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SP3日本高軸重用高耐火珠光體鋼軌鋼
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時間：2015-03-04
JFE通過合金設(shè)計和TMCP工藝，成功開發(fā)出多種高性能熱處理鋼軌（簡稱SP）。近年為了進(jìn)一步提高鋼軌的耐磨性和表面耐損傷性，通過將珠光體片晶組織微細(xì)化至極限水平以使其高硬度化，終于開發(fā)成功高硬度、高硬化深度型的高耐火鋼軌（SP3）。
?1?前言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，要求鐵路交通運輸?shù)男氏鄳?yīng)提高，除加速完善鐵路交通布局和大力發(fā)展高速鐵路外，在貨運方面應(yīng)加大載重量（高軸重化）和加大貨車長度是提高效率的有效途徑。但是隨著貨車運輸?shù)母咻S重化，需要高耐火性的鋼軌配合。我國在客運的高速鐵道方面處于國際領(lǐng)先地位，但在貨運列車高軸重化方面則和美、日等發(fā)達(dá)國家存在一定的差距。
2?日本高軸重用高耐火珠光體鋼軌鋼SP3的開發(fā)
國際上鐵路貨運效率最高的是美國橫斷北美大陸的鐵路，其貨車載重量為日本的數(shù)倍。日本為迎頭趕上，正大力進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。隨著高軸重化的發(fā)展，車輪和鋼軌間的接觸摩擦加大，由于所帶來的鋼軌磨耗加快，剝皮和粗糙開裂等表面損傷的加快，將加大鋼軌更換和維修的負(fù)擔(dān)。據(jù)此，JFE通過合金設(shè)計和TMCP工藝，成功開發(fā)出多種高性能熱處理鋼軌（簡稱SP）。近年為了進(jìn)一步提高鋼軌的耐磨性和表面耐損傷性，通過將珠光體片晶組織微細(xì)化至極限水平以使其高硬度化，終于開發(fā)成功高硬度、高硬化深度型的高耐火鋼軌（SP3）。并按達(dá)到美國重載貨車鐵道水平進(jìn)行正輔軌試驗，初步效果良好。本文就SP3鋼軌控制技術(shù)要點及其性能進(jìn)行簡要介紹。
3?鋼軌提高耐火性的基礎(chǔ)探討
（1）硬度和微型組織對耐磨耗性的影響
經(jīng)2圓筒式回轉(zhuǎn)接觸試驗得知，磨耗量隨珠光體組織鋼硬度的上升而下降。?????????????????????????
耐磨耗性依存于鋼的微觀組織。從珠光體組織鋼耐磨耗試驗后的斷面金相照片觀察，發(fā)現(xiàn)表層微觀組織中的塑性流動層隨硬度上升而變薄，由此可判斷高硬度對減少表面損傷有效。
（2）珠光體片晶的微細(xì)化
珠光體是由板狀的鐵素體和滲碳體所形成的層狀組織（片晶組織），通過對片晶組織的微細(xì)化可使強(qiáng)度提高。當(dāng)由奧氏體生成珠光體時，體積自由能下降。但由于鐵素體/滲碳體界面的形成，則片晶愈微細(xì)化時，界面能的上升愈大，而微細(xì)化有一定界限，工業(yè)應(yīng)用微細(xì)化的界限為0.05μm。
給予鐵素體/滲碳體界面能的是珠光體相變能，而化學(xué)驅(qū)動力的大小則與從珠光體平衡相變溫度（TE）的過冷度（ΔT）成正比。從而可加大ΔT，使片晶組織微細(xì)化。使ΔT最大化的基本思路是：a）通過鋼的成分設(shè)計，求出TE；b）軋制后使冷卻速度和冷卻溫度等TMCP條件最佳化而使珠光體相變溫度低溫化，使ΔT最大化。即通過鋼軌成分的合理設(shè)計和軋后TMCP條件的最佳化便開發(fā)成功鋼軌片晶間隔由表層向內(nèi)部穩(wěn)定微細(xì)化的技術(shù)，并保證了產(chǎn)品的優(yōu)良質(zhì)量性能。
4?高硬度SP3鋼軌的生產(chǎn)
（1）SP3鋼軌的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝
