周清躍，張銀花，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）

高速鐵路道岔鋼軌材質(zhì)及強(qiáng)度等級(jí)選用研究

周清躍，張銀花，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）

針對(duì)高速鐵路道岔關(guān)鍵部件使用中存在磨耗快、出現(xiàn)剝離掉塊等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)鋼軌材質(zhì)性能對(duì)比及配套技術(shù)研究，再綜合考慮道岔使用情況，尤其參考新鐵德奧350HT在線熱處理鋼軌道岔使用情況的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)道岔使用壽命，簡(jiǎn)化道岔生產(chǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)更換，提出高速鐵路道岔用軌選用建議：全部采用在線熱處理鋼軌（U71MnHG或U75VHG）制造高速鐵路用道岔，包括道岔基本軌、尖軌、心軌、翼軌和導(dǎo)軌。同時(shí)建議尖軌、心軌的跟端鍛造熱處理要采用電感應(yīng)加熱、軌頭噴風(fēng)冷卻的鍛后熱處理工藝，岔區(qū)鋁熱焊劑的選用要與在線熱處理鋼軌硬度相配套。

高速鐵路；道岔；鋼軌材質(zhì)；強(qiáng)度等級(jí)；在線熱處理

0 引言

高速鐵路道岔是影響行車安全和平穩(wěn)性的關(guān)鍵軌道設(shè)備。從2005年開始，國(guó)內(nèi)相繼開展了時(shí)速350 km 60 kg/m鋼軌18號(hào)、42號(hào)、62號(hào)道岔的研究，并進(jìn)行上道試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高速鐵路道岔稱為“客專系列”高速鐵路道岔。2006年4月，原鐵道部對(duì)新建11條客運(yùn)專線的正線道岔進(jìn)行國(guó)際公開招標(biāo)，通過(guò)合資建廠和技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式形成了CN系列和CZ系列的高速鐵路道岔。至此，國(guó)內(nèi)有3個(gè)系列的高速鐵路道岔產(chǎn)品，分別為客專系列、CN系列和CZ系列，其中CZ系列主要用于合寧、合武、鄭西客運(yùn)專線[1-2]。

在道岔用鋼軌材質(zhì)方面，客專系列的時(shí)速300 km及以上道岔采用U71Mn G鋼軌制造，均未進(jìn)行全長(zhǎng)熱處理；時(shí)速200 km及以上道岔采用U75V G鋼軌制造，要求對(duì)U75V G鋼軌進(jìn)行熱處理，目前大部分采用離線熱處理。而由新鐵德奧生產(chǎn)的CN系列道岔全部（包括翼軌、尖軌或心軌、岔跟軌等部件）采用在線熱處理鋼軌350HT制造（采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13674.2）[3]。

針對(duì)高速鐵路道岔使用中存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)鋼軌材質(zhì)性能對(duì)比及配套技術(shù)研究，提出高速鐵路道岔用軌材質(zhì)和強(qiáng)度等級(jí)的選用建議。

1 高速鐵路道岔使用中存在的問(wèn)題

1.1 U71Mn G熱軋鋼軌道岔

如前所述，我國(guó)國(guó)產(chǎn)化后的時(shí)速300 km及以上客專道岔均采用U71Mn G熱軋鋼軌制造，鋼軌強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa。多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，采用U71Mn G熱軋鋼軌制造的高速鐵路道岔，總體使用情況良好，但有的曲尖軌磨耗嚴(yán)重，如滬寧城際鐵路，曲尖軌側(cè)磨平均速率1.0 mm/年，最嚴(yán)重的側(cè)磨速率達(dá)到0.3 mm/月，開通運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，有的就磨耗超限達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)；導(dǎo)曲上股鋼軌?mèng)~鱗紋傷損多發(fā)，如京滬高鐵泰安站道岔導(dǎo)曲上股大多出現(xiàn)魚鱗紋，部分甚至發(fā)展為剝離掉塊（見圖1）。更換在線熱處理鋼軌（U71MnH）后，尖軌壽命有所延長(zhǎng)。采用在線熱處理鋼軌350HT制造的新鐵德奧道岔的尖軌、心軌，其磨耗和魚鱗紋則相對(duì)較輕微。

