■ 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(chǎn)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(chǎn)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(jù)我國鋼軌使用的有關規(guī)定，鋼軌表面以下16 mm以內(nèi)應不宜出現(xiàn)組織與性能的薄弱點。針對該問題，鋼軌生產(chǎn)企業(yè)應與研發(fā)機構開展聯(lián)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(yè)的發(fā)展，牽引質量、行車速度、發(fā)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(jīng)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(yōu)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(chǎn)成本和軌底殘余應力得到鋼軌生產(chǎn)企業(yè)的廣泛青睞[2]。

正在編制的中國鐵路總公司企業(yè)標準《鋼軌使用規(guī)則》中明確規(guī)定：對于高速鐵路，在半徑≥2 800 m的曲線區(qū)段（動車組走行線、聯(lián)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)段應選用U71MnH或U75VH在線熱處理鋼軌；對于道岔、調(diào)節(jié)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(lián)冶金技術有限公司（簡稱西門子奧鋼聯(lián)）、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?shù)乃俣茸咝校鋮s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(chǎn)的首條百米鋼軌生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)百米在線熱處理鋼軌能力的生產(chǎn)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(fā)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(lián)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(jīng)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(chǎn)企業(yè)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(yōu)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(chǎn)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(lián)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(nèi)部組織細節(jié)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(nèi)部性能細節(jié)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)明顯。A線的低點出現(xiàn)在踏面下3 mm左右位置，整條線的最高值點出現(xiàn)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(xiàn)在踏面下3～9 mm位置，整條線的最高值點出現(xiàn)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(nèi)部的規(guī)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(wěn)定的珠光體層，其下面就是即將發(fā)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(nèi)部靠與表層的傳熱，進一步發(fā)生珠光體轉變。這時由于內(nèi)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(xiàn)；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(nèi)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(chǎn)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(jù)《鐵路線路維修規(guī)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(nèi)應不宜出現(xiàn)組織與性能的薄弱點。

我國是世界上生產(chǎn)和使用熱處理鋼軌最多的國家，鋼軌生產(chǎn)企業(yè)與研發(fā)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(lián)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