李闖，張銀花，周清躍，劉豐收，陳朝陽(yáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

過(guò)共析鋼軌使用性能研究

李闖，張銀花，周清躍，劉豐收，陳朝陽(yáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

對(duì)鋪設(shè)在鄭州鐵路局直線上和半徑600～1 000 m曲線上的在線熱處理過(guò)共析鋼軌的使用情況進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。結(jié)果表明:過(guò)共析鋼軌硬度高，耐磨性能好。使用1年后，鋪設(shè)在直線和半徑1 000 m曲線上的鋼軌表面光潔，基本無(wú)傷損，鋪設(shè)在半徑600 m曲線上的鋼軌出現(xiàn)魚(yú)鱗傷和剝離掉塊。鋼軌閃光焊接頭硬度基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋁熱焊接頭硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，使用后個(gè)別焊接接頭存在低塌現(xiàn)象。過(guò)共析鋼軌耐磨性能明顯優(yōu)于U75V熱處理鋼軌，預(yù)防性打磨可以提高鋼軌在小半徑曲線上的使用壽命。

過(guò)共析鋼軌 焊接接頭 磨耗 傷損

隨著我國(guó)重載鐵路運(yùn)量、軸重和單列最大載重不斷增加，鋼軌側(cè)磨和剝離掉塊等傷損日益嚴(yán)重，成為迫切需要研究的課題［1］。一般情況下，鋼軌的強(qiáng)度越高，鋼軌的耐磨性能和耐剝離性能也越強(qiáng)［2］。目前鐵路上使用的鋼軌主要為珠光體鋼軌，通過(guò)添加合金元素，并利用熱處理工藝，最高硬度可達(dá)370 HB，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 280 MPa，基本已達(dá)到共析珠光體鋼軌強(qiáng)度極限［3－4］。因此，日本研究人員通過(guò)增加珠光體片中滲碳體相的密度來(lái)提高耐磨性能，并研究了過(guò)共析鋼在鋼軌上的應(yīng)用，目前已在美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家使用［5］。2010年，攀鋼在國(guó)內(nèi)首次試制出過(guò)共析鋼軌(以下簡(jiǎn)稱為PG5鋼軌)，2012年對(duì)成分進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后在鄭州局進(jìn)行了試鋪。本文對(duì)PG5鋼軌近1年的使用情況進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)及總結(jié)。

1 PG5鋼軌性能

PG5鋼軌化學(xué)成分見(jiàn)表1。母材基本性能指標(biāo)如下:①鋼軌踏面硬度408 HB;②抗拉強(qiáng)度1 360 MPa，斷后延伸率9.5% ;③組織為珠光體及少量二次滲碳體，不存在馬氏體和貝氏體等有害組織。

表1 PG5鋼軌化學(xué)成分%

表2和表3分別為PG5鋼軌閃光焊接頭和鋁熱焊接頭硬度值。由結(jié)果可知，PG5鋼軌閃光焊接頭性能基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;鋁熱焊接頭硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。這是由于現(xiàn)有鋁熱焊劑與PG5鋼軌硬度不匹配，需研制硬度較高的鋁熱焊劑［6］。

表2 閃光焊接頭硬度

表3 鋁熱焊接頭硬度HB

2 PG5鋼軌使用情況

2.1 試驗(yàn)段基本情況

2013年6 月，鄭州局結(jié)合路局大修，將攀鋼P(yáng)G5鋼軌鋪設(shè)在鄭州局新焦外包線K73—K76區(qū)間(約4 km)貨運(yùn)專線上。該區(qū)段年運(yùn)量1.8億t，列車速度≤80 km/h，試鋪區(qū)段最小曲線半徑為600 m。

鋪設(shè)區(qū)間更換下道的鋼軌為2008年鋪設(shè)的U75V熱處理鋼軌，鋼軌于2012年進(jìn)行了上下股調(diào)邊。對(duì)U75V熱處理鋼軌使用情況進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1。經(jīng)測(cè)量，更換下道的U75V鋼軌上股最大側(cè)磨7.0 mm(調(diào)邊使用1年后)，鋼軌踏面有小的剝離掉塊。

圖1 U75V熱處理鋼軌在試驗(yàn)段使用情況

PG5鋼軌長(zhǎng)度為100 m，在鄭州小李莊焊軌基地采用GAAS80/580型焊機(jī)進(jìn)行閃光焊接，焊軌條長(zhǎng)度為500 m，對(duì)焊頭采用焊后全斷面噴風(fēng)的工藝恢復(fù)其硬度。焊軌條運(yùn)抵鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)后采用鋁熱焊進(jìn)行焊接，焊劑采用德國(guó)施密特焊劑，鋪設(shè)線路為無(wú)縫線路。

試驗(yàn)區(qū)段主要觀測(cè)內(nèi)容為曲線鋼軌磨耗、焊接接頭平順性及其他可能出現(xiàn)的傷損。2013年8月至2014年6月共進(jìn)行4次跟蹤觀測(cè)，主要觀測(cè)區(qū)間里程及基本參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 主要觀測(cè)區(qū)間里程及基本參數(shù)

