我国铁路钢轨钢的研究及选用

-47-研究·探讨CHINESERAILWAYS2011/11我国铁路钢轨钢的研究及选用周清跃等1我国钢轨钢化学成分及性能特点目前，我国铁路线路上使用的钢轨钢种主要有880MPa级的U71Mn，980MPa级的U75V和1180～1280MPa级的重载铁路用U77MnCr、PG4等高强耐磨钢轨。（1）U71Mn钢轨。由鞍山钢铁集团公司研制完成，为我国至今使用时间最长的碳素钢轨。钢中含碳量较低，采用Mn元素提高轨钢强度，有较好的韧性、塑性和焊接性。钢中的Mn元素容易引起微观偏析，重新加热后在Mn偏析部位出现高碳马氏体组织，曾多次对U71Mn钢轨中的Mn含量进行调整。现行的铁路热轧钢轨化学成分及力学性能见表1。为适应不同的运输条件，在优化U71Mn钢轨化学成分的基础上，形成了高速铁路用U71MnG、钢轨热处理用U71MnC和高原铁路用低碳U71Mn钢轨。（2）U71MnG钢轨（G代表高速铁路）。U71MnG钢轨（2011年前称为U71Mnk）专用于高速铁路，其化学成分与欧洲高速铁路使用的UIC900A（欧洲标准为EN260或R260）相近。为优化性能，U71MnG钢轨减少了钢中碳含量，调整锰含量，降低有害元素S、P含量等。（3）U71MnC钢轨（C代表淬火轨）。为满足钢轨热处理需要，《TB/T2635—2004热处理钢轨技术条件》周清跃：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081张银花：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081陈朝阳：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，副研究员，北京，100081刘丰收：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，助理研究员，北京，100081我国铁路钢轨钢的研究及选用摘　要：介绍我国铁路常用钢轨钢的化学成分、性能特点；研究我国高速铁路、160km/h以下的既有铁路、重载铁路、高原铁路、城市轨道交通用钢轨的选用原则。分析和论述曲线路段钢轨的选用、不同钢种钢轨的焊接、焊接接头的硬度匹配、长定尺钢轨的选用、钢轨打磨和润滑方面注意的问题，提出高速、重载钢轨钢的研究方向。关键词：钢轨钢；化学成分；力学性能；高速铁路-48-研究·探讨CHINESERAILWAYS2011/11我国铁路钢轨钢的研究及选用周清跃等对热处理钢轨的化学成分进行调整，采用C、Mn的上限成分。热处理钢轨化学成分及力学性能见表2。（4）低碳U71Mn钢轨。为满足青藏铁路地理、气候环境等对钢轨的特殊要求，对U71Mn钢轨低温性能进行试验研究[1]。含碳量为中、下限的U71Mn钢轨的冲击韧性、断裂韧性K1c明显高于含碳量为上限的U71Mn钢轨，其冷脆敏感性低，在-60℃的温度下仍能保持较高的塑性，断后伸长率平均值达到11%。为此青藏铁路采用低碳U71Mn钢轨，并以附加技术条件的形式予以实施。（5）U75V钢轨。由攀钢集团有限公司（简称攀钢）20世纪90年代研制开发，2003年之前称为PD3（攀钢第三代钢轨），2003年纳入铁道行业标准后改为U75V。与U71Mn钢轨相比，U75V钢轨碳、硅含量相对较高，Mn含量较低，并专门添加了细化组织的合金元素钒，热轧后强度达到980MPa级。目前，已逐渐成为我国铁路的主型钢轨钢种。针对现场反映U75V钢轨耐磨、难焊、易断问题，1998年调整了U75V钢轨的化学成分，降低了钢中的碳、硅、钒含量，韧性、塑性明显提高，焊接性能改善，耐磨性有所下降。经在繁忙干线及重载铁路的多年使用，调整化学成分后的U75V钢轨性能良好，但在小半径曲线上耐磨性明显不足。在客运专线上使用因硬度偏高与车轮磨合困难，在打磨不及时或按钢轨原始廓形打磨情况下，容易出现滚动接触疲劳伤损[2]。（6）U75VG钢轨。为优化性能，在U75V钢轨的基础上，减少含碳量的波动范围及钢中有害元素P、S等含量，对断后伸长率A等指标提出了更高要求。