鐵路鋼軌用鋼與熱處理分析

王建

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)揮著重要作用，鐵路運(yùn)輸作為目前最主要的遠(yuǎn)程運(yùn)輸方式，其發(fā)展的先進(jìn)性一定程度上決定了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和質(zhì)量，而鐵路鋼軌的質(zhì)量則決定了鐵路事業(yè)發(fā)展的規(guī)模。我國鐵路路線南北縱橫，東西貫通，加之高速鐵路的新發(fā)展、新技術(shù)，鐵路行業(yè)的發(fā)展面臨著更大的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文從鐵路鋼軌的種類分析入手，著重介紹了當(dāng)前我國鋼軌熱處理技術(shù)以及對提升鋼軌性能所起的作用，并簡單介紹了貝式體鋼的發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鐵路運(yùn)輸;鋼軌用鋼;熱處理

鐵路運(yùn)輸作為當(dāng)前我國遠(yuǎn)程運(yùn)輸中最重要的運(yùn)輸方式，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，尤其在國家提出“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略以來，鐵路交通的重要性和優(yōu)越性愈加凸顯。鐵路軌道作為鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，軌道的質(zhì)量、性能及其使用壽命都直接影響著鐵路運(yùn)輸?shù)男屎桶踩?。隨著我國高速鐵路和貨物重載列車的大規(guī)模發(fā)展，對于鐵道運(yùn)輸?shù)陌踩院涂鼓p性提出了更高的要求[1]。鋼軌通過提升其含鋼純凈度或者增加合金元素都可以在一定程度上提升鋼軌的強(qiáng)度，提高其性能，但這種技術(shù)的要求較高且提升的性能有限，而熱處理的方式則可以實現(xiàn)低加工、高效益。熱處理是指將不同材質(zhì)的鋼材料熔化合成淬火而成新的鋼軌，這種方式既可以減少加工費(fèi)用又可以大幅度提高鋼軌使用性能。

1.當(dāng)前我國鋼軌用鋼的分類

不同鋼軌化學(xué)成分相應(yīng)不同，依據(jù)鋼軌的化學(xué)成分分類，可大致分為：碳素軌鋼、微合金軌鋼和低合金軌鋼。按照交貨狀態(tài)的不同鋼軌可分為熱軋鋼軌和熱處理鋼軌兩種。熱軋鋼軌是籠統(tǒng)的歸類，不區(qū)分鋼軌的強(qiáng)度高低，只依據(jù)鋼軌是否以熱軋狀態(tài)交貨，凡是以熱壓狀態(tài)交貨的鋼軌均成為熱軋鋼軌。熱處理鋼軌依據(jù)工藝條件又可分為兩種：離線熱處理鋼軌和在線熱處理鋼軌。按照鋼軌的最低抗拉強(qiáng)度可分為：880MPa級鋼軌、980MPa級鋼軌、1080MPa級鋼軌和1180MPa級鋼軌。目前，只有最低抗拉強(qiáng)度等級在1080MPa級以上的鋼軌才被稱為耐磨軌或高強(qiáng)軌[2]。

目前，鋼軌的熱處理主要是余熱淬火技術(shù)，即利用鋼軌軋制后的余熱進(jìn)行軌頭淬火。余熱淬火技術(shù)因其自身在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品性能等方面的優(yōu)勢，逐漸成為各個先進(jìn)工業(yè)國家推廣使用的一項技術(shù)，其發(fā)展有逐漸取代離線淬火的趨勢，如日本已經(jīng)全面使用在線熱處理技術(shù)。國內(nèi)的鋼軌淬火技術(shù)經(jīng)歷了從噴霧冷卻到噴壓縮空氣冷卻的過程。

1.1 過共析珠光體鋼軌

眾所周知，通過增加合金元素或者經(jīng)過熱處理都可以提高鋼軌強(qiáng)度，優(yōu)化性能。對珠光體鋼軌的研究表明，通過增加鋼軌中珠光體片的滲碳體相的密度可以提高鋼軌耐磨性能。研究人員通過對共析成分和過共析成分實驗研究得出：通過增加鐵素體的堆積，可以提高過共析鋼軌性能。

1.2 抗破損鋼軌

美國與日本聯(lián)合開發(fā)了這種被稱為“抗破損”的熱處理鋼軌，通過調(diào)整熱處理時的冷卻速度，將鋼軌踏面和軌頂角處理成不同的硬度，在沖擊載荷的作用下，硬度較軟的踏面處會產(chǎn)生更多的磨損[3]。通過增加踏面處磨損，能使疲勞裂紋自然磨掉而不至于擴(kuò)散，因此減少了昂貴的打磨費(fèi)用。

