的在線熱處理技術也以其更低的生產成本和軌底殘余應力得到鋼軌生產企業的廣泛青睞[2]。

正在編制的中國鐵路總公司企業標準《鋼軌使用規則》中明確規定：對于高速鐵路，在半徑≥2 800 m的曲線區段（動車組走行線、聯絡線的曲線半徑≥1 200 m）應選用相應的在線熱處理鋼軌；對于重載鐵路，在半徑≥1 500 m的曲線區段應選用U75VH、U77MnCrH、H78CrVH等強度等級不低于1 180 MPa的在線熱處理鋼軌；對于普通和快速鐵路，在半徑≥1 200 m的曲線區段應選用U75VH在線熱處理鋼軌，在磨耗速率大于0.05 mm/Mt的區段應選用U78CrVH、U77MnCrH、U76CrREH等在線熱處理鋼軌；對于高原鐵路，在半徑≥1 000 m的曲線區段應選用U71MnH或U75VH在線熱處理鋼軌；對于道岔、調節器和膠結絕緣接頭，均應選用在線熱處理鋼軌。

鋼軌在線熱處理技術大致分為“走行式”（Running Through System）和“固定式”（Fixed Position）2種。前者以西門子奧鋼聯冶金技術有限公司（簡稱西門子奧鋼聯）、西馬克技術有限公司（簡稱西馬克）和攀鋼集團有限公司（簡稱攀鋼）等為代表，鋼軌在冷卻機組中按適當的速度走行，冷卻機組通過噴射淬火介質（水或霧或壓縮空氣）達到軌頭熱處理的目的，目前我國和世界一些國家廣泛應用；后者以達涅利冶金設備有限公司（簡稱達涅利）為代表，通過翻鋼機械將鋼軌軌頭整體浸入成分配比的冷卻介質中，以獲得目標冷卻速度。俄羅斯2013年建成投產的首條百米鋼軌生產廠——車里雅賓斯克鋼廠就采用了達涅利技術。這兩種技術路線各有千秋，所生產的在線熱處理鋼軌均能滿足鐵路的需要。

目前我國有4條具備生產百米在線熱處理鋼軌能力的生產線，均采用“走行式”技術路線。一是20世紀90年代開始獨立自主研發噴壓縮空氣冷卻的攀鋼；二是2014年全套引進攀鋼技術的鞍山鋼鐵集團公司（簡稱鞍鋼）；三是2013年全套引進西門子奧鋼聯技術的包頭鋼鐵（集團）有限責任公司（簡稱包鋼）；四是2013年全套引進西馬克技術的邯鄲鋼鐵集團有限責任公司（簡稱邯鋼）。目前，攀鋼的熱處理鋼軌已經在我國鐵路線路上廣泛使用，鞍鋼、包鋼的熱處理鋼軌正在進行使用考核。這4家公司的熱處理鋼軌都已走出國門，遠銷海外。

在線熱處理工藝是鋼軌生產企業的核心技術，保密程度很高。在此不討論各家工藝與設備的優劣，選取在高速、重載和既有線路上應用最為廣泛的鋼種之一U75V，對4家公司生產的在線熱處理鋼軌性能進行橫向比較，從鋼軌使用的角度提出改善性能的建議。

2　實驗方案

2.1抽樣

鋼軌的組織和性能與化學成分緊密聯系，針對4家公司的U75V鋼種在線熱處理鋼軌進行樣品抽選。4家公司樣品的主要元素含量見表1。

2.2軌頭宏觀金相檢驗

采用硝酸酒精侵蝕方法獲得熱處理鋼軌軌頭橫斷面宏觀形貌，以考察在線熱處理鋼軌軌頭內部組織細節上的變化。

2.3軌頭橫斷面硬度檢驗

參考TB/T 2344—2012，采用3 mm的點間距，對橫斷面硬度進行測試，以考察在線熱處理鋼軌軌頭內部性能細節上的變化。軌頭橫斷面硬度測試點位置見圖1。

3　實驗結果

3.1軌頭宏觀金相結果

軌頭宏觀金相是檢查異常組織和組織上細微變化的最直觀手段。4家公司樣品的軌頭宏觀金相結果見圖2。

3.2軌頭橫斷面硬度結果

由于鋼鐵材料硬度與強度有近似正比的關系，鋼軌橫斷面硬度能夠很好地反映出軌頭的整體性能，對4家公司樣品的A、B、C、D、E測試線的洛氏硬度進行了對比，結果見圖3。

表1　主要元素含量　%（wt）

注：軌頭試樣測點位置的第1點距表面3 mm，其余點間距均為3 mm；

D、E線與下顎距離為5 mm；B、C線為A、D和A、E線的角平分線。

圖2　軌頭宏觀金相結果

4　分析與討論

通過對鋼軌的主要元素分析結果得知，4家公司用于生產U75V熱處理鋼軌的鋼坯成分具有一定的相似性。鋼軌中的碳元素：0.76～0.79；硅元素：0.64～0.74；錳元素：0.87～0.99；釩元素：0.045～0.067。釩元素靠近標準范圍的中限，碳、硅、錳元素均偏上限，有利于發揮元素的固溶強化作用，提高鋼的強度[3]，而攀鋼、鞍鋼、邯鋼樣品均在鋼中添加了適當含量的鉻元素，以提高U75V鋼種的淬透性[4]。