圖1 京滬高鐵泰安站道岔曲上股鋼軌傷損情況

1.2 U75V G離線熱處理鋼軌道岔

目前，我國(guó)兼顧貨運(yùn)的高速鐵路道岔中的尖軌一般采用鋼廠軋制的矮型特種斷面鋼軌（60AT2鋼軌），由道岔生產(chǎn)廠經(jīng)跟端鍛造（簡(jiǎn)稱跟鍛）、銑削、全長(zhǎng)離線熱處理等工序加工而成。由于尖軌工件長(zhǎng)（20 m以上）、尖端變截面（由0 mm斷面變?yōu)?3 mm斷面）、斷面不對(duì)稱（一腿長(zhǎng)、一腿短），實(shí)現(xiàn)離線熱處理時(shí)存在鋼軌變形大、尖軌尖端硬度不足或不均勻等問(wèn)題。尖軌熱處理后變形大，不僅生產(chǎn)中矯直工作量大，還造成使用中密貼不好；尖軌尖端硬度不足或不均勻，造成使用中不耐磨，出現(xiàn)魚鱗紋甚至剝離掉塊等傷損，既影響道岔使用壽命，又增加運(yùn)營(yíng)成本。

由此可見，提高道岔尖軌的耐磨、抗剝離掉塊能力，已經(jīng)成為高速鐵路道岔尖軌尤其是曲尖軌使用中亟需解決的問(wèn)題。

2 高速鐵路道岔鋼軌性能指標(biāo)對(duì)比

2.1 性能指標(biāo)要求

道岔用對(duì)稱斷面、非對(duì)稱斷面熱軋和在線熱處理鋼軌的軌頭踏面硬度及拉伸性能指標(biāo)要求見表1[3]。在線熱處理鋼軌軌頭橫斷面硬化層的硬度值測(cè)點(diǎn)位置見圖2（第1點(diǎn)距表面5 mm，其余點(diǎn)間距均為5 mm），硬度要求見表2[3]。

表1 道岔用鋼軌抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和軌頭頂面硬度值

圖2 鋼軌橫斷面硬度測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表2 軌頭橫斷面硬化層硬度值 HRC

2.2 道岔用鋼軌實(shí)物性能對(duì)比

自2009年以來(lái)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所對(duì)國(guó)內(nèi)攀鋼集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱攀鋼）、鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱鞍鋼）、包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱包鋼）和武漢鋼鐵集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱武鋼）生產(chǎn)的鋼軌性能質(zhì)量進(jìn)行批量檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)近兩年攀鋼、鞍鋼生產(chǎn)的熱軋及在線熱處理鋼軌的硬度、拉伸性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

（1）U71Mn/U71Mn G鋼軌踏面硬度分布在266～278 HB，平均值為273 HB；U75V/U75V G鋼軌踏面硬度分布在300～306 HB，平均值為303 HB；U71Mn在線熱處理鋼軌（U71MnH）踏面硬度分布在346～358 HB，平均值為353 HB；U75V在線熱處理鋼軌（U75VH）踏面硬度分布在362～381 HB，平均值為371 HB。

（2）U71MnH橫斷面A線第一點(diǎn)硬度＞34.2 HRC，B、C線第一點(diǎn)硬度＞34.4 HRC；U75VH橫斷面A線第一點(diǎn)硬度＞36.8 HRC，B、C線第一點(diǎn)硬度＞36.4 HRC；熱處理硬化層深度，在線熱處理對(duì)稱斷面道岔鋼軌超過(guò)20 mm，在線熱處理非對(duì)稱斷面道岔鋼軌超過(guò)30 mm。

（3）U71Mn鋼軌抗拉強(qiáng)度在938～969 MPa，平均值為951 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在12.0%～15.0%，平均值為13.8%；U75V鋼軌抗拉強(qiáng)度在1 043～1 064 MPa，平均值為1 055 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在10.5%～12.0%，平均值為11.3%；U71MnH鋼軌抗拉強(qiáng)度在1 192～1 243 MPa，平均值為1 234 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在10.0%～14.0%，平均值為12.3%；U75VH鋼軌抗拉強(qiáng)度在1 305～1 345 MPa，平均值為1 320 MPa，斷后伸長(zhǎng)率在11.0%～12.0%，平均值為11.7%。

