低合金钢轨钢

什么是低合金钢轨钢"para" label-module="para">

钢轨是铁路轨道的主要部件，是冶金产品中一个专用钢材品种，钢轨承受列车的重量和动载，受力复杂，轨面磨耗，轨头受冲击，还要受较大的弯曲应力，主要的损伤形式有：磨损主要是上股侧磨和下股压溃，屈服强度不足引起的波浪磨耗以及韧塑性低导致的脆断、剥落、掉块、轨头劈裂、焊缝裂纹等。所以对钢轨钢的基本要求包括：耐磨性、抗压溃性、抗脆断性、抗疲惫和良好的焊接性。

按强度等级划分钢轨应分为下列几类：

(1)标准钢轨，抗拉强度685～835MPa；

(2)耐磨钢轨，抗拉强度880～1030MPa；

(3)特级钢轨，抗拉强度1082～1225MPa；

(4)抗拉强度>1400MPa的钢轨在研制中。

20世纪初采用的是50kg/m轨，现在国际标准轨为60kg/m，美国重轨为77kg/m，***和东欧各国为75kg/m轨。

铁路运输和铁道建设在我国国民经济中占有重要的地位，“十一五”期间和未来10年，对钢轨的需求量会越来越大，质量要求也会越来越高。

进步钢轨强度和综合性能的途径有哪些"para" label-module="para">

(1)热处理强化。在碳素钢或C—Mn钢轨基础上采用在线余热淬火，离线的淬火回火处理或欠速淬火工艺。20世纪80年代发展起来的在线热处理方式，也叫做全长淬火工艺，节能省工、投资少、生产周期短。

(2)在0.7%～0.75%C钢中添加Cr、Mn、Mo、Nb等合金元素，获得980～1250MPa抗拉强度。比较两种强化方法，热处理轨表面耐磨，但内部较差，耐蚀性不能改善。合金化轨里外质量一致，可以考虑改善耐蚀性。

目前国内执行GB 2585—8l标准，主要的钢种牌号有C—Mn钢的U71Mn轨和微合金化的PD3轨和NbRE轨。

我国铁路建设，在“六五”和“八五”期间，以解决运输能力制约国民经济发展“瓶颈”题目，主攻“重载”，在现有设施基础上扩大编组。从“九五”起，提速和高速已成为铁路科技进步的主要体现。通过改造既有轨道结构和研制新型机车车辆，使客车运行速度进步到200km/h，所谓“高速”，指建成200km/h以上的专线客运列车的运行速度。对“重载”列车的钢轨要求耐磨损，抗疲惫。对“高速”列车的钢轨则要求无缺陷和高平直度。

迄今为止，我国已对钢轨钢的生产、材质和性能等进行了广泛研究，钢轨钢的质量明显提高，但与国外同类产品相比，尚存在着较大差距。为了满足我国铁路重载、高速化的发展需求，跟上国际钢轨钢的发展潮流，提高我国钢轨钢产品实物质量和市场竞争力，生产出内部质量高纯净度，断面尺寸高精度，全长高平直度和良好可焊性的钢轨钢，将是我国钢轨钢发展永恒的主题 。2100433B

钢轨钢碳含量

对于钢轨钢生产，既要保证其具有足够高的强度，又要致力于提高其韧性。为此，不能靠单独提高含碳量，而是应该采取合金化的途径，即发展中碳多元合金化高强度高韧性钢轨钢。钢轨淬火是提高钢轨强度、韧性、耐磨性，延长使用寿命的有效途径。国外热处理钢轨的实际碳质量分数:日本为0.76 %～ 0.81 %，俄罗斯为0.71 %～0.80 %，卢森堡为0.78 % ～ 0.82 %，英钢联为0.76 %～ 0.77 %，奥钢联为0.75 %～ 0.81 %，碳质量分数最大波动范围为0.09 %，最小为0.01 %。我国钢轨:U74 的碳质量分数为0.67 %～ 0.80 %，U71Mn 为0.65 % ～ 0.77 %，PD3 为0.70 %～ 0.78 %，BNbRE 为0.70 %～ 0.82 %，最大波动范围0.13 %，最小为0.08 %。由于碳含量波动范围大，淬火工艺参数难以控制，不能充分发挥淬火的技术优势，钢轨的内在性能未能通过淬火充分发挥出来，甚至稍有不慎就会出现马氏体。因此，碳含量波动范围应进一步减小。