2.2 鋼軌母材使用情況

圖2為PG5鋼軌在1#，3#位置使用1年后的鋼軌傷損及對(duì)應(yīng)廓形。由圖可見(jiàn)，鋼軌在直線段和半徑1 000 m曲線上使用情況良好，未見(jiàn)嚴(yán)重傷損，僅軌角處出現(xiàn)輕微肥邊，鋼軌整體磨耗較小，垂磨＜1.5 mm，無(wú)側(cè)磨現(xiàn)象。

里程K73+90處為半徑600 m的曲線，位于主要觀測(cè)區(qū)間里程外，但因其下股鋼軌出現(xiàn)了剝離掉塊現(xiàn)象，因此對(duì)其進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)。2013年11月僅在K73 +90處發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度約為3 m的曲線下股鋼軌剝離掉塊，2014年1月觀測(cè)發(fā)現(xiàn)曲線下股剝離掉塊已發(fā)展為3處，分別位于K73+90，K73+100，K73+150，長(zhǎng)度分別為8，5.5，5.5 m。2014年6月觀測(cè)時(shí)K73+90處下股傷損發(fā)展至13 m，且曲線上股出現(xiàn)剝離掉塊(圖3)，鋼軌最大垂磨為2.5 mm，最大側(cè)磨為1.76 mm。

圖2 PG5鋼軌使用1年后鋼軌傷損及對(duì)應(yīng)廓形

圖3 K73+90曲線PG5鋼軌傷損

2.3 鋼軌焊接接頭使用情況

由于PG5鋼軌母材硬度高，與母材相比鋁熱焊接頭硬度相對(duì)較低，因此，鋁熱焊起拱量預(yù)留較大，在使用1年后仍為高接頭，個(gè)別鋁熱焊接頭發(fā)現(xiàn)傷損之后安裝夾板，使用后接頭低塌。閃光焊接頭基本平順，個(gè)別焊接接頭存在低塌現(xiàn)象，平直度具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。2014年6月觀測(cè)發(fā)現(xiàn)K74+900閃光焊接頭處出現(xiàn)剝離掉塊情況(圖4)。

2.4 鋼軌傷損情況分析

PG5鋼軌屬于高強(qiáng)度等級(jí)鋼軌，對(duì)于曲線上股，使用1年后軌頂面以下14～16 mm處的軌頭側(cè)面磨耗小，軌距角部位未磨合(輪緣未貼靠鋼軌)，在此種情況下，輪軌未達(dá)到共形接觸的最佳狀態(tài)。盡管鋼軌強(qiáng)度較高，但輪軌接觸位置、形狀、面積都與直線鋼軌不同，輪軌接觸條件較差，且承受橫向力較大，輪軌接觸壓應(yīng)力超過(guò)鋼軌的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致接觸面表層金屬塑性變形，疲勞裂紋在塑性變形層表面萌生并擴(kuò)展［7］。

表5 主要觀測(cè)區(qū)間焊接接頭平直度

圖4 K74+900閃光焊接頭傷損

圖5為K73+90曲線下股PG5鋼軌傷損發(fā)展情況。由圖可知，裂紋起源于鋼軌踏面中心表層，并與鋼軌頂面成一定角度向軌頭內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)斜裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，轉(zhuǎn)為橫向發(fā)展，形成剝離掉塊［8］(圖5(a))。隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，剝離掉塊有向兩側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)，踏面中心位置傷損減輕(圖5(b))。2014年6月觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨鋼軌踏面磨耗增加，剝離掉塊現(xiàn)象有所減輕(圖5(c))。分析認(rèn)為，鋼軌使用初期車輪主要與鋼軌踏面中心區(qū)域A接觸，隨踏面中心位置磨耗增加，輪軌接觸區(qū)域面積增加，區(qū)域A剝離掉塊現(xiàn)象減輕，區(qū)域B和區(qū)域C開(kāi)始產(chǎn)生剝離掉塊(圖6)。

2.5 鋼軌修理性打磨

2014年6 月，在PG5鋼軌通過(guò)總重為1.8億t時(shí)，鄭州鐵路局工務(wù)機(jī)械段對(duì)鋼軌進(jìn)行了大機(jī)打磨，使用48頭打磨列車，廓形根據(jù)線路情況自行設(shè)計(jì)。從打磨效果上看，上股鋼軌的剝離基本消除，下股鋼軌的剝離有所減輕，但未徹底消除(圖7)。

圖5 K73+90曲線下股PG5鋼軌傷損發(fā)展情況

圖6 輪軌接觸示意

圖7 打磨后K74+900閃光焊接頭傷損

3 PG5鋼軌使用情況討論

PG5鋼軌是國(guó)產(chǎn)鋼軌中強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼軌，從使用1年后的情況來(lái)看，鋼軌磨耗較小，最大垂磨2.5 mm，最大側(cè)磨1.76 mm。鑒于鋼軌側(cè)磨較小，鄭州局并未對(duì)鋼軌進(jìn)行潤(rùn)滑。

