過共析鋼軌使用性能研究

李闖，張銀花，周清躍，劉豐收，陳朝陽

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

過共析鋼軌使用性能研究

李闖，張銀花，周清躍，劉豐收，陳朝陽

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

對鋪設在鄭州鐵路局直線上和半徑600～1 000 m曲線上的在線熱處理過共析鋼軌的使用情況進行跟蹤觀測。結果表明:過共析鋼軌硬度高，耐磨性能好。使用1年后，鋪設在直線和半徑1 000 m曲線上的鋼軌表面光潔，基本無傷損，鋪設在半徑600 m曲線上的鋼軌出現魚鱗傷和剝離掉塊。鋼軌閃光焊接頭硬度基本滿足標準要求，鋁熱焊接頭硬度低于標準要求，使用后個別焊接接頭存在低塌現象。過共析鋼軌耐磨性能明顯優于U75V熱處理鋼軌，預防性打磨可以提高鋼軌在小半徑曲線上的使用壽命。

過共析鋼軌 焊接接頭 磨耗 傷損

隨著我國重載鐵路運量、軸重和單列最大載重不斷增加，鋼軌側磨和剝離掉塊等傷損日益嚴重，成為迫切需要研究的課題［1］。一般情況下，鋼軌的強度越高，鋼軌的耐磨性能和耐剝離性能也越強［2］。目前鐵路上使用的鋼軌主要為珠光體鋼軌，通過添加合金元素，并利用熱處理工藝，最高硬度可達370 HB，抗拉強度可達1 280 MPa，基本已達到共析珠光體鋼軌強度極限［3－4］。因此，日本研究人員通過增加珠光體片中滲碳體相的密度來提高耐磨性能，并研究了過共析鋼在鋼軌上的應用，目前已在美國、俄羅斯等國家使用［5］。2010年，攀鋼在國內首次試制出過共析鋼軌(以下簡稱為PG5鋼軌)，2012年對成分進行了優化，優化后在鄭州局進行了試鋪。本文對PG5鋼軌近1年的使用情況進行了跟蹤觀測及總結。

1 PG5鋼軌性能

PG5鋼軌化學成分見表1。母材基本性能指標如下:①鋼軌踏面硬度408 HB;②抗拉強度1 360 MPa，斷后延伸率9.5% ;③組織為珠光體及少量二次滲碳體，不存在馬氏體和貝氏體等有害組織。

表1 PG5鋼軌化學成分%

表2和表3分別為PG5鋼軌閃光焊接頭和鋁熱焊接頭硬度值。由結果可知，PG5鋼軌閃光焊接頭性能基本滿足標準要求;鋁熱焊接頭硬度低于標準要求。這是由于現有鋁熱焊劑與PG5鋼軌硬度不匹配，需研制硬度較高的鋁熱焊劑［6］。

表2 閃光焊接頭硬度

表3 鋁熱焊接頭硬度HB

2 PG5鋼軌使用情況

2.1 試驗段基本情況

2013年6 月，鄭州局結合路局大修，將攀鋼PG5鋼軌鋪設在鄭州局新焦外包線K73—K76區間(約4 km)貨運專線上。該區段年運量1.8億t，列車速度≤80 km/h，試鋪區段最小曲線半徑為600 m。

鋪設區間更換下道的鋼軌為2008年鋪設的U75V熱處理鋼軌，鋼軌于2012年進行了上下股調邊。對U75V熱處理鋼軌使用情況進行觀測，結果見圖1。經測量，更換下道的U75V鋼軌上股最大側磨7.0 mm(調邊使用1年后)，鋼軌踏面有小的剝離掉塊。

圖1 U75V熱處理鋼軌在試驗段使用情況

PG5鋼軌長度為100 m，在鄭州小李莊焊軌基地采用GAAS80/580型焊機進行閃光焊接，焊軌條長度為500 m，對焊頭采用焊后全斷面噴風的工藝恢復其硬度。焊軌條運抵鋪設現場后采用鋁熱焊進行焊接，焊劑采用德國施密特焊劑，鋪設線路為無縫線路。