2.3 國(guó)內(nèi)外在線熱處理鋼軌性能對(duì)比

國(guó)內(nèi)攀鋼生產(chǎn)的與國(guó)外奧鋼聯(lián)集團(tuán)生產(chǎn)的在線熱處理鋼軌（60AT2）軌頭橫斷面不同部位硬度對(duì)比見圖3。

圖3 軌頭斷面硬度分布對(duì)比

可見，無(wú)論是硬化層深度還是硬化層硬度，攀鋼和奧鋼聯(lián)生產(chǎn)的U75V、350LHT和350HT在線熱處理鋼軌基本處于同一水平，其中，硬度大于36HRC的硬化層深度大于20 mm以上。

2.4 鋼軌強(qiáng)度/硬度與使用之間的關(guān)系

研究表明，硬度與耐磨性能之間具有正比關(guān)系。隨著鋼軌硬度的提高，耐磨性能改善。一般鋼軌硬度每增加60 HB，耐磨性能可提高一倍以上。同時(shí)，隨著鋼軌硬度的提高，疲勞強(qiáng)度也隨之提高。如U75V熱軋和熱處理鋼軌的疲勞極限分別為374 MPa和535 MPa，熱處理后疲勞極限是未熱處理的1.43倍[4]。

因此，采用韌、塑性良好，具有較高硬度的在線熱處理鋼軌，可以顯著提高鋼軌的使用壽命。

3 鋼軌在線熱處理技術(shù)的發(fā)展

鋼軌熱處理是通過(guò)控制加熱或冷卻過(guò)程，改善組織性能的一種手段。在線熱處理是利用軋制余熱直接加速冷卻，得到細(xì)片狀珠光體組織的熱處理。通過(guò)熱處理，可使珠光體片間距由0.3～1.0 μm細(xì)化至0.1 μm以下，提高硬度60 HB以上[4]。由于鋼軌在線熱處理技術(shù)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高并節(jié)約能源，世界各國(guó)基本淘汰了鋼軌離線熱處理而采用在線熱處理。

我國(guó)攀鋼的鋼軌在線熱處理技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。經(jīng)過(guò)近20年的研發(fā)完善，目前可生產(chǎn)50 kg/m、60 kg/m（60、60N）、75 kg/m（75、75N）及50AT1、60AT1、60AT2等不同軌型，U75V、U71Mn、U78CrV等不同鋼種的在線熱處理鋼軌。同時(shí)，鞍鋼、包鋼和邯鋼近年來(lái)也上馬了鋼軌在線熱處理生產(chǎn)線，目前已完成了主要鋼種、主要軌型在線熱處理鋼軌的CRCC認(rèn)證，具備了生產(chǎn)和供應(yīng)在線熱處理鋼軌的條件。武鋼也正在上馬鋼軌熱處理生產(chǎn)線。

道岔用在線熱處理鋼軌由于用量少、品種多，以前只有攀鋼一家生產(chǎn)時(shí)，往往采購(gòu)困難，影響了道岔用在線熱處理鋼軌技術(shù)的實(shí)施。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)多家鋼軌在線熱處理設(shè)備的上馬和技術(shù)工藝的完善，道岔廠采購(gòu)在線熱處理鋼軌不再成為難題，為在線熱處理鋼軌在道岔上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 在線熱處理鋼軌道岔生產(chǎn)配套技術(shù)

4.1 跟鍛后的熱處理

我國(guó)自20世紀(jì)90年代以后，普遍采用AT（矮型特種斷面）鋼軌制造道岔尖軌，其中50AT1、60AT1用于制造普速鐵路道岔尖軌，60AT2和60AT3用于制造高速鐵路道岔尖軌及可動(dòng)心軌。