新焦外包線屬于重載線路，機(jī)車牽引力較大，所產(chǎn)生的縱向蠕滑力很大，在曲線上還承受著側(cè)向蠕滑力的作用。法向力和蠕滑力的綜合作用結(jié)果，導(dǎo)致曲線上股鋼軌軌距角部位和下股鋼軌踏面部位較早萌生一連串的與列車運(yùn)行方向成一定角度的橫向細(xì)裂紋或斜裂紋，嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為剝離掉塊，傷損發(fā)展規(guī)律與其它高強(qiáng)鋼軌基本相同［9］。

為了提高PG5鋼軌在小半徑曲線的使用壽命，建議使用此種高強(qiáng)度等級(jí)鋼軌時(shí)，在軌距角部位未磨合時(shí)，不要對(duì)鋼軌進(jìn)行潤(rùn)滑;及時(shí)對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，通過(guò)打磨控制鋼軌的接觸疲勞，防止因接觸疲勞而產(chǎn)生剝離掉塊等傷損，同時(shí)可改善輪軌接觸狀況;提高焊接接頭強(qiáng)度，使之與鋼軌母材匹配，減少焊接接頭低塌。

4 結(jié)論及建議

1)PG5鋼軌母材總體使用情況良好，直線和半徑1 000 m曲線鋼軌表面光潔，基本無(wú)傷損。半徑600 m曲線曲中點(diǎn)附近出現(xiàn)了魚(yú)鱗傷和剝離掉塊，打磨后上股鋼軌的剝離基本消除，下股鋼軌的剝離有所減輕。

2)鋼軌閃光焊接頭硬度基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋁熱焊接頭硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。使用后個(gè)別焊接接頭存在低塌現(xiàn)象。

3)PG5鋼軌磨耗較小，通過(guò)總重在1.8億t時(shí)的最大垂磨2.5 mm，最大側(cè)磨1.76 mm，耐磨性能明顯優(yōu)于U75V熱處理鋼軌。

4)建議及時(shí)對(duì)PG5鋼軌進(jìn)行打磨，改善輪軌接觸狀況，控制鋼軌接觸疲勞;根據(jù)鋼軌磨耗情況科學(xué)潤(rùn)滑鋼軌，提高鋼軌在重載線路小半徑曲線上的使用壽命。

［1］周清躍，張銀花，陳朝陽(yáng)，等.重載鐵路鋼軌技術(shù)的研究［J］.中國(guó)鐵路，2011(7):54－57.

［2］董志洪.高技術(shù)鐵路與鋼軌［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］周清躍，張銀花，陳朝陽(yáng)，等.我國(guó)鐵路鋼軌鋼的研究及選用［J］.中國(guó)鐵路，2011(11):47－51.

［4］張銀花，周清躍，陳朝陽(yáng)，等.重載鐵路高強(qiáng)鋼軌的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(4):20－25.

［5］周清躍，張銀花，陳朝陽(yáng)，等.國(guó)內(nèi)外鋼軌鋼研究及進(jìn)展［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(6):120－125.

［6］張銀花，李闖，周清躍，等.我國(guó)重載鐵路用過(guò)共析鋼軌的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34(6):1－6.

［7］李曉宇，習(xí)年生，周清躍.輪軌接觸位置對(duì)鋼軌斜裂紋擴(kuò)展行為影響的仿真［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(2):44－46.

［8］習(xí)年生，劉豐收，周清躍.鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞缺陷的特征與發(fā)展模式［J］.理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2005，41(增刊):95－98.

［9］張銀花，周清躍，陳朝陽(yáng)，等.1300 MPa級(jí)在線熱處理鋼軌使用性能研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(6):23－28.

Research on service performance of hypereutectoid rail

LI Chuang，ZHANG Yinhua，ZHOU Qingyue，LIU Fengshou，CHEN Zhaoyang
(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The tracking observation has been carried out on the service performance of hypereutectoid rails after online heat treatment laying on the straight line and 600～1 000 m radius curves of Zhengzhou Railway Bureau.Study results showed that hypereutectoid rails have high hardness and good property of wear resistance.After one year，the surface of rails laying on the straight line and 1 000 m radius curve is smooth and has little injury and rails laying on 600 m radius curve have scale cracks and shelling.The hardness of rail flash welding joint basically meets standard requirements，but the hardness of thermit welding joint is lower than standard requirements，and some welding joints have low collapses.The wear resistance of hypereutectoid rails is better than that of U75V heat treatment rails and the preventive grinding of rails plays a significant role in improving the service life of rail on a small radius curve.

Hypereutectoid rail;W elding joint;Abrasion;Rail defects

U213.41

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.32

(責(zé)任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0147－04

2015－03－03;

2015－05－12

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G028－D)

李闖(1981—)，男，助理研究員，博士。