低合金鋼軌鋼

什么是低合金鋼軌鋼"para" label-module="para">

鋼軌是鐵路軌道的主要部件，是冶金產(chǎn)品中一個專用鋼材品種，鋼軌承受列車的重量和動載，受力復(fù)雜，軌面磨耗，軌頭受沖擊，還要受較大的彎曲應(yīng)力，主要的損傷形式有：磨損主要是上股側(cè)磨和下股壓潰，屈服強(qiáng)度不足引起的波浪磨耗以及韌塑性低導(dǎo)致的脆斷、剝落、掉塊、軌頭劈裂、焊縫裂紋等。所以對鋼軌鋼的基本要求包括：耐磨性、抗壓潰性、抗脆斷性、抗疲憊和良好的焊接性。

按強(qiáng)度等級劃分鋼軌應(yīng)分為下列幾類：

(1)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，抗拉強(qiáng)度685～835MPa；

(2)耐磨鋼軌，抗拉強(qiáng)度880～1030MPa；

(3)特級鋼軌，抗拉強(qiáng)度1082～1225MPa；

(4)抗拉強(qiáng)度>1400MPa的鋼軌在研制中。

20世紀(jì)初采用的是50kg/m軌，現(xiàn)在國際標(biāo)準(zhǔn)軌為60kg/m，美國重軌為77kg/m，***和東歐各國為75kg/m軌。

鐵路運(yùn)輸和鐵道建設(shè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，“十一五”期間和未來10年，對鋼軌的需求量會越來越大，質(zhì)量要求也會越來越高。

進(jìn)步鋼軌強(qiáng)度和綜合性能的途徑有哪些"para" label-module="para">

(1)熱處理強(qiáng)化。在碳素鋼或C—Mn鋼軌基礎(chǔ)上采用在線余熱淬火，離線的淬火回火處理或欠速淬火工藝。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的在線熱處理方式，也叫做全長淬火工藝，節(jié)能省工、投資少、生產(chǎn)周期短。

(2)在0.7%～0.75%C鋼中添加Cr、Mn、Mo、Nb等合金元素，獲得980～1250MPa抗拉強(qiáng)度。比較兩種強(qiáng)化方法，熱處理軌表面耐磨，但內(nèi)部較差，耐蝕性不能改善。合金化軌里外質(zhì)量一致，可以考慮改善耐蝕性。

目前國內(nèi)執(zhí)行GB 2585—8l標(biāo)準(zhǔn)，主要的鋼種牌號有C—Mn鋼的U71Mn軌和微合金化的PD3軌和NbRE軌。

我國鐵路建設(shè)，在“六五”和“八五”期間，以解決運(yùn)輸能力制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展“瓶頸”題目，主攻“重載”，在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上擴(kuò)大編組。從“九五”起，提速和高速已成為鐵路科技進(jìn)步的主要體現(xiàn)。通過改造既有軌道結(jié)構(gòu)和研制新型機(jī)車車輛，使客車運(yùn)行速度進(jìn)步到200km/h，所謂“高速”，指建成200km/h以上的專線客運(yùn)列車的運(yùn)行速度。對“重載”列車的鋼軌要求耐磨損，抗疲憊。對“高速”列車的鋼軌則要求無缺陷和高平直度。

迄今為止，我國已對鋼軌鋼的生產(chǎn)、材質(zhì)和性能等進(jìn)行了廣泛研究，鋼軌鋼的質(zhì)量明顯提高，但與國外同類產(chǎn)品相比，尚存在著較大差距。為了滿足我國鐵路重載、高速化的發(fā)展需求，跟上國際鋼軌鋼的發(fā)展潮流，提高我國鋼軌鋼產(chǎn)品實物質(zhì)量和市場競爭力，生產(chǎn)出內(nèi)部質(zhì)量高純凈度，斷面尺寸高精度，全長高平直度和良好可焊性的鋼軌鋼，將是我國鋼軌鋼發(fā)展永恒的主題 。2100433B