（7）U77MnCr钢轨。由中国铁道科学研究院和鞍山钢铁集团公司近年合作研发，为高强耐磨钢轨。采用铬合金化，钢中含铬0.25%～0.40%，热轧钢轨强度≥980MPa，断后伸长率≥10%。热处理后轨头顶面硬度≥370HB，抗拉强度≥1280MPa，断后伸长率≥12%，焊接性能良好。经大秦等重载铁路使用，综合性能较好[3-5]。（8）PG4钢轨。由中国铁道科学研究院和攀钢集团有限公司近年合作研发，为高强耐磨钢轨。采用铬、钒合金化，钢中含铬0.30%～0.50%，含钒0.08%～0.12%，热轧钢轨强度为1080MPa，断后伸长率≥8%，热处理后轨头顶面硬度≥370HB，抗拉强度≥1300MPa。经大秦等重载铁路使用，耐磨性能优良[3-5]。PG4钢轨含有较高的铬、钒合金，抗擦伤能力较差，容易在擦伤部位形成脆性很大的高碳马氏体组织。（9）U76CrRE。由包头钢铁（集团）有限责任公司研制，为高强耐磨钢轨。采用铬合金化并进行稀土处理，钢中含铬0.25%～0.35%，稀土加入量约0.020%，热轧钢轨强度为1080MPa，断后伸长率≥9%。（10）贝氏体钢轨。贝氏体为中温转变组织，发生转变的温度介于珠光体和马氏体之间。通过合金化，在轧制后很宽的冷速条件下可获得主要为贝氏体组织的钢，为贝氏体钢。不同合金配方和经钢牌号化学成分(质量分数)／％力学性能CSiMnPSVRm/MPaA/％硬度（HBW）U71MnC0.72～0.800.15～0.580.70～1.20≤0.025≤0.025≥1180≥10332～391U75V0.71～0.800.50～0.700.70～1.050.04～0.12332～401PG40.72～0.820.50～0.80≤0.12≥1280370～415U77MnCr0.10～0.500.80～1.100.25～0.40Cr钢牌号化学成分(质量分数)／％力学性能CSiMnPSVRm/MPaA/％硬度（HBW）U71Mn0.62～0.800.15～0.580.70～1.20≤0.030≤0.030≥880≥9260～300U71MnG0.65～0.75≤0.025≤0.025≥12U75V0.71～0.800.50～0.800.70～1.05≤0.030≤0.0300.04～0.12≥980≥9280～320U75VG0.50～0.700.75～1.05≤0.025≤0.0250.04～0.08≥10PG40.72～0.820.50～0.800.70～1.05≤0.12≥1080≥8320～360U77MnCr0.10～0.500.80～1.100.25～0.40Cr≥980≥300U76CrRE0.71～0.810.50～0.800.25～0.35Cr≥1080AB10.20～0.401.50～2.001.50～2.00≤1.0Cr≥1240≥12360～400表1铁路热轧钢轨化学成分及力学性能注：PG4含有≤0.70%Cr；AB1含有≤0.50%Mo等其他合金元素。表2热处理钢轨化学成分及力学性能注：PG4含有≤0.70%Cr。-49-研究·探讨CHINESERAILWAYS2011/11我国铁路钢轨钢的研究及选用周清跃等过不同热处理的贝氏体钢，其性能差异很大。20世纪80年代发现合金元素硅在贝氏体钢中的特殊作用，国内外广泛开展了含硅贝氏体钢的组织性能、强韧化机理，以及在工业中的应用研究。研究表明，合金元素硅可强烈阻碍贝氏体转变时碳化物的析出，使贝氏体钢中残留奥氏体组织，从而提高贝氏体钢的强韧性。这种贝氏体钢称为无碳化物贝氏体或准贝氏体钢。2003年，中国铁道科学研究院与鞍山钢铁集团公司合作，在我国率先试制成功无碳化物贝氏体钢轨，抗拉强度达到1300MPa，伸长率约15％，室温冲击功约100J，全断面硬度达到38～43HRC[6]。试制的贝氏体钢轨先后在沈山、成渝及石太线试铺，其抗接触疲劳性能、耐磨性能明显优于珠光体钢轨。