采用熱軋AT鋼軌生產(chǎn)道岔尖軌或可動(dòng)心軌的工藝流程為：原材料鋸切—跟端筒式中頻電感應(yīng)加熱—跟端鍛造—跟鍛部位正火處理—尖軌銑削等機(jī)加工—軌頭全長(zhǎng)淬火—矯直—組裝—成品入庫(kù)。

采用在線熱處理AT鋼軌生產(chǎn)道岔尖軌或可動(dòng)心軌的工藝流程為：原材料鋸切—跟端筒式中頻電感應(yīng)加熱—跟端鍛造—跟鍛部位腰底正火、軌頭淬火—端部機(jī)加工—尖軌銑削—組裝—成品入庫(kù)。

采用在線熱處理鋼軌生產(chǎn)尖軌，無(wú)需進(jìn)行軌頭全長(zhǎng)熱處理，也可省去全長(zhǎng)熱處理后的矯直工序。為了改善和恢復(fù)跟鍛部位的性能尤其是軌面硬度，要對(duì)跟鍛部位進(jìn)行如下的鍛后熱處理：采用中頻電感應(yīng)加熱，軌頭部位采用壓縮空氣加速冷卻實(shí)施欠速淬火，其他部位自然冷卻實(shí)施正火；為了防止熱影響區(qū)過(guò)寬，造成使用中軌面低塌，不得采用6只疊裝長(zhǎng)時(shí)間加熱的爐子加熱處理工藝。

因此，凡采用爐子加熱進(jìn)行鍛后熱處理的企業(yè)，均應(yīng)進(jìn)行技術(shù)改造，以適應(yīng)在線熱處理鋼軌制造道岔的需要。

4.2 焊接技術(shù)

目前高速鐵路道岔區(qū)內(nèi)及道岔與線路鋼軌的連接均采用鋁熱焊進(jìn)行。以往采用熱軋鋼軌生產(chǎn)道岔時(shí)，岔區(qū)內(nèi)采用與熱軋鋼軌硬度相配套的鋁熱焊劑，而采用在線熱處理鋼軌制造道岔后，岔區(qū)內(nèi)需要采用與在線熱處理鋼軌硬度相匹配的高硬度焊劑，防止使用中出現(xiàn)焊接接頭低塌。同時(shí)，與區(qū)間線路鋼軌相連接的焊頭，也需采用與在線熱處理鋼軌硬度相匹配的焊劑。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)修訂

1998年，為了滿足修建秦沈客運(yùn)專線的需要，原鐵道部科學(xué)技術(shù)司組織相關(guān)單位首次起草制定了《時(shí)速200公里客運(yùn)專線60AT鋼軌暫行技術(shù)條件》（科教基［2000］41號(hào)）和《時(shí)速200公里客運(yùn)專線60AT鋼軌焊接暫行技術(shù)條件》（科教基［2000］41號(hào)）。2005年，對(duì)《時(shí)速200公里客運(yùn)專線60AT鋼軌暫行技術(shù)條件》進(jìn)行修訂，頒布了《客運(yùn)專線60AT鋼軌暫行技術(shù)條件》（科技基［2005］101號(hào)）；同年頒布實(shí)施了TB/T 3109—2005《AT鋼軌》標(biāo)準(zhǔn)。2007年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱鐵科院）主持起草了《特種斷面翼軌（60TY）暫行技術(shù)條件》（工管技［2007］46號(hào)）。2013年，鐵科院主持起草了TB/T 3109—2013《鐵路道岔用非對(duì)稱斷面鋼軌》，該標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)10余年，將以上暫行技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)整合形成鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并納入高速鐵路用在線熱處理鋼軌內(nèi)容[3，5]。

根據(jù)近年來(lái)道岔鋼軌件的使用現(xiàn)狀，2015年中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局工務(wù)部發(fā)文（《高速鐵路道岔質(zhì)量座談會(huì)會(huì)議紀(jì)要》（運(yùn)工高線函［2015］428號(hào)）），明確規(guī)定高速鐵路道岔鋼軌件均應(yīng)采用在線熱處理鋼軌制造。

5 我國(guó)高速鐵路道岔用軌選用建議

日本高速鐵路道岔尖軌采用熱軋AT鋼軌（強(qiáng)度等級(jí)800 MPa）制造。根據(jù)使用情況，熱軋態(tài)不能滿足耐磨需要時(shí)，根據(jù)用戶的要求，經(jīng)熱處理后使用。