鋼軌鋼碳含量

對于鋼軌鋼生產(chǎn)，既要保證其具有足夠高的強(qiáng)度，又要致力于提高其韌性。為此，不能靠單獨(dú)提高含碳量，而是應(yīng)該采取合金化的途徑，即發(fā)展中碳多元合金化高強(qiáng)度高韌性鋼軌鋼。鋼軌淬火是提高鋼軌強(qiáng)度、韌性、耐磨性，延長使用壽命的有效途徑。國外熱處理鋼軌的實際碳質(zhì)量分?jǐn)?shù):日本為0.76 %～ 0.81 %，俄羅斯為0.71 %～0.80 %，盧森堡為0.78 % ～ 0.82 %，英鋼聯(lián)為0.76 %～ 0.77 %，奧鋼聯(lián)為0.75 %～ 0.81 %，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大波動范圍為0.09 %，最小為0.01 %。我國鋼軌:U74 的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.67 %～ 0.80 %，U71Mn 為0.65 % ～ 0.77 %，PD3 為0.70 %～ 0.78 %，BNbRE 為0.70 %～ 0.82 %，最大波動范圍0.13 %，最小為0.08 %。由于碳含量波動范圍大，淬火工藝參數(shù)難以控制，不能充分發(fā)揮淬火的技術(shù)優(yōu)勢，鋼軌的內(nèi)在性能未能通過淬火充分發(fā)揮出來，甚至稍有不慎就會出現(xiàn)馬氏體。因此，碳含量波動范圍應(yīng)進(jìn)一步減小。

鋼軌鋼硫、磷含量

提高鋼軌純凈性必然伴隨著鋼軌成本的提高，因此不同線路用鋼軌往往對純凈性的要求不同。眾所周知，鋼中有害元素P 、S 含量可以從一個側(cè)面反映對純凈性的要求，日本JIS 鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，抗拉強(qiáng)度等級為687 MPa 和736 MPa 的鋼軌，要求w [ P] ≤0.045 %，w[ S] ≤0.05 %，而對抗拉強(qiáng)度等級為804 MPa 的鋼軌，要求w [ P] ≤0.03 %，w [ S] ≤0.025 %。EN 鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:對軌頭表面硬度為200HB 的鋼軌，P 、S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.035 %；對軌頭表面硬度為220 ～ 260HB 的鋼軌，P 、S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.025 %；而對合金軌及熱處理軌則要求w [ P] ≤ 0.020 %，w [ S] ≤0.025 %。

提高鋼軌純凈度可以進(jìn)一步提高鋼軌接觸疲勞性能，減小鋼軌使用中核傷的出現(xiàn)概率。目前國外先進(jìn)國家鋼軌硫、磷含量比較低，而我國目前還規(guī)定為w [ S] ≤0.040 %，w [ P] ≤0.035 %，需要進(jìn)一步降低S 、P 含量，向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

鋼軌鋼夾雜物

(1)夾雜物分布的影響

大量的鋼軌失效分析表明，夾雜物在鋼軌中的分布位置是影響鋼軌破損類型的主要因素:

①當(dāng)夾雜物出現(xiàn)在踏面表層或亞表層時，易在鋼軌局部踏面形成深層剝離掉塊類型的疲勞損傷，即“局部剝離” ，深度可達(dá)4 ～ 5 mm ，而局部剝離坑易產(chǎn)生橫向裂紋，從而形成“起源于軌頭表面的橫向疲勞裂紋型核傷” 。

②當(dāng)夾雜物位于踏面下5 ～ 12 mm 時，易形成“縱橫裂型核傷” 。

③當(dāng)夾雜物(主要是低倍夾雜和白點)位于踏面下較深位置時，易形成“起源于軌頭內(nèi)部的橫向疲勞裂紋型核傷” 。

④當(dāng)夾雜物沿軌頭縱向分布時，易形成軌頭縱裂。

⑤當(dāng)夾雜物出現(xiàn)在軌腰時，易形成軌腰縱裂。

⑥當(dāng)夾雜物出現(xiàn)在軌底時，易形成軌底縱裂或橫向折斷。

(2)夾雜物種淚的影響

鋼軌中不同種類的夾雜物對鋼軌破損程度的影響不同:

①氧化鋁

在各類夾雜物中，鏈狀氧化鋁無疑最為有害。大量檢驗分析結(jié)果表明，鏈狀氧化鋁夾雜是形成條狀疲勞裂紋源進(jìn)而導(dǎo)致核傷的主要原因，因而國外鋼軌標(biāo)準(zhǔn)對氧化鋁夾雜物數(shù)量有嚴(yán)格要求。

②硅酸鹽

硅酸鹽的危害性也較大，除誘發(fā)核傷外，還是造成鋼軌局部深層剝離的主要原因，國外鋼軌標(biāo)準(zhǔn)對硅酸鹽數(shù)量也有限制。

③硫化物

相比之下，鋼軌疲勞損傷對硫化物的敏感程度不及上述兩類氧化物。因此，就提高鋼軌疲勞性能而言，改善氧化物夾雜的純凈度比改善硫化物的純凈度更為有效。

④低倍夾雜和白點等低倍缺陷

鋼軌中的低倍夾雜、白點等低倍缺陷，是形成內(nèi)部橫向疲勞裂紋的主要原因，嚴(yán)重危及行車安全，須嚴(yán)格加以限制。

(3)夾雜物尺寸或數(shù)量的影響

關(guān)于夾雜物導(dǎo)致內(nèi)疲勞缺陷的臨界尺寸，目前還無定論，但普遍認(rèn)為，隨著軸重提高或速度提高(即動載荷增大)，引起鋼軌疲勞損傷的夾雜物臨界尺寸將減小。

結(jié)合現(xiàn)代鋼軌生產(chǎn)技術(shù)和高速鐵路發(fā)展制訂的EN 鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中，對氧化物夾雜提出了嚴(yán)格要求，規(guī)定鋼中氧化鋁夾雜物里小于10 μm 的為95 %以上，而大于10 μm 小于20 μm 的不得超過5 %。

鋼軌的外形尺寸

由于速度的提高對鋼軌表面的平順性要求更加嚴(yán)格。在實際鋼軌交貨中，端頭不平順還要大些，特別是目前鋼軌端頭，矯直存在暗面，使鋼軌的焊接平順性達(dá)不到要求。目前規(guī)定快速線路鋼軌焊接表面平順性0.3 mm/m(向上)，實際上很難做到。輪軌動力測試結(jié)果表明，在接頭處均出現(xiàn)應(yīng)力峰值。因此，提高鋼軌表面平順性是提速線路的迫切需要 。

目前，鋼軌鋼的主要質(zhì)量問題有二:一是在外觀質(zhì)量方面，鋼軌幾何尺寸公差大，軋痕、劃傷、裂痕等表面缺陷多；二是內(nèi)在質(zhì)量方面，存在夾雜、偏析等冶金缺陷。這些缺陷成為鋼軌鋼損傷的主要誘因。

鋼軌強(qiáng)度及軋制質(zhì)量

(1)磨耗與塑性變形問題突出

鐵路曲線段上鋼軌側(cè)磨問題突出。在石太線曲率半徑R =300 ～ 400 m 的曲線段上，最短的7～ 8 個月就磨耗到限；在津浦線R =500 ～ 600 m的曲線上，一年半左右鋼軌就要調(diào)邊使用，這遠(yuǎn)低于線路的大修周期。在直線段上，由于輪軌接觸應(yīng)力達(dá)到或接近鋼軌的屈服極限強(qiáng)度，有的新軌上道3 ～ 6 個月左右軌頭就過早地出現(xiàn)飛邊。

(2)剝離掉塊

由于輪軌接觸疲勞作用，產(chǎn)生疲勞層，從而引起剝離掉塊。主要出現(xiàn)在淬火軌上。隨著鐵路運(yùn)量和軸重的增加，鋼軌剝離傷快問題也日益突出。

產(chǎn)生鋼軌剝離掉塊主要是由于鋼軌材質(zhì)不純、淬火工藝不當(dāng)、軌底坡設(shè)置及涂油工藝不當(dāng)?shù)纫蛩匾鸬?。廣州、北京等鐵路局采取加楔形膠墊調(diào)整軌底坡、間斷涂油讓較輕剝離部位磨掉等措施來防止剝離掉塊的發(fā)生，取得了較好效果。