钢轨钢硫、磷含量

提高钢轨纯净性必然伴随着钢轨成本的提高，因此不同线路用钢轨往往对纯净性的要求不同。众所周知，钢中有害元素P 、S 含量可以从一个侧面反映对纯净性的要求，日本JIS 钢轨标准规定，抗拉强度等级为687 MPa 和736 MPa 的钢轨，要求w [ P] ≤0.045 %，w[ S] ≤0.05 %，而对抗拉强度等级为804 MPa 的钢轨，要求w [ P] ≤0.03 %，w [ S] ≤0.025 %。EN 钢轨标准规定:对轨头表面硬度为200HB 的钢轨，P 、S 质量分数不大于0.035 %；对轨头表面硬度为220 ～ 260HB 的钢轨，P 、S 质量分数≤0.025 %；而对合金轨及热处理轨则要求w [ P] ≤ 0.020 %，w [ S] ≤0.025 %。

提高钢轨纯净度可以进一步提高钢轨接触疲劳性能，减小钢轨使用中核伤的出现概率。目前国外先进国家钢轨硫、磷含量比较低，而我国目前还规定为w [ S] ≤0.040 %，w [ P] ≤0.035 %，需要进一步降低S 、P 含量，向国际标准靠拢。

钢轨钢夹杂物

(1)夹杂物分布的影响

大量的钢轨失效分析表明，夹杂物在钢轨中的分布位置是影响钢轨破损类型的主要因素:

①当夹杂物出现在踏面表层或亚表层时，易在钢轨局部踏面形成深层剥离掉块类型的疲劳损伤，即“局部剥离” ，深度可达4 ～ 5 mm ，而局部剥离坑易产生横向裂纹，从而形成“起源于轨头表面的横向疲劳裂纹型核伤” 。

②当夹杂物位于踏面下5 ～ 12 mm 时，易形成“纵横裂型核伤” 。

③当夹杂物(主要是低倍夹杂和白点)位于踏面下较深位置时，易形成“起源于轨头内部的横向疲劳裂纹型核伤” 。

④当夹杂物沿轨头纵向分布时，易形成轨头纵裂。

⑤当夹杂物出现在轨腰时，易形成轨腰纵裂。

⑥当夹杂物出现在轨底时，易形成轨底纵裂或横向折断。

(2)夹杂物种泪的影响

钢轨中不同种类的夹杂物对钢轨破损程度的影响不同:

①氧化铝

在各类夹杂物中，链状氧化铝无疑最为有害。大量检验分析结果表明，链状氧化铝夹杂是形成条状疲劳裂纹源进而导致核伤的主要原因，因而国外钢轨标准对氧化铝夹杂物数量有严格要求。

②硅酸盐

硅酸盐的危害性也较大，除诱发核伤外，还是造成钢轨局部深层剥离的主要原因，国外钢轨标准对硅酸盐数量也有限制。

③硫化物

相比之下，钢轨疲劳损伤对硫化物的敏感程度不及上述两类氧化物。因此，就提高钢轨疲劳性能而言，改善氧化物夹杂的纯净度比改善硫化物的纯净度更为有效。

④低倍夹杂和白点等低倍缺陷

钢轨中的低倍夹杂、白点等低倍缺陷，是形成内部横向疲劳裂纹的主要原因，严重危及行车安全，须严格加以限制。

(3)夹杂物尺寸或数量的影响

关于夹杂物导致内疲劳缺陷的临界尺寸，目前还无定论，但普遍认为，随着轴重提高或速度提高(即动载荷增大)，引起钢轨疲劳损伤的夹杂物临界尺寸将减小。

结合现代钢轨生产技术和高速铁路发展制订的EN 钢轨标准中，对氧化物夹杂提出了严格要求，规定钢中氧化铝夹杂物里小于10 μm 的为95 %以上，而大于10 μm 小于20 μm 的不得超过5 %。