4個鋼軌軌頭的宏觀金相結果顯示：軌頭全斷面均為珠光體與少量鐵素體組織，未見馬氏體、貝氏體等異常組織。其中邯鋼樣品軌頭表面以下3～10 mm的位置存在一圈明顯的淺色帶狀組織，對其進行高倍金相觀察，未見異常，晶界處彌散析出的鐵素體稍多，仍可滿足標準要求。這種情況可能是因設備造成局部冷速變化所致。

從鋼軌的橫斷面硬度可見，鞍鋼、邯鋼樣品的硬度值較高，攀鋼樣品次之，包鋼樣品較低，個別點不能滿足標準要求。無論是75 kg/m鋼軌還是60 kg/m鋼軌，在4家公司樣品的表面下部一定深度的位置均存在硬度低點，這種情況在A、B、C線上表現明顯。A線的低點出現在踏面下3 mm左右位置，整條線的最高值點出現在踏面下9 mm左右位置，而后逐漸降低；B線和C線的低點出現在踏面下3～9 mm位置，整條線的最高值點出現在踏面下12～18 mm位置，而后一般逐漸降低；D線和E線基本呈逐漸降低的趨勢。

圖3　洛氏硬度對比結果

4家公司均采用鋼軌“走行式”通過冷卻機組的技術路線，由于鋼軌終軋溫度通常在800 ℃以上，與離線工藝相比，在線熱處理鋼軌自身蓄熱更大。因此，可以推斷鋼軌在通過冷卻機組時，珠光體轉變是分層完成（見圖4），無論是噴壓縮空氣還是噴水，都存在機組前部冷卻軌頭表層、后部冷卻軌頭內部的規律。

當紅熱的鋼軌進入冷卻機組后，由于表層同冷卻介質直接接觸，此時的冷速v1最快；當達到轉變溫度以下時，迅速形成一個穩定的珠光體層，其下面就是即將發生轉變的過冷奧氏體。隨著鋼軌的走行，鋼軌表層進一步冷卻，其內部靠與表層的傳熱，進一步發生珠光體轉變。這時由于內部蓄熱較大，在表層一定的傳熱速度情況下，珠光體-奧氏體轉變界面（簡稱珠奧界面）的實際冷速v2較低，從圖5中U75V鋼種的CCT曲線可知，當成分一定時，鋼軌硬度與冷速存在正比關系[1]，從而導致了表層以下硬度值低點的出現；隨著轉變的進一步進行，鋼軌表面的熱量被不斷帶走，珠奧界面的冷速逐漸增加，但隨著軌頭內部蓄熱逐漸減小，表面的轉變層逐漸增大，傳熱距離的增加又導致珠奧界面的冷速v3逐漸減小。當這兩種效應相疊加時，可以推測在v2與v3間將存在一個vmax，形成了硬度曲線上硬度峰值。

圖4　珠光體轉變分層完成

圖5　U75V鋼種的CCT曲線

5　結論與建議

（1）我國在線熱處理鋼軌的主要元素通常按標準上限控制，適當提高鉻元素含量以提高鋼軌淬透性的做法被普遍應用。

（2）我國在線熱處理鋼軌的組織與性能均可滿足標準要求。存在個別先共析鐵素體在次表層富集的情況，也存在個別硬度值低點未達標的情況。

（3）由于采用“走行式”的技術路線，我國4家公司生產的熱處理鋼軌均不同程度存在硬度值低點，通常采用整體提高硬化層硬度與深度方式，使硬度低點達到標準最低要求。

（4）根據《鐵路線路維修規則》，在我國既有線路上，鋼軌垂磨超過11 mm、側磨超過16 mm，即可判定為重傷。在高速鐵路和提速線路上，相應的指標則更為嚴苛。因此，鋼軌表面以下16 mm以內應不宜出現組織與性能的薄弱點。

我國是世界上生產和使用熱處理鋼軌最多的國家，鋼軌生產企業與研發機構應緊密合作，針對目前熱處理鋼軌組織與性能上存在的問題開展聯合研究，打破技術壁壘，共同推動鋼軌在線熱處理技術的進步。

6　參考文獻

[1] 周清躍，張銀花，楊來順，等. 鋼軌的材質性能及相關工藝[M]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 周清躍，王樹青，張銀花，等. 熱處理鋼軌若干問題的探討[J]. 中國鐵道科學，2005，26(1)：72-77.

[3] 張銀花，詹新偉，周清躍. CrNb軌鋼與PD3、BNbRE軌鋼組織和性能的對比研究[J]. 鐵道學報，2003，25 (4)：35-40.

[4] 張銀花，詹新偉，周清躍. CrNb低合金熱軋軌組織和性能研究[J]. 鐵道學報，2002，24(3)：27-31.

梁 旭：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究實習員，北京，100081

周清躍：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究員，北京，100081

張銀花：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究員，北京，100081

李 闖：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，助理研究員，北京，100081

責任編輯 盧敏

中圖分類號：TG11

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0036-04