法國(guó)高速鐵路大號(hào)碼高速道岔，尖軌部分采用強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa的UIC900A鋼種，采用長(zhǎng)定尺鋼軌，中間不焊接、不淬火。同時(shí)，根據(jù)用戶的需要，也對(duì)尖軌進(jìn)行淬火處理。為保證尖軌尖端的淬火硬化效果，采用預(yù)留一定尺寸淬火后再加工的方法進(jìn)行。

德國(guó)高速鐵路道岔尖軌采用強(qiáng)度等級(jí)為880 MPa級(jí)的UIC900A制造，也可按用戶要求進(jìn)行淬火處理，熱處理后強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到1 100 MPa級(jí)。

我國(guó)高速鐵路國(guó)產(chǎn)化后的道岔，時(shí)速200 km及以上的客運(yùn)線路道岔采用U71Mn G鋼軌制造，均未進(jìn)行熱處理；時(shí)速200 km及以上的客貨混運(yùn)線路采用U75V G鋼軌制造，大部分為離線熱處理。

綜合考慮道岔使用情況，尤其新鐵德奧350HT在線熱處理道岔的使用情況，對(duì)道岔用鋼軌的選用提出如下建議：

我國(guó)高速鐵路用道岔包括時(shí)速200 km、時(shí)速300 km以上的有砟、無(wú)砟道岔全部采用在線熱處理鋼軌（U71MnH G或U75VH G）制造，包括高速鐵路道岔用基本軌、尖軌、心軌、翼軌和導(dǎo)軌。其中，客運(yùn)專線道岔應(yīng)選用U71MnH G；客貨混運(yùn)鐵路應(yīng)選用U75VH G；磨耗嚴(yán)重需要更換鋼軌件時(shí)采用U75VH G。同時(shí)建議尖軌、心軌的跟鍛熱處理要采用電感應(yīng)加熱、軌頭噴風(fēng)冷卻的鍛后熱處理工藝，岔區(qū)鋁熱焊劑的選用要與在線熱處理鋼軌硬度相配套。

[1] 中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局．鐵道工務(wù)技術(shù)手冊(cè)：道岔[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2017．

[2] 王樹國(guó)．我國(guó)鐵路道岔現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．鐵道建筑， 2015(10)：42-46．

[3] 周清躍．國(guó)內(nèi)外鋼軌標(biāo)準(zhǔn)匯編（上冊(cè)）[R]．北京： 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2012．

[4] 周清躍，張銀花，楊來(lái)順，等．鋼軌的材質(zhì)性能及 相關(guān)工藝[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

[5] 周清躍，張銀花，朱梅．解讀鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路 道岔用非對(duì)稱斷面鋼軌》[J]．鐵道技術(shù)監(jiān)督， 2013(11)：1-4．

Study on Selection of Rail Material and Strength Level for HSR Turnout

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

Given that the key components of HSR turnouts are vulnerable to wear and losses and are prone to have spallings, the paper compares the performance of rail materials and studies the supportive technologies. In light of the status quo of turnout application, the paper builds on the performance of CNTT-350HT-rail turnout subject to on-line heat treatment to prolong the service life of turnout, as well as to simplify the production procedure and on-site replacement. The paper proposes that rail subject to on-line heat treatment (U71MnH G or U75VH G) can be used for the manufacture of HSR turnouts – stock rail, switch rail, point rail, wing rail and guide rail included. At the same time, it is suggested that the heat treatment for the heels of switch rail and point rail shall choose the electric-induced heating, while the rail head shall be air cooled and the alumino-thermic welding agent shall be selected in accordance with the hardness of the rail subject to on-line heating treatment.

HSR；turnout；rail material；strength level；on-line heating treatment

U213.6

A

1001-683X（2017）08-0005-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.005

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016G008-B）

周清躍（1960—），男，首席研究員，博士生導(dǎo)師。

E-mail：zhouqingyue93480@126.com

責(zé)任編輯 高紅義

2017-05-19