1.3 馬氏體鋼軌

馬氏體鋼軌是英國鋼鐵研究中心的工作人員于近年來新發(fā)現(xiàn)的鋼軌，這種新型鋼軌的軌頭硬度高達(dá)445HB，雖然這種低碳馬氏體鋼軌的耐磨性與熱處理鋼軌相差無幾，但其韌性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱處理鋼軌。

1.4 貝氏體鋼軌

貝氏體鋼軌享有“二十一世紀(jì)的鋼軌”美譽(yù)，其兼具了優(yōu)質(zhì)鋼軌所需具備的一切優(yōu)勢，高強(qiáng)韌性、高耐磨性和良好的抗表面?zhèn)麚p能力。貝氏體鋼軌強(qiáng)度高達(dá)1400MPa，耐磨性是普通熱軋鋼軌的8倍，這種優(yōu)質(zhì)鋼軌世界各國都在研制，部分發(fā)達(dá)工業(yè)國家已經(jīng)投入使用。

2.鐵路鋼軌熱處理技術(shù)分析

鐵路鋼軌的熱處理主要有三種基本類型：整體熱處理、離線軌頭淬火和在線余熱淬火。

2.1 整體熱處理

整體熱處理是比較傳統(tǒng)的方式，在世界各國應(yīng)用也最為普遍，這種方式簡單易操作。將鋼軌置于輥底式加熱爐內(nèi)加熱至820—835攝氏度，然后在常溫下冷卻40—50秒，當(dāng)軌頭溫度降至790—820攝氏度時，將鋼軌浸入油槽中快冷，淬火之后再放入輥底式加熱爐內(nèi)回火2小時。這種工藝適合大規(guī)模生產(chǎn)，操作簡單且質(zhì)量穩(wěn)定，整體強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)顯而易見，成本較高，生產(chǎn)率較低，易造成環(huán)境污染。

2.2 離線軌頭淬火

離線軌頭淬火就是采用軌頭感應(yīng)加熱，然后壓縮空氣火舌水霧淬火。這種工藝的優(yōu)勢在于生產(chǎn)比較靈活，不容易受機(jī)器設(shè)備和生產(chǎn)節(jié)奏的限制，且資金投入較少，工藝控制嚴(yán)格，生產(chǎn)的鋼軌質(zhì)量較高，軌頭踏面硬度較高，耐磨損性能好，提高了鋼軌的壽命。缺點(diǎn)是鋼軌需要重新加熱導(dǎo)致能耗高，生產(chǎn)率也比較低，且鋼軌的軌頭與軌腰結(jié)合處存在斷裂的薄弱區(qū)域，硬度較低，在壓力較大時易折斷。整個鋼軌只有軌頭加熱冷卻處理，膨脹、收縮使得鋼軌易發(fā)生變形。

2.3 在線軌頭余熱淬火

隨著科技的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，冶煉技術(shù)的步步提升，低氫冶煉技術(shù)、真空脫氣、連鑄等技術(shù)相繼被應(yīng)用到鋼軌生產(chǎn)中，提高了鋼軌含鋼的純凈度，提高了鋼軌性能，為在線余熱淬火技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，提供了發(fā)展空間 。同時計算機(jī)檢測和控制技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了余熱淬火技術(shù)的應(yīng)用。在線淬火技術(shù)優(yōu)勢明顯：生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品性能好，逐漸取代離線淬火技術(shù)，成為發(fā)展鐵軌事業(yè)的首選。這種工藝生產(chǎn)效率高、所用成本低，生產(chǎn)鋼材質(zhì)量好，但這種淬火方法所使用的設(shè)備和工藝較為復(fù)雜，不僅生產(chǎn)控制難度大，設(shè)備投資也較高。

3.結(jié)語

鐵路的高速發(fā)展對鐵軌的質(zhì)量、性能和使用壽命提出了更高的要求，鋼軌的熱處理方法是今后一段時期內(nèi)提高鋼軌質(zhì)量的最有效手段。鋼軌的使用材料、質(zhì)量保證是發(fā)展高速鐵路，促進(jìn)鐵路事業(yè)發(fā)展的有力基石，是促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的可靠保障。為了滿足我國鐵路高速、重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，鐵路鋼軌的用鋼問題及鋼軌的熱處理成為相關(guān)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧祖文.高速鐵路軌道技術(shù)綜述[J].鐵道工程學(xué)報，2013，7（01）：50-63.

[2]李長虹.道岔應(yīng)力分析及理想道岔材料[J].鐵道學(xué)報，2012，22（04）：103-107.

[3]周清月.鋼軌生產(chǎn)和使用技術(shù)的新進(jìn)展[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，2012，4（22）：109-110.