铁路钢轨用钢与热处理

摘 要：随着我国经济的高速发展,交通运输行业发挥着重要作用,铁路运输作为目前最主要的远程运输方式,其发展的先进性一定程度上决定了经济发展的速度和质量,而铁路钢轨的质量则决定了铁路事业发展的规模.我国铁路路线南北纵横,东西贯通,加之高速铁路的新发展、新技术,铁路行业的发展面临着更大的发展机遇与挑战.本文从铁路钢轨的种类分析入手,着重介绍了当前我国钢轨热处理技术以及对提升钢轨性能所起的作用,并简单介绍了贝式体钢的发展现状.

关 键 词：铁路运输,钢轨用钢,热处理

铁路运输作为当前我国远程运输中最重要的运输方式,在促进经济的迅猛发展上发挥了至关重要的作用,尤其在国家提出“西部大开发”战略以来,铁路交通的重要性和优越性愈加凸显.铁路轨道作为铁路运输的基础,轨道的质量、性能及其使用寿命都直接影响着铁路运输的效率和安全.随着我国高速铁路和货物重载列车的大规模发展,对于铁道运输的安全性和抗磨损性提出了更高的要求[1].钢轨通过提升其含钢纯净度或者增加合金元素都可以在一定程度上提升钢轨的强度,提高其性能,但这种技术的要求较高且提升的性能有限,而热处理的方式则可以实现低加工、高效益.热处理是指将不同材质的钢材料熔化合成淬火而成新的钢轨,这种方式既可以减少加工费用又可以大幅度提高钢轨使用性能.

1.当前我国钢轨用钢的分类

不同钢轨化学成分相应不同,依据钢轨的化学成分分类,可大致分为：碳素轨钢、微合金轨钢和低合金轨钢.按照交货状态的不同钢轨可分为热轧钢轨和热处理钢轨两种.热轧钢轨是笼统的归类,不区分钢轨的强度高低,只依据钢轨是否以热轧状态交货,凡是以热压状态交货的钢轨均成为热轧钢轨.热处理钢轨依据工艺条件又可分为两种：离线热处理钢轨和在线热处理钢轨.按照钢轨的最低抗拉强度可分为：880MP钢轨、980MP钢轨、1080MP钢轨和1180MP钢轨.目前,只有最低抗拉强度等级在1080MP以上的钢轨才被称为耐磨轨或高强轨[2].

目前,钢轨的热处理主要是余热淬火技术,即利用钢轨轧制后的余热进行轨头淬火.余热淬火技术因其自身在生产效率、生产成本、产品性能等方面的优势,逐渐成为各个先进工业国家推广使用的一项技术,其发展有逐渐取代离线淬火的趋势,如日本已经全面使用在线热处理技术.国内的钢轨淬火技术经历了从喷雾冷却到喷压缩空气冷却的过程.

1.1过共析珠光体钢轨

众所周知,通过增加合金元素或者经过热处理都可以提高钢轨强度,优化性能.对珠光体钢轨的研究表明,通过增加钢轨中珠光体片的渗碳体相的密度可以提高钢轨耐磨性能.研究人员通过对共析成分和过共析成分实验研究得出：通过增加铁素体的堆积,可以提高过共析钢轨性能.

1.2抗破损钢轨

美国与日本联合开发了这种被称为“抗破损”的热处理钢轨,通过调整热处理时的冷却速度,将钢轨踏面和轨顶角处理成不同的硬度,在冲击载荷的作用下,硬度较软的踏面处会产生更多的磨损[3].通过增加踏面处磨损,能使疲劳裂纹自然磨掉而不至于扩散,因此减少了昂贵的打磨费用.

1.3马氏体钢轨

马氏体钢轨是英国钢铁研究中心的工作人员于近年来新发现的钢轨,这种新型钢轨的轨头硬度高达445HB,虽然这种低碳马氏体钢轨的耐磨性与热处理钢轨相差无几,但其韧性却远远高于热处理钢轨.

1.4贝氏体钢轨

贝氏体钢轨享有“二十一世纪的钢轨”美誉,其兼具了优质钢轨所需具备的一切优势,高强韧性、高耐磨性和良好的抗表面伤损能力.贝氏体钢轨强度高达1400MPa,耐磨性是普通热轧钢轨的8倍,这种优质钢轨世界各国都在研制,部分发达工业国家已经投入使用.

2.铁路钢轨热处理技术分析

铁路钢轨的热处理主要有三种基本类型：整体热处理、离线轨头淬火和在线余热淬火.

2.1整体热处理

整体热处理是比较传统的方式,在世界各国应用也最为普遍,这种方式简单易操作.将钢轨置于辊底式加热炉内加热至820―835摄氏度,然后在常温下冷却40―50秒,当轨头温度降至790―820摄氏度时,将钢轨浸入油槽中快冷,淬火之后再放入辊底式加热炉内回火2小时.这种工艺适合大规模生产,操作简单且质量稳定,整体强度高,但缺点显而易见,成本较高,生产率较低,易造成环境污染.

2.2离线轨头淬火

离线轨头淬火就是采用轨头感应加热,然后压缩空气火舌水雾淬火.这种工艺的优势在于生产比较灵活,不容易受机器设备和生产节奏的限制,且资金投入较少,工艺控制严格,生产的钢轨质量较高,轨头踏面硬度较高,耐磨损性能好,提高了钢轨的寿命.缺点是钢轨需要重新加热导致能耗高,生产率也比较低,且钢轨的轨头与轨腰结合处存在断裂的薄弱区域,硬度较低,在压力较大时易折断.整个钢轨只有轨头加热冷却处理,膨胀、收缩使得钢轨易发生变形.

2.3在线轨头余热淬火

随着科技的不断进步,经济的飞速发展,冶炼技术的步步提升,低氢冶炼技术、真空脱气、连铸等技术相继被应用到钢轨生产中,提高了钢轨含钢的纯净度,提高了钢轨性能,为在线余热淬火技术的发展奠定了良好的基础,提供了发展空间.同时计算机检测和控制技术的发展,也促进了余热淬火技术的应用.在线淬火技术优势明显：生产效率高、生产成本低、产品性能好,逐渐取代离线淬火技术,成为发展铁轨事业的首选.这种工艺生产效率高、所用成本低,生产钢材质量好,但这种淬火方法所使用的设备和工艺较为复杂,不仅生产控制难度大,设备投资也较高.

3.结语

铁路的高速发展对铁轨的质量、性能和使用寿命提出了更高的要求,钢轨的热处理方法是今后一段时期内提高钢轨质量的最有效手段.钢轨的使用材料、质量保证是发展高速铁路,促进铁路事业发展的有力基石,是促进我国经济飞速发展的可靠保障.为了满足我国铁路高速、重载运输的发展,铁路钢轨的用钢问题及钢轨的热处理成为相关人员重点关注的问题.