試驗區段主要觀測內容為曲線鋼軌磨耗、焊接接頭平順性及其他可能出現的傷損。2013年8月至2014年6月共進行4次跟蹤觀測，主要觀測區間里程及基本參數見表4。

表4 主要觀測區間里程及基本參數

2.2 鋼軌母材使用情況

圖2為PG5鋼軌在1#，3#位置使用1年后的鋼軌傷損及對應廓形。由圖可見，鋼軌在直線段和半徑1 000 m曲線上使用情況良好，未見嚴重傷損，僅軌角處出現輕微肥邊，鋼軌整體磨耗較小，垂磨＜1.5 mm，無側磨現象。

里程K73+90處為半徑600 m的曲線，位于主要觀測區間里程外，但因其下股鋼軌出現了剝離掉塊現象，因此對其進行了跟蹤觀測。2013年11月僅在K73 +90處發現長度約為3 m的曲線下股鋼軌剝離掉塊，2014年1月觀測發現曲線下股剝離掉塊已發展為3處，分別位于K73+90，K73+100，K73+150，長度分別為8，5.5，5.5 m。2014年6月觀測時K73+90處下股傷損發展至13 m，且曲線上股出現剝離掉塊(圖3)，鋼軌最大垂磨為2.5 mm，最大側磨為1.76 mm。

圖2 PG5鋼軌使用1年后鋼軌傷損及對應廓形

圖3 K73+90曲線PG5鋼軌傷損

2.3 鋼軌焊接接頭使用情況

由于PG5鋼軌母材硬度高，與母材相比鋁熱焊接頭硬度相對較低，因此，鋁熱焊起拱量預留較大，在使用1年后仍為高接頭，個別鋁熱焊接頭發現傷損之后安裝夾板，使用后接頭低塌。閃光焊接頭基本平順，個別焊接接頭存在低塌現象，平直度具體數據見表5。2014年6月觀測發現K74+900閃光焊接頭處出現剝離掉塊情況(圖4)。

2.4 鋼軌傷損情況分析

PG5鋼軌屬于高強度等級鋼軌，對于曲線上股，使用1年后軌頂面以下14～16 mm處的軌頭側面磨耗小，軌距角部位未磨合(輪緣未貼靠鋼軌)，在此種情況下，輪軌未達到共形接觸的最佳狀態。盡管鋼軌強度較高，但輪軌接觸位置、形狀、面積都與直線鋼軌不同，輪軌接觸條件較差，且承受橫向力較大，輪軌接觸壓應力超過鋼軌的屈服強度，導致接觸面表層金屬塑性變形，疲勞裂紋在塑性變形層表面萌生并擴展［7］。

表5 主要觀測區間焊接接頭平直度

圖4 K74+900閃光焊接頭傷損

圖5為K73+90曲線下股PG5鋼軌傷損發展情況。由圖可知，裂紋起源于鋼軌踏面中心表層，并與鋼軌頂面成一定角度向軌頭內部擴展，當斜裂紋擴展到一定深度時，轉為橫向發展，形成剝離掉塊［8］(圖5(a))。隨著使用時間延長，剝離掉塊有向兩側擴展的趨勢，踏面中心位置傷損減輕(圖5(b))。2014年6月觀測時發現，隨鋼軌踏面磨耗增加，剝離掉塊現象有所減輕(圖5(c))。分析認為，鋼軌使用初期車輪主要與鋼軌踏面中心區域A接觸，隨踏面中心位置磨耗增加，輪軌接觸區域面積增加，區域A剝離掉塊現象減輕，區域B和區域C開始產生剝離掉塊(圖6)。

2.5 鋼軌修理性打磨

2014年6 月，在PG5鋼軌通過總重為1.8億t時，鄭州鐵路局工務機械段對鋼軌進行了大機打磨，使用48頭打磨列車，廓形根據線路情況自行設計。從打磨效果上看，上股鋼軌的剝離基本消除，下股鋼軌的剝離有所減輕，但未徹底消除(圖7)。

圖5 K73+90曲線下股PG5鋼軌傷損發展情況

圖6 輪軌接觸示意

圖7 打磨后K74+900閃光焊接頭傷損

3 PG5鋼軌使用情況討論

PG5鋼軌是國產鋼軌中強度級別最高的鋼軌，從使用1年后的情況來看，鋼軌磨耗較小，最大垂磨2.5 mm，最大側磨1.76 mm。鑒于鋼軌側磨較小，鄭州局并未對鋼軌進行潤滑。

