鐵路鋼軌用鋼與熱處理分析

王建

摘要：隨著我國經濟的高速發展，交通運輸行業發揮著重要作用，鐵路運輸作為目前最主要的遠程運輸方式，其發展的先進性一定程度上決定了經濟發展的速度和質量，而鐵路鋼軌的質量則決定了鐵路事業發展的規模。我國鐵路路線南北縱橫，東西貫通，加之高速鐵路的新發展、新技術，鐵路行業的發展面臨著更大的發展機遇與挑戰。本文從鐵路鋼軌的種類分析入手，著重介紹了當前我國鋼軌熱處理技術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展現狀。

關鍵詞：鐵路運輸;鋼軌用鋼;熱處理

鐵路運輸作為當前我國遠程運輸中最重要的運輸方式，在促進經濟的迅猛發展上發揮了至關重要的作用，尤其在國家提出“西部大開發”戰略以來，鐵路交通的重要性和優越性愈加凸顯。鐵路軌道作為鐵路運輸的基礎，軌道的質量、性能及其使用壽命都直接影響著鐵路運輸的效率和安全。隨著我國高速鐵路和貨物重載列車的大規模發展，對于鐵道運輸的安全性和抗磨損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度，提高其性能，但這種技術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低加工、高效益。熱處理是指將不同材質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用又可以大幅度提高鋼軌使用性能。

1.當前我國鋼軌用鋼的分類

不同鋼軌化學成分相應不同，依據鋼軌的化學成分分類，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。熱軋鋼軌是籠統的歸類，不區分鋼軌的強度高低，只依據鋼軌是否以熱軋狀態交貨，凡是以熱壓狀態交貨的鋼軌均成為熱軋鋼軌。熱處理鋼軌依據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，只有最低抗拉強度等級在1080MPa級以上的鋼軌才被稱為耐磨軌或高強軌[2]。

目前，鋼軌的熱處理主要是余熱淬火技術，即利用鋼軌軋制后的余熱進行軌頭淬火。余熱淬火技術因其自身在生產效率、生產成本、產品性能等方面的優勢，逐漸成為各個先進工業國家推廣使用的一項技術，其發展有逐漸取代離線淬火的趨勢，如日本已經全面使用在線熱處理技術。國內的鋼軌淬火技術經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過熱處理都可以提高鋼軌強度，優化性能。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

美國與日本聯合開發了這種被稱為“抗破損”的熱處理鋼軌，通過調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散，因此減少了昂貴的打磨費用。

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現的鋼軌，這種新型鋼軌的軌頭硬度高達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，但其韌性卻遠遠高于熱處理鋼軌。

1.4 貝氏體鋼軌

貝氏體鋼軌享有“二十一世紀的鋼軌”美譽，其兼具了優質鋼軌所需具備的一切優勢，高強韌性、高耐磨性和良好的抗表面傷損能力。貝氏體鋼軌強度高達1400MPa，耐磨性是普通熱軋鋼軌的8倍，這種優質鋼軌世界各國都在研制，部分發達工業國家已經投入使用。

2.鐵路鋼軌熱處理技術分析

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的方式，在世界各國應用也最為普遍，這種方式簡單易操作。將鋼軌置于輥底式加熱爐內加熱至820—835攝氏度，然后在常溫下冷卻40—50秒，當軌頭溫度降至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回火2小時。這種工藝適合大規模生產，操作簡單且質量穩定，整體強度高，但缺點顯而易見，成本較高，生產率較低，易造成環境污染。

2.2 離線軌頭淬火

離線軌頭淬火就是采用軌頭感應加熱，然后壓縮空氣火舌水霧淬火。這種工藝的優勢在于生產比較靈活，不容易受機器設備和生產節奏的限制，且資金投入較少，工藝控制嚴格，生產的鋼軌質量較高，軌頭踏面硬度較高，耐磨損性能好，提高了鋼軌的壽命。缺點是鋼軌需要重新加熱導致能耗高，生產率也比較低，且鋼軌的軌頭與軌腰結合處存在斷裂的薄弱區域，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、收縮使得鋼軌易發生變形。

2.3 在線軌頭余熱淬火

隨著科技的不斷進步，經濟的飛速發展，冶煉技術的步步提升，低氫冶煉技術、真空脫氣、連鑄等技術相繼被應用到鋼軌生產中，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的發展奠定了良好的基礎，提供了發展空間 。同時計算機檢測和控制技術的發展，也促進了余熱淬火技術的應用。在線淬火技術優勢明顯：生產效率高、生產成本低、產品性能好，逐漸取代離線淬火技術，成為發展鐵軌事業的首選。這種工藝生產效率高、所用成本低，生產鋼材質量好，但這種淬火方法所使用的設備和工藝較為復雜，不僅生產控制難度大，設備投資也較高。

3.結語

鐵路的高速發展對鐵軌的質量、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提高鋼軌質量的最有效手段。鋼軌的使用材料、質量保證是發展高速鐵路，促進鐵路事業發展的有力基石，是促進我國經濟飛速發展的可靠保障。為了滿足我國鐵路高速、重載運輸的發展，鐵路鋼軌的用鋼問題及鋼軌的熱處理成為相關人員重點關注的問題。

參考文獻：

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

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

[3]周清月.鋼軌生產和使用技術的新進展[J].北方交通大學學報，2012，4（22）：109-110.