SP3鋼軌的化學(xué)成分為0.81C-0.55Si-0.55Mn-0.014P-0.005S及微量的Cr、V。經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉、RH爐脫氣后產(chǎn)出連鑄坯供熱軋，軋后經(jīng)快冷TMCP工藝處理，生產(chǎn)出70kg/m鋼軌。
（2）鋼軌性能
首先從金相照片發(fā)現(xiàn)，新開發(fā)的SP3微觀組織全部為珠光體組織而未見到馬氏體。其次，將SP3鋼軌的珠光體片晶和HB390級老式熱處理鋼軌的金相照片對比時發(fā)現(xiàn)，SP3鋼軌的片晶間隔極微細(xì)，表面為0.07μm、1寸深度時為0.09μm，而老式熱處理鋼軌表面僅0.09μm，說明新開發(fā)鋼軌在深部仍保持有微細(xì)的珠光體片晶組織。
SP3的潔凈度完全符合AREMA（美國鐵路協(xié)會）的標(biāo)準(zhǔn)，MnS、SiO2、Al2O3、TiN等雜質(zhì)物均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)。
接著對SP3鋼軌和老式熱處理鋼軌的硬度特性進(jìn)行了對比，結(jié)果是SP3鋼軌表面和1寸深度處分別高HB40和HB20，即1寸深度處硬度仍高達(dá)HB390。SP3的機(jī)械性能則為0.2%YS達(dá)967MPa，TS達(dá)1409MPa，EL為14%，RA為37%。TS比老式熱處理鋼軌高100MPa，而延性卻不低。
SP3耐磨耗性和耐轉(zhuǎn)動疲勞性較好，即從SP3鋼軌和老式鋼軌頭部和深0.75寸處取試樣，然后用HV370調(diào)質(zhì)鋼制成外徑30mm，厚8mm的圓筒形模擬車輪做耐磨耗對比試驗，在1MGT下的磨耗深度，SP3鋼軌比老式鋼軌少10%以上。對同樣試樣作耐轉(zhuǎn)動疲勞試驗，結(jié)果是SP3表層和內(nèi)部分別比老式鋼軌的性能高3%和13%。這說明高強(qiáng)度化和減少夾雜物均發(fā)揮了應(yīng)有作用。
（3）焊接性能
觀察SP3焊接區(qū)微觀組織的金相照片，結(jié)果是未發(fā)現(xiàn)裂紋和未焊合等缺陷，呈現(xiàn)為完善的珠光體組織。在深5mm處的硬度分布合理，與老式鋼軌一樣。另外按ARAME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜態(tài)4點彎曲試驗，結(jié)果均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說明SP3鋼軌的焊接性能優(yōu)良，將可保證實際應(yīng)用。
（4）實際鐵路線的評價試驗
SP3鋼軌已在北美的高軸重環(huán)境下貨物運輸鐵路的彎曲部鋪設(shè)，以便在應(yīng)用中觀察其磨耗變化和表面是否發(fā)生疲勞損傷。并據(jù)此進(jìn)行耐磨耗性評價。與老式鋼軌同等時間試用的結(jié)果進(jìn)行對比得知，SP3由磨耗產(chǎn)生的表面磨損量比老式鋼軌降低了12%。同時在鋼軌表面未發(fā)現(xiàn)粗糙開裂和剝離損傷，說明耐疲勞損傷性良好。
5?小結(jié)
適用于北美等高軸重貨運鐵道用的高硬度、高耐火鋼軌鋼SP3已開發(fā)成功。它以珠光體片晶間隔微細(xì)化至極限為目的，采用了相應(yīng)的成分設(shè)計和TMCP工藝，達(dá)到珠光體片晶間隔僅0.07μm的極微細(xì)水平，表面硬度HB420以上，1寸深處仍為HB370的高硬度。經(jīng)試驗和實際應(yīng)用，SP3耐磨耗性均比老式鋼軌提高了10%以上，焊接接頭性能和老式鋼軌相同，且具有良好的硬度分布。SP3鋼軌將應(yīng)用在高軸重貨運鐵道上，這將有利于延長鋼軌使用壽命，降低維修成本。?
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