(3)波浪磨耗

波浪磨耗是指鋼軌踏面在全長出現(xiàn)周期性高低不平的波狀磨耗，而軌頭下顎和整個斷面仍保持平直。波浪磨耗在石太線、豐沙線、大秦線等運(yùn)煤專線上問題比較突出，在廣深準(zhǔn)高速線路上，也開始出現(xiàn)，并且表現(xiàn)較為嚴(yán)重。

影響波浪磨耗(簡稱波磨)的因素較多，第一類因素影響波磨的形成，即決定輪對粘滑振動是否出現(xiàn)；第二類影響波磨的發(fā)展，即加劇或減緩粘滑的振動強(qiáng)度、加強(qiáng)或減弱不均勻磨損的累加效應(yīng)。一般來講，許多在波磨形成過程中起作用的因素，對波磨的發(fā)展也有決定性影響。有些因素雖影響波磨發(fā)展速率，但并不決定波磨是否形成，控制這些因素也可有效減緩波磨。

預(yù)防波磨的關(guān)鍵，一是消除曲線地段輪對的粘滑振動；二是消除由粘滑振動引起的鋼軌不均勻磨損的累加效應(yīng)。

為了減緩波磨，常采用如下措施:

①減小軌道不平順。減小軌道不平順對減緩波磨及其他輪軌病害均十分有利。減小軌道不平順可減少粘滑振動的發(fā)生的概率及鋼軌不均勻磨損的累加效應(yīng)，從而有效地控制波磨發(fā)展速率。減小軌道不平順主要是指減少諸如鋼軌接頭、軌面剝離、擦傷及鋼軌死彎等脈沖不平順。脈沖不平順導(dǎo)致輪軌沖擊，引發(fā)輪對粘滑振動，是對波磨形成和發(fā)展影響最大的軌道不平順。計算表明，在完全平順的軌道上，貨車在半徑600 m 以上的曲線地段幾乎不會發(fā)生輪對粘滑振動，但因接頭不平順的作用，在半徑2 000 m 的曲線上也可能發(fā)生輪對粘滑振動。多數(shù)波磨從接頭附近始發(fā)的現(xiàn)象說明了這一點。

②加大軌道彈性、提高軌道阻尼。軌道增彈減振對減少輪軌其他病害也是有利的。增加軌道彈性可有效地減小輪對粘滑振動發(fā)生的概率；而提高軌道阻尼則可明顯降低波磨的發(fā)展速率。

③適當(dāng)降低曲線地段外軌超高。過超高加大輪對粘滑振動，而欠超高抑制甚至消除輪對粘滑振動。車速較低且軸重較大的貨車對波磨形成和發(fā)展的影響最大。因此，在主要運(yùn)行貨車的線路上，外軌且主要出現(xiàn)磨損型波磨的曲線地段鋪設(shè)淬火軌，可采用盡量降低外軌超高的辦法減緩波磨。

④鋼軌倒換。輪對在曲線上可能發(fā)生粘滑振動從而形成波磨，但在直線上，發(fā)生粘滑振動的概率卻很小，說明直線地段波磨形成和發(fā)展的條件不充分。如將曲線地段的波磨軌倒換至直線上，因粘滑振動消失，磨耗功顯著降低，波磨的發(fā)展將得到明顯抑制。

⑤鋼軌打磨。鋼軌打磨是減緩波磨最有效的措施之一。波磨一旦出現(xiàn)，又反過來激化和加劇輪對粘滑振動，促進(jìn)波磨進(jìn)一步發(fā)展，波深越大則波磨發(fā)展越快，構(gòu)成惡性循環(huán)。鋼軌打磨中斷了這種惡性循環(huán)的發(fā)展過程，減緩了波磨發(fā)展速率。

⑥提高鋼軌材質(zhì)強(qiáng)度及耐磨性能。提高鋼軌耐磨性能，是最主要的減緩措施之一。輪對粘滑振動是波磨的成因，但波磨的形成和發(fā)展卻表現(xiàn)為鋼軌不均勻磨損或不均勻塑性變形的逐步累積。能夠減緩軌頭磨損和塑性變形的措施就能減緩波磨，鋼軌耐磨性能的提高，無疑會延緩波磨的形成與發(fā)展過程。