北京特冶工贸有限责任公司与包头钢铁（集团）有限责任公司等单位合作，通过合金化与热处理相结合的方法，研发了1300MPa级贝氏体钢轨，已在道岔部件上使用。U75V钢轨热处理前后珠光体组织电镜扫描图像见图1，无碳化物空冷贝氏体钢轨轨头与轨底显微组织见图2。2　钢轨选用原则2.1　高速铁路高速铁路列车速度高，但动车组轴重轻，且线路曲线半径大，钢轨磨耗轻微。考虑到轮轨硬度匹配和轮轨磨合，高速铁路的钢轨硬度不宜太高。日本新干线采用强度等级为800MPa、轨面硬度≥235HB的热轧钢轨,欧洲高速铁路包括客货混运的德国均采用强度等级为880MPa、轨面硬度为260～300HB的UIC900A热轧钢轨。借鉴国外经验，结合我国铁路实际，我国高速铁路200km/h以上客运线路选用U71MnG钢轨，200～250km/h客货混运线路选用U75VG钢轨。曲线半径≤1200m的线路，包括动车组运行入库和出库正线、联络线等均选用相应的热处理钢轨。采用U71MnG钢轨的线路选用U71MnC或U75V热处理钢轨，采用U75VG钢轨的线路选用U75V热处理钢轨。2.2　200km/h以下既有铁路我国200km/h以下既有铁路除部分提速区段外，主要运行160km/h以下的客车和120km/h以下、轴重23t的货车。近年来，部分线路开行和谐型机车牵引的5000t以上的长大编组列车。因既有铁路曲线半径较小，在直线和大半径曲线上选用U75V钢轨，曲线半径≤1000m的曲线选用U75V热处理钢轨，在磨耗严重（磨耗速率＞0.05mm/Mt）区段选用PG4、U77MnCr等热处理钢轨。在年通过总重＜5000万t的线路上，直线和大半径的曲线选用U71Mn热轧钢轨，曲线半径≤800m的曲线选用U71MnC或U75V热处理钢轨。2.3　重载铁路大秦铁路年运量达到4亿t，开行25t轴重的1万t或2万t列车，为世界上最繁忙的重载铁路。在京包、侯西等以货运为主的重载铁路上，开行5000t或1万t列车，年通过总重超过1亿t，钢轨的侧磨和疲劳伤损严重。重载铁路直线和大半径的曲线应选用U75V钢轨或PG4、U77MnCr等热轧钢轨，钢轨的夹杂物（A、B、C、D四类）控制在1.5级以内；曲线半径≤1200m的曲线选用PG4、U77MnCr等热处理钢轨。建议在直线上不铺设PG4、U77MnCr等高强耐磨热处理钢轨。2.4　高原铁路青藏铁路常年低温缺氧，要求钢轨具有高的低温韧性。研究表明，U71Mn钢轨含碳量较低时，低温韧性较好。青藏铁路应选用含碳量为下限的U71Mn热轧钢轨，曲线半径≤800m的曲线选用U71MnC热处理钢轨。a热处理前a轨头b轨底图2无碳化物空冷贝氏体钢轨轨头与轨底显微组织b热处理后图1U75V钢轨热处理前后珠光体组织电镜扫描图像-50-研究·探讨CHINESERAILWAYS2011/11我国铁路钢轨钢的研究及选用周清跃等2.5　城市轨道交通城市轨道线路弯道多，虽然列车轴重较轻，但钢轨的侧磨和波磨较为严重。城市轨道线路直线和大半径的曲线选用U75V钢轨，曲线半径＜800m的曲线选用U75V热处理钢轨。在轨型上选用60kg/m钢轨为好，以减少维修与养护工作量。2.6道岔钢轨的选用（1）高速铁路道岔用轨。300～350km/h的高速铁路选用U71MnG热轧钢轨或U71MnC在线热处理钢轨。200～250km/h的客货混运铁路选用U75VG在线热处理钢轨，包括60kg/m、60D40等钢轨。（2）既有和重载铁路道岔用轨。道岔尖轨和辙叉部件承受很大的冲击力，要求钢轨具有高耐磨和耐冲击性能。道岔尖轨和辙叉部件选用无碳化物贝氏体钢，要求其强度≥1240MPa、伸长率≥15%、硬度≥360HB；或全部道岔用轨（包括基本轨、尖轨、辙叉翼轨及叉心轨）选用强度≥1180MPa、伸长率≥12%、轨头顶面硬度≥360HB、硬化层深≥30mm的在线热处理钢轨。建议不选用离线热处理钢轨。2.7　其他用途钢轨的选用伸缩调节器用钢轨选用与区间钢轨同材质的热轧钢轨，或在线热处理钢轨；厂制胶结绝缘接头钢轨选用U75V热处理钢轨。3　钢轨选用及使用需要注意的问题（1）曲线钢轨的选用。在曲线上下股均应铺设热处理钢轨