新焦外包線屬于重載線路，機車牽引力較大，所產生的縱向蠕滑力很大，在曲線上還承受著側向蠕滑力的作用。法向力和蠕滑力的綜合作用結果，導致曲線上股鋼軌軌距角部位和下股鋼軌踏面部位較早萌生一連串的與列車運行方向成一定角度的橫向細裂紋或斜裂紋，嚴重時發展為剝離掉塊，傷損發展規律與其它高強鋼軌基本相同［9］。

為了提高PG5鋼軌在小半徑曲線的使用壽命，建議使用此種高強度等級鋼軌時，在軌距角部位未磨合時，不要對鋼軌進行潤滑;及時對鋼軌進行打磨，通過打磨控制鋼軌的接觸疲勞，防止因接觸疲勞而產生剝離掉塊等傷損，同時可改善輪軌接觸狀況;提高焊接接頭強度，使之與鋼軌母材匹配，減少焊接接頭低塌。

4 結論及建議

1)PG5鋼軌母材總體使用情況良好，直線和半徑1 000 m曲線鋼軌表面光潔，基本無傷損。半徑600 m曲線曲中點附近出現了魚鱗傷和剝離掉塊，打磨后上股鋼軌的剝離基本消除，下股鋼軌的剝離有所減輕。

2)鋼軌閃光焊接頭硬度基本滿足標準要求，鋁熱焊接頭硬度低于標準要求。使用后個別焊接接頭存在低塌現象。

3)PG5鋼軌磨耗較小，通過總重在1.8億t時的最大垂磨2.5 mm，最大側磨1.76 mm，耐磨性能明顯優于U75V熱處理鋼軌。

4)建議及時對PG5鋼軌進行打磨，改善輪軌接觸狀況，控制鋼軌接觸疲勞;根據鋼軌磨耗情況科學潤滑鋼軌，提高鋼軌在重載線路小半徑曲線上的使用壽命。

［1］周清躍，張銀花，陳朝陽，等.重載鐵路鋼軌技術的研究［J］.中國鐵路，2011(7):54－57.

［2］董志洪.高技術鐵路與鋼軌［M］.北京:冶金工業出版社，2003.

［3］周清躍，張銀花，陳朝陽，等.我國鐵路鋼軌鋼的研究及選用［J］.中國鐵路，2011(11):47－51.

［4］張銀花，周清躍，陳朝陽，等.重載鐵路高強鋼軌的試驗研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(4):20－25.

［5］周清躍，張銀花，陳朝陽，等.國內外鋼軌鋼研究及進展［J］.中國鐵道科學，2002，23(6):120－125.

［6］張銀花，李闖，周清躍，等.我國重載鐵路用過共析鋼軌的試驗研究［J］.中國鐵道科學，2013，34(6):1－6.

［7］李曉宇，習年生，周清躍.輪軌接觸位置對鋼軌斜裂紋擴展行為影響的仿真［J］.中國鐵道科學，2008，29(2):44－46.

［8］習年生，劉豐收，周清躍.鋼軌滾動接觸疲勞缺陷的特征與發展模式［J］.理化檢驗(物理分冊)，2005，41(增刊):95－98.

［9］張銀花，周清躍，陳朝陽，等.1300 MPa級在線熱處理鋼軌使用性能研究［J］.中國鐵道科學，2008，29(6):23－28.

Research on service performance of hypereutectoid rail

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

The tracking observation has been carried out on the service performance of hypereutectoid rails after online heat treatment laying on the straight line and 600～1 000 m radius curves of Zhengzhou Railway Bureau.Study results showed that hypereutectoid rails have high hardness and good property of wear resistance.After one year，the surface of rails laying on the straight line and 1 000 m radius curve is smooth and has little injury and rails laying on 600 m radius curve have scale cracks and shelling.The hardness of rail flash welding joint basically meets standard requirements，but the hardness of thermit welding joint is lower than standard requirements，and some welding joints have low collapses.The wear resistance of hypereutectoid rails is better than that of U75V heat treatment rails and the preventive grinding of rails plays a significant role in improving the service life of rail on a small radius curve.

Hypereutectoid rail;W elding joint;Abrasion;Rail defects

U213.41

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.32

(責任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0147－04

2015－03－03;

2015－05－12

鐵道部科技研究開發計劃項目(2011G028－D)

李闖(1981—)，男，助理研究員，博士。