⑦增大輪對軸的剛度。輪對軸的剛度偏小是易于激發(fā)輪對粘滑振動的因素之一，如采用空心車軸，并增加軸徑，使軸剛度提高1 倍，可有效地抑制鋼軌波磨。

⑧增大一系懸掛阻尼。設(shè)置一系懸掛的機(jī)車和客車，一系無阻尼或阻尼偏小是激發(fā)輪對粘滑振動的主要因素。因此，增設(shè)或加大一系阻尼是有效減緩波磨的措施之一。也是迅速衰減輪軌沖擊振動，減緩輪軌系統(tǒng)中其他病害的重要技術(shù)措施。

⑨控制涂油潤滑。以減緩曲線外軌側(cè)磨為目的的輪緣或軌側(cè)涂油潤滑，對減緩波磨是不利的。同時，過量涂油對減緩鋼軌剝離也不利。因此，涂油潤滑絕不是越勤越好。但目前對合理的涂油工工藝還缺乏深入系統(tǒng)的研究。

(4)核傷

起源于軌頭走行面下一定深度范圍處的內(nèi)部疲勞裂紋，在鋼軌的傷損中占有一定的比例。鋼軌疲勞傷損以軌頭核傷為多，它隨著通過總重的增加而增多。疲勞裂紋源常由夾雜物開始，微裂紋逐漸發(fā)展為核傷且表面?zhèn)麚p貫通，氧化形成黑核。

因此，延長鋼軌使用壽命，減少核傷的關(guān)鍵在于提高鋼質(zhì)純凈度。核傷軌的特點是:高坡及曲線地段核傷較多，曲線磨損量較少及曲線鋼軌下股發(fā)生核傷較多。

橫向疲勞斷裂和脆性斷裂

雖然占的比例非常小，但客觀上存在危害極大，產(chǎn)生的原因:由鋼軌的低倍缺陷或表面缺陷引起的橫向疲勞裂紋；由馬氏體引起的鋼軌橫向疲勞斷裂；由鋼軌軌顎的輾堆造成的鋼軌橫向疲勞斷裂；由軌底存在的外傷引起鋼軌橫向疲勞斷裂。

螺栓孔裂紋

螺栓孔裂紋占重傷鋼軌的40 %以上，屬疲勞傷損。由于鋼軌螺栓孔部位存在冶金缺陷，其周邊易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生，疲勞擴(kuò)展，造成鋼軌斷裂。應(yīng)加強(qiáng)螺栓孔倒棱，引進(jìn)螺栓孔冷擴(kuò)張技術(shù)等來防止螺栓孔裂紋的產(chǎn)生。

軌頭踏面線紋，縱向裂紋及劈裂

所謂線紋是指在鋼軌表面存在微細(xì)裂紋，屬表面缺陷。這種裂紋在熱軋后的鋼軌上由于氧化鐵皮的覆蓋，在新軌上道初期有時難以發(fā)現(xiàn)；待使用一段時間后，經(jīng)列車車輪輾壓，表面氧化皮被磨掉而使線紋、裂紋暴露出來。線紋、裂紋的特征是呈現(xiàn)深淺不等、數(shù)量為一至多根成簇分布并沿軋制方向縱向排列。線紋的長度有0.5 ～ 18 m ，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)最深為7 mm ，一般在0.2 ～ 2 mm ，而且在軌頭發(fā)現(xiàn)，軌底數(shù)量少。

產(chǎn)生原因主要是鋼錠的皮下氣泡、超深的表面氣孔、淺的凹坑、鋼坯表面清理過深及軌溫不均或在軋制過程中出現(xiàn)的耳子等。若線紋、裂紋深度較淺，鋼軌磨耗速度大于裂紋擴(kuò)張速度時則軌頭表面的線紋有可能被磨掉；若線紋、裂紋較深，有可能逐漸擴(kuò)張為裂紋、剝離直至斷軌 。