钢轨的外形尺寸

由于速度的提高对钢轨表面的平顺性要求更加严格。在实际钢轨交货中，端头不平顺还要大些，特别是目前钢轨端头，矫直存在暗面，使钢轨的焊接平顺性达不到要求。目前规定快速线路钢轨焊接表面平顺性0.3 mm/m(向上)，实际上很难做到。轮轨动力测试结果表明，在接头处均出现应力峰值。因此，提高钢轨表面平顺性是提速线路的迫切需要 。

目前，钢轨钢的主要质量问题有二:一是在外观质量方面，钢轨几何尺寸公差大，轧痕、划伤、裂痕等表面缺陷多；二是内在质量方面，存在夹杂、偏析等冶金缺陷。这些缺陷成为钢轨钢损伤的主要诱因。

钢轨强度及轧制质量

(1)磨耗与塑性变形问题突出

铁路曲线段上钢轨侧磨问题突出。在石太线曲率半径R =300 ～ 400 m 的曲线段上，最短的7～ 8 个月就磨耗到限；在津浦线R =500 ～ 600 m的曲线上，一年半左右钢轨就要调边使用，这远低于线路的大修周期。在直线段上，由于轮轨接触应力达到或接近钢轨的屈服极限强度，有的新轨上道3 ～ 6 个月左右轨头就过早地出现飞边。

(2)剥离掉块

由于轮轨接触疲劳作用，产生疲劳层，从而引起剥离掉块。主要出现在淬火轨上。随着铁路运量和轴重的增加，钢轨剥离伤快问题也日益突出。

产生钢轨剥离掉块主要是由于钢轨材质不纯、淬火工艺不当、轨底坡设置及涂油工艺不当等因素引起的。广州、北京等铁路局采取加楔形胶垫调整轨底坡、间断涂油让较轻剥离部位磨掉等措施来防止剥离掉块的发生，取得了较好效果。

(3)波浪磨耗

波浪磨耗是指钢轨踏面在全长出现周期性高低不平的波状磨耗，而轨头下颚和整个断面仍保持平直。波浪磨耗在石太线、丰沙线、大秦线等运煤专线上问题比较突出，在广深准高速线路上，也开始出现，并且表现较为严重。

影响波浪磨耗(简称波磨)的因素较多，第一类因素影响波磨的形成，即决定轮对粘滑振动是否出现；第二类影响波磨的发展，即加剧或减缓粘滑的振动强度、加强或减弱不均匀磨损的累加效应。一般来讲，许多在波磨形成过程中起作用的因素，对波磨的发展也有决定性影响。有些因素虽影响波磨发展速率，但并不决定波磨是否形成，控制这些因素也可有效减缓波磨。

预防波磨的关键，一是消除曲线地段轮对的粘滑振动；二是消除由粘滑振动引起的钢轨不均匀磨损的累加效应。

为了减缓波磨，常采用如下措施:

①减小轨道不平顺。减小轨道不平顺对减缓波磨及其他轮轨病害均十分有利。减小轨道不平顺可减少粘滑振动的发生的概率及钢轨不均匀磨损的累加效应，从而有效地控制波磨发展速率。减小轨道不平顺主要是指减少诸如钢轨接头、轨面剥离、擦伤及钢轨死弯等脉冲不平顺。脉冲不平顺导致轮轨冲击，引发轮对粘滑振动，是对波磨形成和发展影响最大的轨道不平顺。计算表明，在完全平顺的轨道上，货车在半径600 m 以上的曲线地段几乎不会发生轮对粘滑振动，但因接头不平顺的作用，在半径2 000 m 的曲线上也可能发生轮对粘滑振动。多数波磨从接头附近始发的现象说明了这一点。

②加大轨道弹性、提高轨道阻尼。轨道增弹减振对减少轮轨其他病害也是有利的。增加轨道弹性可有效地减小轮对粘滑振动发生的概率；而提高轨道阻尼则可明显降低波磨的发展速率。

③适当降低曲线地段外轨超高。过超高加大轮对粘滑振动，而欠超高抑制甚至消除轮对粘滑振动。车速较低且轴重较大的货车对波磨形成和发展的影响最大。因此，在主要运行货车的线路上，外轨且主要出现磨损型波磨的曲线地段铺设淬火轨，可采用尽量降低外轨超高的办法减缓波磨。

④钢轨倒换。轮对在曲线上可能发生粘滑振动从而形成波磨，但在直线上，发生粘滑振动的概率却很小，说明直线地段波磨形成和发展的条件不充分。如将曲线地段的波磨轨倒换至直线上，因粘滑振动消失，磨耗功显著降低，波磨的发展将得到明显抑制。

⑤钢轨打磨。钢轨打磨是减缓波磨最有效的措施之一。波磨一旦出现，又反过来激化和加剧轮对粘滑振动，促进波磨进一步发展，波深越大则波磨发展越快，构成恶性循环。钢轨打磨中断了这种恶性循环的发展过程，减缓了波磨发展速率。

⑥提高钢轨材质强度及耐磨性能。提高钢轨耐磨性能，是最主要的减缓措施之一。轮对粘滑振动是波磨的成因，但波磨的形成和发展却表现为钢轨不均匀磨损或不均匀塑性变形的逐步累积。能够减缓轨头磨损和塑性变形的措施就能减缓波磨，钢轨耐磨性能的提高，无疑会延缓波磨的形成与发展过程。

⑦增大轮对轴的刚度。轮对轴的刚度偏小是易于激发轮对粘滑振动的因素之一，如采用空心车轴，并增加轴径，使轴刚度提高1 倍，可有效地抑制钢轨波磨。

⑧增大一系悬挂阻尼。设置一系悬挂的机车和客车，一系无阻尼或阻尼偏小是激发轮对粘滑振动的主要因素。因此，增设或加大一系阻尼是有效减缓波磨的措施之一。也是迅速衰减轮轨冲击振动，减缓轮轨系统中其他病害的重要技术措施。

⑨控制涂油润滑。以减缓曲线外轨侧磨为目的的轮缘或轨侧涂油润滑，对减缓波磨是不利的。同时，过量涂油对减缓钢轨剥离也不利。因此，涂油润滑绝不是越勤越好。但目前对合理的涂油工工艺还缺乏深入系统的研究。

(4)核伤

起源于轨头走行面下一定深度范围处的内部疲劳裂纹，在钢轨的伤损中占有一定的比例。钢轨疲劳伤损以轨头核伤为多，它随着通过总重的增加而增多。疲劳裂纹源常由夹杂物开始，微裂纹逐渐发展为核伤且表面伤损贯通，氧化形成黑核。

因此，延长钢轨使用寿命，减少核伤的关键在于提高钢质纯净度。核伤轨的特点是:高坡及曲线地段核伤较多，曲线磨损量较少及曲线钢轨下股发生核伤较多。

横向疲劳断裂和脆性断裂

虽然占的比例非常小，但客观上存在危害极大，产生的原因:由钢轨的低倍缺陷或表面缺陷引起的横向疲劳裂纹；由马氏体引起的钢轨横向疲劳断裂；由钢轨轨颚的辗堆造成的钢轨横向疲劳断裂；由轨底存在的外伤引起钢轨横向疲劳断裂。

螺栓孔裂纹

螺栓孔裂纹占重伤钢轨的40 %以上，属疲劳伤损。由于钢轨螺栓孔部位存在冶金缺陷，其周边易产生局部应力集中，导致裂纹萌生，疲劳扩展，造成钢轨断裂。应加强螺栓孔倒棱，引进螺栓孔冷扩张技术等来防止螺栓孔裂纹的产生。

轨头踏面线纹，纵向裂纹及劈裂

所谓线纹是指在钢轨表面存在微细裂纹，属表面缺陷。这种裂纹在热轧后的钢轨上由于氧化铁皮的覆盖，在新轨上道初期有时难以发现；待使用一段时间后，经列车车轮辗压，表面氧化皮被磨掉而使线纹、裂纹暴露出来。线纹、裂纹的特征是呈现深浅不等、数量为一至多根成簇分布并沿轧制方向纵向排列。线纹的长度有0.5 ～ 18 m ，现场发现最深为7 mm ，一般在0.2 ～ 2 mm ，而且在轨头发现，轨底数量少。

产生原因主要是钢锭的皮下气泡、超深的表面气孔、浅的凹坑、钢坯表面清理过深及轨温不均或在轧制过程中出现的耳子等。若线纹、裂纹深度较浅，钢轨磨耗速度大于裂纹扩张速度时则轨头表面的线纹有可能被磨掉；若线纹、裂纹较深，有可能逐渐扩张为裂纹、剥离直至断轨 。